量子點(diǎn)納米光子學(xué)及應(yīng)用

序 前言 第1章 量子點(diǎn)概述 1 1.1 量子阱、量子線和量子點(diǎn) 1 1.2 量子效應(yīng) 3 1.2.1 量子尺寸效應(yīng) 3 1.2.2 表面效應(yīng) 4 1.2.3 宏觀量子隧道效應(yīng) 5 1.2.4 庫(kù)侖阻塞效應(yīng) 5 1.3 量子點(diǎn)的類型和結(jié)構(gòu) 5 1.3.1 量子點(diǎn)的類型 5 1.3.2 量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu) 8 1.4 量子點(diǎn)的應(yīng)用 11 1.4.1 量子點(diǎn)光電子器件 11 1.4.2 量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池 13 1.4.3 量子點(diǎn)在生命科學(xué)中的應(yīng)用 15 1.4.4 量子點(diǎn)研究的展望 16 參考文獻(xiàn) 17 第2章 量子點(diǎn)納米光子學(xué)基礎(chǔ) 19 2.1 光子和電子 19 2.2 激子 21 2.3 傳播和約束 22 2.3.1 自由空間中的傳播 22 2.3.2 光子和電子的約束 23 2.4 隧道效應(yīng) 26 2.5 周期勢(shì)場(chǎng)下的約束：帶隙 28 2.6 納米級(jí)能量轉(zhuǎn)移 33 2.6.1 高濃度摻雜時(shí)的能量轉(zhuǎn)移 34 2.6.2 瞬逝波 34 2.6.3 熒光共振能量轉(zhuǎn)移 35 參考文獻(xiàn) 36 第3章 量子點(diǎn)的能級(jí)結(jié)構(gòu) 37 3.1 量子電子態(tài) 37 3.1.1 勢(shì)阱中的粒子 37 3.1.2 球?qū)ΨQ勢(shì)阱中的粒子 41 3.1.3 庫(kù)侖勢(shì)中的電子 45 3.1.4 周期勢(shì)中的粒子 46 3.1.5 晶體中的電子 50 3.1.6 準(zhǔn)粒子電子、空穴和激子 54 3.2 有效質(zhì)量近似 58 3.2.1 弱約束情形 59 3.2.2 強(qiáng)約束情形 60 3.2.3 中等約束情形 63 3.3 表面極化效應(yīng) 65 3.4 緊束縛近似 66 3.5 經(jīng)驗(yàn)贗勢(shì)法 67 參考文獻(xiàn) 68 第4章 量子點(diǎn)的制備和表征 70 4.1 量子點(diǎn)制備 71 4.1.1 分子束外延生長(zhǎng) 71 4.1.2 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法 73 4.1.3 脈沖激光沉積法 75 4.1.4 納米化學(xué)法 76 4.1.5 高溫熔融法 80 4.2 實(shí)驗(yàn)室量子點(diǎn)光纖制備 80 4.2.1 光纖纖芯本底材料的選擇 81 4.2.2 量子點(diǎn)膠體的制備 81 4.2.3 空芯光纖灌裝方法探索 82 4.2.4 量子點(diǎn)玻璃光纖（空氣包層）的制備 85 4.3 量子點(diǎn)的表征 88 4.3.1 X射線 89 4.3.2 電子顯微鏡 90 4.3.3 掃描探針顯微鏡 92 4.3.4 激光粒度儀 93 4.3.5 吸收-輻射光譜 95 4.4 熔融法制備PbSe量子點(diǎn)玻璃 96 4.4.1 實(shí)驗(yàn)制備 96 4.4.2 結(jié)果與分析 97 4.4.3 熔融二次熱處理優(yōu)化制備PbSe量子點(diǎn)熒光玻璃 103 4.5 本體聚合法制備PbSe/PMMA量子點(diǎn)光纖材料 109 4.5.1 概述 109 4.5.2 制備 110 4.5.3 結(jié)果與分析 111 4.5.4 結(jié)論 115 4.6.1 實(shí)驗(yàn) 116 4.6.2 結(jié)果與分析 117 4.6.3 結(jié)論 123 參考文獻(xiàn) 124 第5章 量子點(diǎn)光譜 126 5.1 量子點(diǎn)的發(fā)光 126 5.1.1 發(fā)光模式 126 5.1.2 俄歇復(fù)合 127 5.1.3 量子點(diǎn)光譜的頻移 127 5.2 量子點(diǎn)的吸收、輻射和散射特性 129 5.2.1 吸收 129 5.2.2 輻射 130 5.2.3 散射 