半导体量子点及其应用概述-李世国(精).doc

科技信息2011年第29期SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION0引言近年来半导体材料科学主要朝两个方向发展:一方面是不断探索扩展新的半导体材料,即所谓材料工程;另一方面是逐步从高维到低维深入研究己知半导体材料体系,这就是能带工程。半导体量子点就是通过改变其尺寸实现能级的改变,达到应用的目的,这就是半导体量子点能带工程。半导体量子点是由少量原子组成的准零维纳米量子结构,原子数目通常在几个到几百个之间,三个维度的尺寸都小于100纳米。载流子在量子点的三个维度上运动受尺寸效应限制,量子效应非常显著。在量子点中,由于量子限制效应作用,其载流子的能级类似原子有不连续的能级结构,所以量子点又叫人造原子。由于特殊能级结构,使得量子点表现出独特的物理性质,如量子尺寸效应、量子遂穿效应、库仑阻塞效应、表面量子效应、量子干涉效应、多体相关和非线性光学效应等,它对于基础物理研究和新型电子和光电器件都有很重要的意义,量子点材料生长和器件应用研究一直是科学界的热点之一1。1量子点制备方法目前对量子点的制备有很多方法,主要有外延技术生长法、溶胶-凝胶法(Sol-gel和化学腐蚀法等,下面简单介绍这几种制备方法: 1.1外延技术法外延技术法制备半导体量子点,主要是利用当前先进的分子束外延(MBE、金属有机物分子束外延(MOCVD和化学束外延(CBE等技术通过自组装生长机理,在特定的生长条件下,在晶格失配的半导体衬底上通过异质外延来实现半导体量子点的生长,在异质外延外延中,当外延材料的生长达到一定厚度后,为了释放外延材料晶格失配产生的应力能,外延材料就会形成半导体量子点,其大小跟材料的晶格失配度、外延过程中的条件控制有很大的关系,外延技术这是目前获得高质量半导体量子点比较普遍的方法,缺点是对半导体量子点的生长都是在高真空或超高真空下进行,使得材料生长成本非常高。1.2胶体法胶体法是指金属的有机或无机物经过溶液、溶胶而固化形成量子点,在离心力作用下可以涂覆在衬底表面,经过退火处理而成为所需纳米团簇的方法。这种方法是要把胶体带有纳米孔状的模板中,经过高温退火处理后,模板会自动去除,而胶体颗粒也会在高温下形成晶体,颗粒的大小与模板孔尺寸、胶体浓度和退火温度等因素有关。这种制备量子点方法的优点是,方法简单,不需要复杂的仪器设备,成本较低,可以大面积制备纳米颗粒,缺点是不易形成高质量晶体颗粒和极易受到空气中的灰尘污染。1.3化学腐蚀法腐蚀法是利用化学液体对不同的半导体材料的腐蚀速率差异和晶体材料的各向异性,通过腐蚀光刻技术在晶体衬底留下的图形,从而达到纳米量级的量子点。该方法是通过腐蚀晶体衬底直接获得量子点材料,量子点表现出纯度高、性能优越,但是由于腐蚀的各向异性,量子点材料的尺寸非常不均匀2。2量子点的应用量子点在我们的日常生活中有着非常重要的作用,主要应用在量子光电器件、量子计算和量子生物医学等方面,下面我们将逐一进行简单的介绍:2.1量子计算在量子点中,通过加上很小的电压,利用库仑阻塞效应,可以很精确的控制电子流的数量,同时控制电子自旋的状态向上或者向下,进而控制数据的存贮或者计算,通过技术的不断发展,在不久的将来可以利用量子点实现量子计算或者实现量子计算机。2.2光电器件在量子点光电器件中,提供光增益的有源区介质是量子点,量子点由于特殊的尺寸限制表现出来的量子效应,使得他的态密度函数类似单个原子,是一个函数,使得量子点表现许多由于光学和电学特性。如以量子点为有源介质的量子点激光器,在理论上计算发现,比量子阱、量子线和块体材料的激光器有更低的阈值电流密度、更高的量子线率、宽的增益、更高的微分增益和好的温度稳定特性。而且,量子点的禁带宽度除了跟材料本身的性质有关外,还跟量子点的大小有很大的关系。在固定的材料体系统,光电器件的发光波长还可以通过控制量子点的尺寸来控制。量子点尺寸越大,量子尺寸限制效应减弱,禁带宽度缩小,器件的发射波长红移。如在磷化铟衬底上生长的砷化铟量子点,通过调节砷化铟量子点的尺寸大小,可实现发光器件的波长在1.4微米到2微米之间调节,这样我们就可以根据实际需求选择量子点尺寸,从而达到需要的波长。虽然量子点光电器件有这么多优点,但在实际实际的应用中,受到量子点均匀性的影响,器件的很多性能远没有达到理论预计的值,与商用化的量子阱光电器件相比任然有很大的差距,然而通过制备技术和方法的不断改进,量子点在广电领域的前景是光明的3。