量子点纳米光子学及应用PDF电子书下载

第1章量子点概述 1

1.1量子阱、量子线和量子点 1

1.2量子效应 3

1.2.1量子尺寸效应 3

1.2.2表面效应 4

1.2.3宏观量子隧道效应 5

1.2.4库仑阻塞效应 5

1.3量子点的类型和结构 5

1.3.1量子点的类型 5

1.3.2量子点的结构 8

1.4量子点的应用 11

1.4.1量子点光电子器件 11

1.4.2量子点太阳能电池 13

1.4.3量子点在生命科学中的应用 15

1.4.4量子点研究的展望 16

参考文献 17

第2章 量子点纳米光子学基础 19

2.1光子和电子 19

2.2激子 21

2.3传播和约束 22

2.3.1自由空间中的传播 22

2.3.2光子和电子的约束 23

2.4隧道效应 26

2.5周期势场下的约束：带隙 28

2.6纳米级能量转移 33

2.6.1高浓度掺杂时的能量转移 34

2.6.2瞬逝波 34

2.6.3荧光共振能量转移 35

参考文献 36

第3章量子点的能级结构 37

3.1量子电子态 37

3.1.1势阱中的粒子 37

3.1.2球对称势阱中的粒子 41

3.1.3库仑势中的电子 45

3.1.4周期势中的粒子 46

3.1.5晶体中的电子 50

3.1.6准粒子电子、空穴和激子 54

3.2有效质量近似 58

3.2.1弱约束情形 59

3.2.2强约束情形 60

3.2.3中等约束情形 63

3.3表面极化效应 65

3.4紧束缚近似 66

3.5经验赝势法 67

参考文献 68

第4章 量子点的制备和表征 70

4.1量子点制备 71

4.1.1分子束外延生长 71

4.1.2金属有机化学气相沉积法 73

4.1.3脉冲激光沉积法 75

4.1.4纳米化学法 76

4.1.5高温熔融法 80

4.2实验室量子点光纤制备 80

4.2.1光纤纤芯本底材料的选择 81

4.2.2量子点胶体的制备 81

4.2.3空芯光纤灌装方法探索 82

4.2.4量子点玻璃光纤（空气包层）的制备 85

4.3量子点的表征 88

4.3.1 X射线 89

4.3.2电子显微镜 90

4.3.3扫描探针显微镜 92

4.3.4激光粒度仪 93

4.3.5吸收-辐射光谱 95

4.4熔融法制备PbSe量子点玻璃 96

4.4.1实验制备 96

4.4.2结果与分析 97

4.4.3熔融二次热处理优化制备PbSe量子点荧光玻璃 103

4.5本体聚合法制备PbSe/PMMA量子点光纤材料 109

4.5.1概述 109

4.5.2制备 110

4.5.3结果与分析 111

4.5.4结论 115

4.6脉冲激光沉积法制备锗纳米薄膜 116

4.6.1实验 116

4.6.2结果与分析 117

4.6.3结论 123

参考文献 124

第5章量子点光谱 126

5.1量子点的发光 126

5.1.1发光模式 126

5.1.2俄歇复合 127

5.1.3量子点光谱的频移 127

5.2量子点的吸收、辐射和散射特性 129

5.2.1吸收 129

5.2.2辐射 130

5.2.3散射 132

5.3跃迁谱线展宽 134

5.3.1均匀展宽 135

5.3.2非均匀展宽 137

5.3.3综合展宽 138

5.3.4量子点的粒度分布对荧光辐射谱的影响 139

5.4跃迁截面 147

5.4.1截面的概念 147

5.4.2爱因斯坦系数和Ladenburg-Fuchtbauer关系 149

5.4.3辐射截面的Mc Cumber理论 151

5.4.4截面的确定 154

5.4.5能级寿命 161

5.5室温下正己烷本底中PbSe量子点的荧光寿命 163

5.5.1实验材料与表征 164

5.5.2结果与分析 165

5.5.3结论 171

5.6 CdSe/ZnS量子点的吸收与折射率色散关系的确定 171

5.6.1实验 171

5.6.2结果与分析 173

5.6.3结论 179

5.7 PbSe、PbS和CdSe、 CdS量子点的比较 179

参考文献 180

第6章量子点的温度特性 183

6.1量子点PL谱的温变特性理论 183

6.1.1量子点PL峰值强度随温度的变化 183

6.1.2量子点PL峰值波长随温度的变化 184

6.1.3量子点PL谱的半高全宽随温度的变化 187

6.2 CdSe/ZnS量子点的热稳定性研究 189

6.2.1实验和结果 190

6.2.2实验和理论的比较与讨论 192

6.2.3小结 195

6.3 CdSe/ZnS核/壳量子点薄膜温度传感器 196

6.3.1光路结构 196

6.3.2温度敏感元件制作 197