132 5.3 躍遷譜線展寬 134 5.3.1 均勻展寬 135 5.3.2 非均勻展寬 137 5.3.3 綜合展寬 138 5.3.4 量子點(diǎn)的粒度分布對(duì)熒光輻射譜的影響 139 5.4 躍遷截面 147 5.4.1 截面的概念 147 5.4.2 愛(ài)因斯坦系數(shù)和Ladenburg-Fuchtbauer關(guān)系 149 5.4.3 輻射截面的Mc Cumber理論 151 5.4.4 截面的確定 154 5.4.5 能級(jí)壽命 161 5.5 室溫下正己烷本底中PbSe量子點(diǎn)的熒光壽命 163 5.5.1 實(shí)驗(yàn)材料與表征 164 5.5.2 結(jié)果與分析 165 5.5.3 結(jié)論 171 5.6 CdSe/ZnS量子點(diǎn)的吸收與折射率色散關(guān)系的確定 171 5.6.1 實(shí)驗(yàn) 171 5.6.2 結(jié)果與分析 173 5.6.3 結(jié)論 179 5.7 PbSe、PbS和CdSe、CdS量子點(diǎn)的比較 179 參考文獻(xiàn) 180 第6章 量子點(diǎn)的溫度特性 183 6.1 量子點(diǎn)PL譜的溫變特性理論 183 6.1.1 量子點(diǎn)PL峰值強(qiáng)度隨溫度的變化 183 6.1.2 量子點(diǎn)PL峰值波長(zhǎng)隨溫度的變化 184 6.1.3 量子點(diǎn)PL譜的半高全寬隨溫度的變化 187 6.2 CdSe/ZnS量子點(diǎn)的熱穩(wěn)定性研究 189 6.2.1 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果 190 6.2.2 實(shí)驗(yàn)和理論的比較與討論 192 6.2.3 小結(jié)195 6.3 CdSe/ZnS核/殼量子點(diǎn)薄膜溫度傳感器 196 6.3.1 光路結(jié)構(gòu) 196 6.3.2 溫度敏感元件制作 197 6.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 197 6.3.4 小結(jié) 202 參考文獻(xiàn) 202 第7章 光纖中的光傳輸 204 7.1 均勻介質(zhì)中的光傳輸 204 7.2 三能級(jí)系統(tǒng) 206 7.2.1 三能級(jí)模型 206 7.2.2 三能級(jí)速率方程 206 7.2.3 小信號(hào)增益 208 7.2.4 增益飽和 211 7.2.5 最佳光纖長(zhǎng)度 212 7.3 重疊因子 212 7.4 二能級(jí)模型 215 7.4.1 二能級(jí)近似 215 7.4.2 二能級(jí)速率方程 216 7.5 放大的自發(fā)輻射 218 7.5.1 噪聲功率和噪聲帶寬 218 7.5.2 噪聲系數(shù) 219 7.5.3 噪聲功率方程 220 7.6 包含放大自發(fā)輻射的建模 221 7.7 徑向效應(yīng) 222 7.7.1 速率方程 223 7.7.2 徑向分布函數(shù) 224 7.8 三維情形 225 參考文獻(xiàn) 226 第8章 量子點(diǎn)光纖和光纖放大器 227 8.1 UV膠纖芯本底的CdSe/ZnS量子點(diǎn)光纖的傳光特性 228 8.1.1 實(shí)驗(yàn) 228 8.1.2 UV膠中CdSe/ZnS量子點(diǎn)的吸收譜和輻射譜 229 8.1.3 摻雜光纖對(duì)泵浦光的吸收 230 8.1.4 PL峰值強(qiáng)度與摻雜光纖長(zhǎng)度和濃度的關(guān)系 231 8.1.5 PL峰值波長(zhǎng)與摻雜光纖濃度和長(zhǎng)度的關(guān)系 233 8.1.6 結(jié)論 234 8.2 量子點(diǎn)光纖熒光光譜的紅移 234 8.2.1 纖芯基底為甲苯時(shí)的PL峰值波長(zhǎng)的紅移 234 8.2.2 不同纖芯本底的PL峰值波長(zhǎng)的紅移 236 8.2.3 結(jié)論 238 8.3 單摻雜PbSe量子點(diǎn)光纖放大器 238 8.3.1 基本工作原理 239 8.3.2 速率方程 240 8.3.3 結(jié)果與分析 243 8.3.4 結(jié)論和展望 246 8.4 多粒度摻雜PbSe量子點(diǎn)光纖放大器 247 8.4.1 引言 247 8.4.2 