2.3量子生物医学在生命科学领域,荧光图像技术是一种重要的手段,然而传统的有机染料非常容易淬灭,在实际应用中非常不方便,无法对标记物进行长期的跟踪和观察。而量子点的优点是发光波长可调,发光强度高和化学稳定性好,非常适合用在用于标记生物体的长期跟踪。在生物体中,可见光对生物的穿透能力较差,无法完成很多的病理检测,而半导体量子点发射的红外光则可穿透厘米级厚度的组织,因此可将某些在红外区发光的量子点标记到组织或细胞内的特异组分上,并用红外光激发,就可以通过成像检测的方法来研究组织内部的情况,达到诊断的目的4。另外,量子点也可用于生物芯片研究。在生物芯片中,研究多个蛋白质就只能多次重复相同操作标记,非常不方便。而量子点的发光波长可以通过尺寸的改变来实现,这样我们就可用一系列不同大小、不同材料、光谱特性各自不同的量子点或量子点微粒标记各种蛋白质,更重要的是可以用同一波长的光激发,从而可以同时检测所有标记的蛋白质与芯片上的蛋白质之间的相互作用5。2.4光伏电池光伏电池中最重要的一个参数是光电转换效率,研究发现利用半导体硒化铅量子点作为有源材料,当吸收一个高能量可见光的光子,将产生7个左右的激子(相当于硒化铅量子点禁带宽度能量的7.8倍。而传统的光伏电池是,接收一个可见光的光子,将产生一个激子(电子-空隙对,所以利用硒化铅量子点将大大提高光伏电池的光电转换效率,这样将会大大降低光伏电池的生产成本6。2.5保密量子通信在保密量子通信中,是单个光子来传递信息,要实现高质量的信号传输,最重要的是要获得高质量的单光子源,目前实现单光源的方法是衰减的办法,就是通过光衰减的方法来获得单光子,现在的衰减技术无法获得真正意义上的单光子。而低密度半导体量子点,就可以实现这一要求,因为在一个单光子源中只有一个单量子点,当在单光子源上加泵浦是,一般只会发射单个光子,这样就能够达到保密量子通信的要求。(下转第454页半导体量子点及其应用概述李世国王新中范金坪夏林中张春晓杜军(深圳信息职业技术学院广东深圳518029【摘要】半导体量子点是由少量原子组成的准零维的纳米量子结构,表现出较其它维度的结构的半导体材料更优越的性能,被广泛应用于量子计算、量子生物医学、量子光伏器件、量子发光器件和量子探测器中,是现在前沿科学研究的热门课题之一。【关键词】量子点;纳米结构;量子效应;量子点应用本刊重稿439科技信息SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION2011年第29期(上接第439页3结束语我们通过对半导体量子点的概念简单的描述了量子点的定义,并列举的半导体量子点的制备方法及每一种方法的优缺点,同时描述了半导体量子点在日常生活中的主要应用的几个方面。【参考文献】1王占国,陈涌海,叶小玲,等.纳米半导体技术.化学工业出版社.2M.T.Todaro,et al.Low -density self -assembled QDs grown directly in a GaAsmatrix for quantum -communication applications at 1300nm wavelength.Microelecron.Eng.,2004,73:757.3M.S Skolnick, D.J Mowbray .Recent developments in the physics and applications of self -assembled quantum dots .Physica E:Low -dimensional Systems and Nanostructures ,2004,21:155-163.4候巍,单亚明,王丽萍.量子点技术在生物医学领域的应用进展.2004,8:436-438.5谭艳芝.量子点的应用及研究进展.纳米材料与应用,2007,8:22-26.6Robert F.Service .Shortfalls in Electron Production Dim Hopes for MEG Solar Cells .Science,2008,322:1784.作者简介:李世国(1978.04,博士,深圳信息职业技术学院,讲师,主要从事半导体低维光电材料与器件方面的研究。基金项目:感谢深圳信息职业技术学院项目对本论文资助(项目编号YB201006。