6.3.3实验结果及分析 197

6.3.4小结 202

参考文献 202

第7章 光纤中的光传输 204

7.1均匀介质中的光传输 204

7.2三能级系统 206

7.2.1三能级模型 206

7.2.2三能级速率方程 206

7.2.3小信号增益 208

7.2.4增益饱和 211

7.2.5最佳光纤长度 212

7.3重叠因子 212

7.4二能级模型 215

7.4.1二能级近似 215

7.4.2二能级速率方程 216

7.5放大的自发辐射 218

7.5.1噪声功率和噪声带宽 218

7.5.2噪声系数 219

7.5.3噪声功率方程 220

7.6包含放大自发辐射的建模 221

7.7径向效应 222

7.7.1速率方程 223

7.7.2径向分布函数 224

7.8三维情形 225

参考文献 226

第8章量子点光纤和光纤放大器 227

8.1 UV胶纤芯本底的CdSe/ZnS量子点光纤的传光特性 228

8.1.1实验 228

8.1.2 UV胶中CdSe/ZnS量子点的吸收谱和辐射谱 229

8.1.3掺杂光纤对泵浦光的吸收 230

8.1.4 PL峰值强度与掺杂光纤长度和浓度的关系 231

8.1.5 PL峰值波长与掺杂光纤浓度和长度的关系 233

8.1.6结论 234

8.2量子点光纤荧光光谱的红移 234

8.2.1纤芯基底为甲苯时的PL峰值波长的红移 234

8.2.2不同纤芯本底的PL峰值波长的红移 236

8.2.3结论 238

8.3单掺杂PbSe量子点光纤放大器 238

8.3.1基本工作原理 239

8.3.2速率方程 240

8.3.3结果与分析 243

8.3.4结论和展望 246

8.4多粒度掺杂PbSe量子点光纤放大器 247

8.4.1引言 247

8.4.2能级和叠加谱 247

8.4.3结果与分析 249

8.4.4结论 252

8.5 PbSe量子点近红外宽带光纤放大器的实验实现 252

8.5.1实验 253

8.5.2结果与分析 254

8.5.3结论 261

8.6理想的量子点光纤放大器 261

8.7结语与展望 264

参考文献 266

第9章量子点光纤激光器 268

9.1概述 268

9.2几个关键问题 271

9.2.1量子点种类的选择 271

9.2.2量子点的光学增益和受激辐射阈值 272

9.2.3泵浦光激励阈值 273

9.2.4激射的稳定性 274

9.2.5谐振腔 274

9.3 PbSe量子点光纤激光器的实验实现 276

9.3.1激光器的构成 276

9.3.2实验过程 276

9.3.3结果与分析 277

9.3.4结论 284

9.4环形腔PbSe量子点单模光纤激光的数值模拟 284

9.4.1粒子数速率方程、光功率方程及循环条件 284

9.4.2重叠因子 286

9.4.3弯曲损耗 286

9.4.4数值模拟 287

9.4.5结论 291

9.5结语与展望 292

参考文献 294

第10章 纳米光子学若干热点及进展 296

10.1量子点太阳能电池 296

10.1.1太阳能电池的基本工作原理 297

10.1.2 PIN结构的量子点太阳能电池 300

10.1.3量子点敏化太阳能电池 304

10.1.4量子点多激子效应 309

10.1.5几个关键问题 318

10.1.6展望 320

10.2硅量子点 320

10.2.1硅量子点简介 320

10.2.2硅量子点制备 322

10.2.3硅量子点的生物应用 325

10.2.4展望 327

10.3表面等离子激元光子学 327

10.3.1表面等离子激元的物理机制 327

10.3.2局域表面等离子激元 329

10.3.3传播的表面等离子激元 330

10.3.4表面增强拉曼散射 333

10.3.5表面等离子激元的应用及展望 334

10.4单个等离子激元纳米粒子的光学特征 335

10.4.1电磁理论模型：Mie理论和Gans理论 336

10.4.2单粒子散射法 338

10.4.3单粒子消光方法 342

10.4.4单粒子吸收方法 345

10.4.5单粒子光谱与电子显微镜结合 348

10.4.6等离子激元的谱线宽 351

10.4.7小结 355

10.5表面增强拉曼散射热点的超分辨成像 355

10.5.1高分辨率成像的基本原理 356

10.5.2超分辨SERS热点成像 358

10.5.3衍射极限限制的SERS辐射的拟合：超越高斯近似 360

10.5.4光谱-空间分辨的热点 363

10.5.5结论和展望 365

参考文献 366

附录1本书主要物理量符号对照表 373

附录2希腊字母符号对照表 377