熔融法制备较高密度PbSe量子点玻璃关键技术的研究

摘要

半导体纳米晶体是一种准零维多原子系统。由于表面效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应等特殊的量子效应,近年来,在电子和光通讯方面引起了人们的普遍关注。特别是具有窄带隙的Ⅳ-Ⅵ族材料,如PbSe,更是引起世界的广泛关注。在过去的几年里,波长为1.3-1.55μm的光通信设备受到了普遍地关注。通过熔融法合成半导体量子点掺杂玻璃就可以简单地实现1.3μm的光发射。直径在4.5-9nm之间的PbSe量子点在红外波段具有很强的辐射峰,其辐射峰典型的FWHM为100-200nm,在光纤通信中具有潜在的应用价值。因此,有必要研究生长在玻璃基底中PbSe量子点的形成。
　　 本文采用高温熔融-退火法在钠硼铝硅酸(SiO2-B2O3-Na2O-Al2O3-ZnO-A1F3)玻璃中生长了PbSe量子点。通过X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、光致荧光(PL)谱测量等手段,探究了不同玻璃配料、不同PbSe量子点引入物、以及一次热处理和两次热处理对PbSe量子点的尺寸和密度的影响。获得的实验结果如下:
　　 1、适当加入ZnO有助于合成量子点,能减少硫族元素的挥发,使玻璃中的量子点尺寸分布均一化。当ZnO含量占玻璃总配料的质量比约为9.4％时,生成的量子点尺寸比较均匀,直径约为6.5nm,且密度较高,PL谱强度最强,辐射峰位于1790nm,FWHM为296nm。
　　 2、不同的PbSe引入物(例如:块材料PbO、ZnSe和PbSe)对PbSe量子点的密度有很大的影响。块材料PbSe作为Pb2+和Se2-元素的引入物更容易合成相对密度较高的PbSe量子点。
　　 3、适当加入碳粉,可以减少Se元素被氧化成更易挥发的物质。实验结果表明:当玻璃中碳的含量超过玻璃总配料的2%时,反而不容易形成PbSe量子点。当玻璃中C的含量为玻璃总配料的0.5%时,实验证明更容易获得高密度的PbSe量子点。
　　 4、与传统的一次热处理方法相比,二次热处理将更容易获得高密度的PbSe量子点。