责任编辑:王爽科人的全面发展,既教育人、引导人、鼓舞人,又尊重人、理解人、关心人。“人文关怀就是在核心价值观教育中关注大学生的感受和多方面的需要,创造条件去满足大学生多方面的合理需求,引导大学生在社会价值和个人价值统一实现的过程中去获得幸福的感受”。3心理疏导就是要关注社会生活的急剧变化,工作和生活节奏的加快,竞争日趋激烈,就业压力加大而带来的心理不适和心理疾患,“引导大学生用和谐理念想问题,办事情,培养大学生豁达、乐观、宽容的精神,培养自尊自信、理性平和、积极向上的良好心态”。4人文关怀和心理疏导相结合的原则,体现了价值观教育的人性化要求,有利于增强价值观教育的人情味和说服力,从而提高大学生价值观教育的效益。2.3教育理念不断创新原则。教育理念创新是大学生核心价值观教育的灵魂,是有效开展大学生核心价值观教育的原动力。传统的教育理念僵化地对待不断变化的形势,忽视了大学生的主体性和能动性,忽略了在价值观形成过程中个体的认知、判断、情感、理解和选择的重要作用,忽视了大学生的年龄特征、心理状况、远离生活,往往不能引起学生的共鸣,导致大学生价值判断和选择能力的弱化。因此,高校价值观教育必须与时俱进,顺应时代发展的要求,不断更新教育理念和方法,努力提高价值观教育的时代性、时效性和针对性。2.4实践性原则。实践性原则是大学生核心价值观教育的根本原则,它主要建立在价值观教育的客观性、现实性、效用性的基础之上。其客观性主要强调价值观教育的真实性,也就是说价值观教育必须从人出发,不能脱离人的存在、人的需要、人的本性;其现实性主要强调价值观教育的时代性,即主导价值观理论具有实践性品格,必须随时代的发展而发展,不能脱离时代、脱离社会;其效用性主要体现在价值观教育的功能性上,价值观教育必须以自身的教育效果为目的,而不是脱离教育对象的空洞说教。对此,大学生核心价值观教育必须以现实社会的实践为出发点,秉持“三贴近”原则,努力在价值观教育的针对性、实效性、吸引力、感染力上下功夫,这是实现价值观教育“实践性原则”的根本所在。同时,实践性原则指出大学生的创造性思维、价值观的最终生成源于实践,也只有在实践中得到验证和内化。3理清思路:大学生核心价值观教育方法的创新面对当前大学生核心价值观教育的诸多挑战,大学生核心价值观教育方法如何创新?目前,各高校在大学生核心价值观的教育方式、方法上有许多创新的做法,本文只是从当前特别需要加强、完善方法的角度谈几点看法。3.1显形教育与隐性教育相结合的方法。显形教育是传统的教育方法,这种强制灌输性的教育方法只重视教育者的目标要求和强调内容的唯一正确性,而忽视受教育者的主体地位,不但难以调动受教育者的主动性、积极性,反而容易使受教育者产生抵触情绪,很难达到应有的教育效果。“隐性教育是指教育者隐藏教育的主题和目的,淡化受教育者的角色意识,按预定的教育计划将教育内容渗透到教育对象所处的环境、文化、娱乐、服务和管理等日常生活的氛围中,引导受教育者去感受和体会,迁移默化地接受组织者所设定的教育内容”。5在多元文化背景下,我们提倡在坚持显性教育的同时,通过隐性教育来弥补显性教育的不足和缺陷,实现两者的有机结合。一方面可以发挥各自的不同功能和优势,可以使价值观教育做到优势互补、功能互补、相互促进;“另一方面能够加强隐性教育和显性教育两者之间的沟通和协调,实现大学生核心价值观教育效果的最大化和最优化”。63.2理论教育与实践教育相结合的方法。实践出真知,实践也检验并形成价值。用社会主义核心价值体系教育大学生,核心和关键之点就在于要引导大学生在认同的基础上践行核心价值体系,将之外化为自觉行动和行为习惯,内化为思想品格和意志信念的内在组成部分。大学生核心价值观的确立仅仅通过理论教育是难以完成的,必须注重大学生价值观教育的实践性。坚持理论教育与实践教育相结合,才能避免理论教育的抽象化、概念化,以增强教育的吸引力和感染力。社会实践对于促进大学生了解社会、了解国情、奉献社会、锻炼毅力、开阔视野、培养品格、增强社会责任感等具有不可替代的作用。在参加社会实践的过程中,使他们亲身体验改革开放和社会主义现代化建设的伟大成就,增强对社会主义核心价值体系思想内涵、应用价值和现实意义的理解,增强对党的信心和坚定走中国特色社会主义道路的信念,激发大学生的爱国热情。在实践中体验、认同、接受社会主义核心价值观教育的意义和作用,逐渐将社会主义核心价值体系的思想体系内化为大学生的价值取向。3.3双向交流与思想互感相结合的方法。传统的价值观教育中的简单说教、单一硬性的理论