量子点的性质

1、量子点的性质对于任何材料，都会有一个临界尺寸，当粒径小于这个尺寸时，其基本的电子和光学会发生质的变化，但是在特定的温度下，相比较而言，半导体发生这种改变的尺寸比绝缘体、金属材料要大得多。这是由于固体的能带位于原子能级的中央，其带宽与相邻最近的能级间相互作用力的强度有关。就范德华力或分子晶体而言，相邻最近的能级间相互作用力很弱，固体能带很窄，因此，其纳米晶粒的光学和电子性质不会随粒径的改变而发生太大的变化。当粒径增大时，能带中央先发生变化，带边最后变化，因此，由于金属的费米能级位于一个带，也就是导带的中央。由于中央的态密度非常大，能带的部分变化不足以使其能级间距发生太多的改变，甚至对于只有几十个

2、或几百个原子的小粒子也是这样，所以其光学和电子性质也就与大块晶体的性质很相似。 金属材料的能带分布* 然而，对于半导体而言，由于其费米能级位于价带和导带这两个带之间 ，因此，带边控制着其低能光学和电子行为，由于带边的态密度很小，所以其少量的变化就会引起物体光学和电子行为的很大改变，而且体积越小，态密度也越小，变化就越大，所以与金属不同，半导体的光电性质在很大程度上依赖于材料的尺寸，对于即使含有上万个原子的晶体也是如此。 半导体材料的能带分布* 所以，当半导体材料的尺寸从体相逐渐减少至一定临界尺寸（通常只要等于或小于半导体体相的激子玻尔半径，纳米级）以后，其载流子（电子，空穴）的运动将处于强受限

3、的状态（类似在箱中运动的粒子），有效带隙增大， 能带从体相的连续结构变成类似于分子的准分裂能级，粒径越小，能隙越大， 材料的行为具有量子特性，量子化后的能量为 ： E(R)=E g + 2 2 /2R 2 -1.8/R (1) 其中 E g 为体相带隙， 为电子、空穴的折合质量， 为量子点材料的介电常熟， R 为粒子的半径，第二项为量子点受限项，第三想为库仑项。 E(R) 也就是最低激发态能量， E(R) 与 E g 的差为动能的增加量 (E) ： E E(R)-E g = 2 2 /2R 2 -1.8/R (2) 从式 (1) 和 (2) 可以看出，量子点受限项与 1/R 2 成正比，而库仑

4、势与 1/R 成正比，都随 R 的减小而增大。前者导致能量向高能方向移动（蓝移），后者导致能量向低能方向移动（红移）。当 R 足够大时，受限项的增大超过库仑势的增大而成为主项，因而最低激发态能量向高能端移动。这一些就是在实验上观察到的量子尺寸效应，即半导体纳米材料的体积大小严格控制着电子准分裂能级间的距离和动能增加的多少，晶粒越小，距离越大，动能的增加越多，其光吸收和发射能量也就越高。同时，半导体纳米材料也具有纳米粒子通常都具有的表面效应，这些效应进而使它们表现出优越的荧光纳米效应。 狭义上的量子点 (QDs) 即指半导体纳米晶粒，所以归纳而言，量子点可以解释为 半径小于或接近于激子玻尔半径的

5、半导体纳米晶粒，是半导体界于分子和晶体之间的过渡态，具有独特的量子尺寸效应和表面效应，表现出优良的荧光纳米效应。 QDs 的 UV-Vis 光谱表明它有大量的能量态，其中最低激发能由第一个可见峰指示，这个峰也被称作量子限域峰。除此之外，在更高的能级还存在着多重电子态，所以在更短的波长激发它是可能的，即激发谱连续分布。 量子点与罗丹明6G的UV-Vis吸收曲线* QDs 的发射光谱狭窄而对称分布，而且可以通过改变粒子的大小和组成而改变。 量子点与罗丹明6G的荧光发射曲线* 下图中的蓝色、绿色、红色谱带分别是不同粒径的 CdSe 、 InP 和 InAs 所对应的发射谱，不同组成的 QDs 可以提供从 400nm 到 2m 之间的发射光，其中不同粒径 CdSe QDs 的发射谱可以覆盖整个可见光谱区。 三种 量子点的荧光发射曲线* 因而，可以用一个光源同时激发多种 QDs ，得到宽范围的不同发射光谱。 QDs 的荧光强度强、漂白速率慢、灵敏度高。有研究结