粒径小的量子点-国立彰化师范大学.PPT

* 半導體奈米晶體的光學特性Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals 石豫臺 國立彰化師範大學物理系 * 光的顏色與波長 Maxwell的電磁理論： 光是一種電磁波，不同顏色的光具有不同的波長與頻率，但在真空中傳播的速度為定值，稱為光速。 c = ?? c ：光速 c = 3 ?108 m/s, ? ： 波長 ?：頻率 各顏色光的波長： ?紅 ?橙 ?黃 ?綠 ?藍 ?紫 * 電磁波頻譜 * 光子的能量與波長 愛因斯坦的光量子假說： 光具粒子性，稱為光子(photon)。 光子的能量為 E = h? = hc/? h: Planck常數 光子的能量越大，頻率越高，波長越短。 * 不同維度的半導體材料 三維塊體材料，Lx ，Ly和Lz的尺度都 遠大於?d 二維量子井、超晶 格材料，厚度Ly等 於或小於?d 6, 11, 13 一維量子線材料， Lx和Ly等於或小於 ?d ? 零維量子點材料， Lx、Ly和Lz均等於 或小於?d ? 局限方向的特徵尺寸 電子的德布羅意波長 ?d * 半導體量子點?(Semiconductor quantum dots) 亦稱奈米晶體(nanocrystals)。 尺度：1 ? 30 nm，內部包含幾十個到上萬個原子。 屬於零維的奈米半導體。 由於載子受三維局限，半導體量子點已失去塊體材料的特性。 能量發生量子化，其電子結構由連續能帶變成分立能階，更接近原子的特徵，故又稱為人工原子。 * 影響半導體量子點光學特性的效應 表面效應 量子局限效應 * 半導體量子點的比表面積 隨著半導體量子點尺寸的減少，比表面積(表面原子數與量子點總原子數之比)越來越大，表面原子數越來越多。 尺寸 ? 5nm 表面原子數占50% 以上 尺寸 ? 2nm 表面原子數占80% 以上 * * 表面效應 隨著半導體量子點尺寸的減少，表面原子數越來越多。 * 量子點表面效應的影響 由於表面原子的配位不足、不飽和鍵和懸鍵增加，表面活性增強 引起光學、力學、熱學、化學等多種性質的改變。 * 物質的光激發光過程 吸收一個光子後躍遷到受激態(excited state) 弛豫(relaxation)到中間態 藉由自發放射放出一個光子，以回到基態(ground state)。 釋放光子的能量小於吸收光子能量，h?2 h?1。 此能量的減少稱為Stokes 偏移。 h?1 h?2 * 表面效應對CdS量子點光譜的影響 吸收係數?與能隙 Eg 的關係： ?2 ? C(h?-Eg), C: 常數， h?：光子能量 尺寸：B L M N 只有B的發光峰位(490 nm)與吸收邊一致，可以認為是帶邊發光。 L，M，N的發光峰位與其相對的吸收邊相比有明顯的紅位移*，可能是CdS量子點的表面S空位引致的發光。 B的尺寸最大，故表面態的影響最小。M與L的尺寸較小，受表面態的影響較大。 *紅位移：光譜往長波長(低能量)偏移。 * CdS量子點的發光機制 兩條發光途徑： 電子直接由導帶躍遷到價帶。時間：?e 電子先被表面的S空位捕獲，再從陷阱態躍遷到價帶。時間?s ? 100 fs (1fs = 10-15 s) ?s ?e，故很難觀察到帶邊發光，大部分觀察到的為經由陷阱態躍遷的發光。 因為由Vs到價帶的能量較小，故發光光譜較吸收光譜有紅位移。 * 量子點的量子局限效應 量子點因粒徑不同而有不同的能隙大小。 粒徑愈小，能隙愈大，故可發出波長較短的光。 * 半導體量子點的量子局限效應 量子點的能隙相對體材較大，並隨著尺寸減小而增加。 在光學性質上引起吸收光譜與光激發光譜峰的藍位移，亦即譜峰往短波長偏移。 粒徑小的量子點，顏色偏向短波長的藍綠色。 粒徑大的量子點，顏色偏向長波長的紅橙色。 * 量子局限效應對CdS量子點吸收光譜的影響 濃度：A B C D 尺寸：A B C D 隨著濃度降低，吸收邊發生藍位移，此仍因量子點尺寸變小致使能隙增大的緣故。 塊材CdS能隙為2.45 eV，由表3-1可知最大能隙變化可達0.15 eV，顯示出明顯的量子局限效應。 * 量子局限效應對量子點發光的影響 粒徑小?能隙大?波長短?顏色偏藍綠。 粒徑大?能隙小?波長長?顏色偏紅橙。 可製備相同材料但不同粒徑的量子點，以發出不同顏色的光！ * CdSe量子點受紫外光照射，發出不同顏色螢光 粒徑~2 nm藍色, ~3 nm黃色, ~5 nm紅色 * * 光激螢光光譜實驗裝置圖 * 粒徑約 2 ?4 nm 不同粒徑的CdSe奈米晶體的光激發光 * 不同粒徑CdSe奈米晶體的發光譜線 粒徑 小 大 隨著半導體奈米晶體 的粒徑縮小，發光譜 線產生藍位移！ * 半導體