基于膠體量子點(diǎn)的光子器件.pdf

1、膠體量子點(diǎn)，又稱納米晶，是指用化學(xué)方法合成的三個(gè)維度尺寸均在1～10 nm范圍的半導(dǎo)體顆粒，它是當(dāng)代納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。由于量子限域效應(yīng)，膠體量子點(diǎn)展現(xiàn)出不同于半導(dǎo)體體材料的電學(xué)和光學(xué)特性，包括熒光發(fā)射波長強(qiáng)烈依賴于粒徑尺寸以及相比于量子阱更為集聚的態(tài)密度分布等。此外，膠體量子點(diǎn)合成過程相較于傳統(tǒng)半導(dǎo)體生長加工技術(shù)而言成本低，耗時(shí)短，并且與噴墨印刷及旋涂工藝兼容。因此，膠體量子點(diǎn)在晶體管，太陽能電池，發(fā)光二極管，激光二極管，二倍頻產(chǎn)

2、生，量子信息，醫(yī)學(xué)成像等諸多領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。
　　本論文基于膠體量子點(diǎn)的熒光性質(zhì)，探索了其在產(chǎn)生激光以及單光子發(fā)射兩方面的應(yīng)用。論文首先回顧了膠體量子點(diǎn)在光放大方面的已有研究成果，介紹了膠體量子點(diǎn)產(chǎn)生受激輻射的機(jī)制。接著，演示了一種基于微球腔和膠體量子點(diǎn)的光泵浦激光器。在該實(shí)驗(yàn)中，我們在不存在穩(wěn)定幾何軌道的過渡區(qū)域觀察到激射現(xiàn)象。我們結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果，利用三維有限時(shí)域差分方法計(jì)算微球腔內(nèi)的模式分布，并提出有效半徑概念來解釋這一

3、新現(xiàn)象。
　　在單光子產(chǎn)生方面，我們提出使用微納光纖與膠體量子點(diǎn)耦合的方式，將單個(gè)膠體量子點(diǎn)熒光耦合入微納光纖，進(jìn)而直接導(dǎo)入到商用單模光纖中。我們成功演示了直接從光纖端輸出的單光子源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微納光纖收集效率比用水浸物鏡收集再導(dǎo)入光纖的效率高一個(gè)數(shù)量級以上。與其他方案相比，我們的方案具有響應(yīng)帶寬大，出射光束形狀與光纖傳播模式匹配等優(yōu)勢。
　　相較于光激發(fā)單光子源，電激發(fā)方式因更利于芯片級集成而在實(shí)際應(yīng)用中更受青睞。本論文

4、回顧了現(xiàn)有的室溫電注入單光子源的實(shí)現(xiàn)方式，并指出在此類器件中，如何將載流子復(fù)合電流集中到特定發(fā)光中心而非其他缺陷中心或載流子傳輸層是實(shí)現(xiàn)高純度電注入單光子源的關(guān)鍵。我們提出在傳統(tǒng)膠體量子點(diǎn)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的電子和空穴傳輸層中引入一層合適厚度的絕緣層，將分立的膠體量子點(diǎn)埋在此絕緣層中。該絕緣層極大地降低了（空穴）直接向空穴（電子）傳輸層遷移的速率，而沒有過分阻擋電子（空穴）向量子點(diǎn)的遷移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案的確能有效抑制空穴傳輸層的電致熒