量子點(diǎn)復(fù)合系統(tǒng)中量子光學(xué)特性的研究.pdf

1、隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們可以在自然界已經(jīng)存在的原子分子基礎(chǔ)上，構(gòu)建出各種具有量子效應(yīng)的納米顆粒，如量子點(diǎn)、量子線、金屬納米顆粒、單層石墨。除了這些納米材料之外，還有一些材料，比如納米機(jī)械系統(tǒng)，碳納米管等，他們的尺度雖然在微米量級(jí)，但是某一維度處于納米量級(jí)，在一定的條件下能顯示出量子效應(yīng)。另外，一些生物大分子，比如DNA、RNA和蛋白質(zhì)分子，在一定條件下也具有量子效應(yīng)。這些納米材料，在介于100納米與數(shù)微米之間，或者更高尺度上，又可以被當(dāng)

2、作新的基礎(chǔ)材料。由這些納米基礎(chǔ)材料，兩兩組裝或者多個(gè)互相組裝，可以構(gòu)成新穎的人工復(fù)合材料。在這些新的復(fù)合材料中，會(huì)顯示出不同于單個(gè)納米材料的新的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和生物學(xué)效應(yīng)，在新能源、醫(yī)學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。此外，這些新穎的人工復(fù)合材料尺度介于微觀與宏觀之間，將會(huì)表現(xiàn)出介于量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)之間的物理現(xiàn)象，從而將會(huì)架起量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)之間的橋梁，可以使人們深入了解經(jīng)典力學(xué)到量子力學(xué)之間的過渡效應(yīng)，驗(yàn)證量子力學(xué)中的假設(shè)和推

3、斷，深入了解物理本質(zhì)。因此，人工復(fù)合材料成為目前的研究熱點(diǎn)。
　　 在本文中，我們研究了量子點(diǎn)、金屬納米顆粒和納米機(jī)械復(fù)合系統(tǒng)中的相干光譜、三階Kerr效應(yīng)，探討了新穎納米復(fù)合材料的特性，也將量子光學(xué)的研究推進(jìn)到多種納米材料的復(fù)合系統(tǒng)中。此外，我們研究了量子點(diǎn)和金屬納米顆粒相互作用系統(tǒng)中的拉曼光譜，引入聲子與等離子的相互作用。前面的這些研究中，我們都使用的是半經(jīng)典的方法，在此之后，我們又使用了全量子的方法，用腔相互作用來描述等離

4、子體的作用，研究了量子點(diǎn)和金屬顆粒相互耦合系統(tǒng)中的相干光譜和慢光效應(yīng)，并對(duì)比了研究等離子相互作用的半經(jīng)典的局域場作用和全量子描述下的不同結(jié)果，發(fā)現(xiàn)全量子語言描述下的結(jié)果更符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后，我們研究了豎直耦合自組裝量子點(diǎn)中的負(fù)折射效應(yīng)，創(chuàng)新性地將對(duì)負(fù)折射的研究引入到半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)中。本論文各章節(jié)的內(nèi)容安排如下：
　　 在第一章中，介紹了量子點(diǎn)、金屬納米顆粒和納米機(jī)械系統(tǒng)的各種制作方法和它們的一些基本性質(zhì)。并介紹了一些常見的人工

5、復(fù)合納米材料以及在這些納米材料之上的一些研究進(jìn)展。最后，介紹了本論文中涉及的各種量子光學(xué)效應(yīng)的物理內(nèi)涵。
　　 在第二章中，研究了量子點(diǎn)、金屬納米顆粒和納米機(jī)械復(fù)合系統(tǒng)的相干光譜。在該系統(tǒng)中，金屬納米顆粒被懸掛在進(jìn)場光學(xué)掃描顯微鏡的懸臂上，以精確控制量子點(diǎn)和金屬納米顆粒的間距。量子點(diǎn)被當(dāng)為一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)，金屬納米顆粒表面的等離子體被當(dāng)做局域場處理。納米機(jī)械振子和量子點(diǎn)相互作用使得控制光的吸收峰產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的吸收峰和一個(gè)正的吸收峰。

6、等離子體會(huì)增強(qiáng)吸收峰，使得正負(fù)的吸收峰出現(xiàn)四個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng)。并且這種增強(qiáng)可以由量子點(diǎn)和金屬顆粒之間的距離連續(xù)調(diào)控。隨著吸收峰的增強(qiáng)，峰的寬度變窄。這些性質(zhì)使得該復(fù)合系統(tǒng)可以被應(yīng)用到生物傳感器或者被用來制造拉曼激光器。
　　 在第三章中，研究了量子點(diǎn)、金屬納米顆粒和納米機(jī)械復(fù)合系統(tǒng)中的三階非線性Kerr效應(yīng)。由量子點(diǎn)和金屬納米顆粒組合成的復(fù)合原子被整體嵌入納米機(jī)械振子之中。納米機(jī)械振子與量子點(diǎn)的耦合會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生三階非線性Kerr效應(yīng)

7、，金屬顆粒產(chǎn)生的等離子體進(jìn)一步增強(qiáng)這種非線性效應(yīng)。這種增強(qiáng)效應(yīng)也可以被量子點(diǎn)和金屬顆粒之間的間距連續(xù)調(diào)控。并且在某一個(gè)間距上改變控制光的強(qiáng)度，Kerr效應(yīng)也會(huì)改變。在某一個(gè)控制光的強(qiáng)度下，Kerr系數(shù)的改變比較緩慢，超過該值以后，Kerr系數(shù)會(huì)迅速增強(qiáng)。我們還對(duì)比了我們的系統(tǒng)和本征硅及其他納米復(fù)合系統(tǒng)中Kerr效應(yīng)的增強(qiáng)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)我們的系統(tǒng)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。我們還發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中的Kerr系數(shù)可以受到控制光的調(diào)制，得到一個(gè)類似二極管的功率曲線

8、。這些結(jié)果表明，我們的系統(tǒng)可以被用來制作Kerr器件。
　　 在第四章中，研究了量子點(diǎn)和金屬納米顆粒相互耦合系統(tǒng)中的類拉曼光譜效應(yīng)。在該系統(tǒng)中，量子點(diǎn)被當(dāng)做一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)來處理，并且我們考慮了量子點(diǎn)中的聲子對(duì)系統(tǒng)的影響。由于聲子與量子點(diǎn)的作用，會(huì)在量子點(diǎn)的吸收峰上誘導(dǎo)產(chǎn)生出一個(gè)正的吸收峰和負(fù)的吸收峰。金屬納米顆粒表面產(chǎn)生的等離子會(huì)增強(qiáng)正負(fù)吸收峰。這種表面等離子增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)將有可能在生物，醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　

9、　 在第五章中，研究了量子點(diǎn)與金屬納米顆粒耦合系統(tǒng)中的慢光效應(yīng)。不同于前面幾章的討論，我們采用了全量子化語言來描述該系統(tǒng)，即用腔相互作用來描述激子與等離子體的相互作用。在等離子的作用下量子點(diǎn)的吸收峰會(huì)產(chǎn)生雙峰結(jié)構(gòu)，該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)描述近似。但不同于普通腔相互作用的是，吸收峰上會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)尖銳的峰。在該峰的位置，會(huì)產(chǎn)生較大的慢光群速度。我們還將量子化語言描述的結(jié)果與一般半經(jīng)典描述計(jì)算得到的結(jié)果做了相應(yīng)的比較，并給出了腔近似下的量子語言描述