能級(jí)和疊加譜 247 8.4.3 結(jié)果與分析 249 8.4.4 結(jié)論 252 8.5 PbSe量子點(diǎn)近紅外寬帶光纖放大器的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn) 252 8.5.1 實(shí)驗(yàn) 253 8.5.2 結(jié)果與分析 254 8.5.3 結(jié)論 261 8.6 理想的量子點(diǎn)光纖放大器 261 8.7 結(jié)語(yǔ)與展望 264 參考文獻(xiàn) 266 第9章 量子點(diǎn)光纖激光器 268 9.1 概述 268 9.2 幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題 271 9.2.1 量子點(diǎn)種類的選擇 271 9.2.2 量子點(diǎn)的光學(xué)增益和受激輻射閾值 272 9.2.3 泵浦光激勵(lì)閾值 273 9.2.4 激射的穩(wěn)定性 274 9.2.5 諧振腔 274 9.3 PbSe量子點(diǎn)光纖激光器的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn) 276 9.3.1 激光器的構(gòu)成 276 9.3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 276 9.3.3 結(jié)果與分析 277 9.3.4 結(jié)論 284 9.4 環(huán)形腔PbSe量子點(diǎn)單模光纖激光的數(shù)值模擬 284 9.4.1 粒子數(shù)速率方程、光功率方程及循環(huán)條件 284 9.4.2 重疊因子 286 9.4.3 彎曲損耗 286 9.4.4 數(shù)值模擬 287 9.4.5 結(jié)論 291 9.5 結(jié)語(yǔ)與展望 292 參考文獻(xiàn) 294 第10章 納米光子學(xué)若干熱點(diǎn)及進(jìn)展 296 10.1 量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池 296 10.1.1 太陽(yáng)能電池的基本工作原理 297 10.1.2 PIN結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池 300 10.1.3 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池 304 10.1.4 量子點(diǎn)多激子效應(yīng) 309 10.1.5 幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題 318 10.1.6 展望 320 10.2 硅量子點(diǎn) 320 10.2.1 硅量子點(diǎn)簡(jiǎn)介 320 10.2.2 硅量子點(diǎn)制備 322 10.2.3 硅量子點(diǎn)的生物應(yīng)用 325 10.2.4 展望 327 10.3 表面等離子激元光子學(xué) 327 10.3.1 表面等離子激元的物理機(jī)制 327 10.3.2 局域表面等離子激元 329 10.3.3 傳播的表面等離子激元 330 10.3.4 表面增強(qiáng)拉曼散射 333 10.3.5 表面等離子激元的應(yīng)用及展望 334 10.4 單個(gè)等離子激元納米粒子的光學(xué)特征 335 10.4.1 電磁理論模型：Mie理論和Gans理論 336 10.4.2 單粒子散射法 338 10.4.3 單粒子消光方法 342 10.4.4 單粒子吸收方法 345 10.4.5 單粒子光譜與電子顯微鏡結(jié)合 348 10.4.6 等離子激元的譜線寬 351 10.4.7 小結(jié) 355 10.5 表面增強(qiáng)拉曼散射熱點(diǎn)的超分辨成像 355 10.5.1 高分辨率成像的基本原理 356 10.5.2 超分辨SERS熱點(diǎn)成像 358 10.5.3 衍射極限限制的SERS輻射的擬合：超越高斯近似 360 10.5.4 光譜-空間分辨的熱點(diǎn) 363 10.5.5 結(jié)論和展望 365 參考文獻(xiàn) 366 附錄1 本書主要物理量符號(hào)對(duì)照表 373 附錄2 希臘字母符號(hào)對(duì)照表 377