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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 4

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 量子点的应用和研究 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 量子点研究展望 16

参考文献 17

第2章 纳米光子学基础 18

2.1 光子和电子 18

2.2 激子 20

2.3 传播和约束 21

2.3.1 自由空间中的传播 21

2.3.2 光子和电子的约束 22

2.4 隧道效应 25

2.5 周期势场下的约束：带隙 27

2.6 协同效应 32

2.6.1 光子和电子的协同效应 32

2.6.2 协同辐射 35

2.6.3 纳米级能量转移 36

2.7 纳米级光学相互作用 37

2.7.1 棱镜全内反射 37

2.7.2 表面等离子体共振 38

2.7.3 波导耦合 40

参考文献 40

第3章 量子点的能级结构 42

3.1 量子电子态 42

3.1.1 势阱中的粒子 42

3.1.2 球对称势阱中的粒子 45

3.1.3 库仑势中的电子 49

3.1.4 周期势中的粒子 51

3.1.5 晶体中的电子 54

3.1.6 准粒子电子、空穴和激子 59

3.2 有效质量近似 63

3.2.1 弱约束情形 64

3.2.2 强约束情形 65

3.2.3 中等约束情形 68

3.3 表面极化效应 70

3.4 紧束缚近似 71

3.5 经验赝势法 72

参考文献 73

第4章 量子点的制备和表征 75

4.1 量子点制备 76

4.1.1 分子束外延生长 76

4.1.2 金属有机化学气相沉积 79

4.1.3 脉冲激光沉积 80

4.1.4 纳米化学法 81

4.1.5 高温熔融法 85

4.2 实验室量子点光纤制备 86

4.2.1 光纤本底材料的选择 86

4.2.2 量子点胶体的制备 87

4.2.3 空芯光纤灌装方法探索 87

4.2.4 量子点玻璃光纤（空气包层）的制备 90

4.3 量子点的表征 94

4.3.1 X射线 94

4.3.2 电子显微镜 96

4.3.3 扫描探针显微镜 98

4.3.4 激光粒度仪 99

4.3.5 吸收—发射光谱 100

4.4 熔融法制备PbSe量子点玻璃 101

4.4.1 实验制备 102

4.4.2 结果与分析 102

4.4.3 结论 108

4.5 CdSe/PMMA量子点光纤材料的制备 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 本体聚合法制备PbSe/PMMA量子点光纤材料 115

4.6.1 概述 115

4.6.2 制备 116

4.6.3 结果与分析 117

4.6.4 结论 122

4.7 脉冲激光沉积法制备锗纳米薄膜 123

4.7.1 实验 123

4.7.2 结果与分析 124

4.7.3 结论 131

4.8 基于SiO2光纤的单分散CdS量子点的制备 132

4.8.1 制备 132

4.8.2 结果与分析 134

4.8.3 结论 136

参考文献 136

第5章 量子点光谱 139

5.1 量子点的发光 139

5.1.1 发光模式 139

5.1.2 俄歇复合 140

5.1.3 量子点光谱的频移 140

5.2 跃迁谱线线形 142

5.2.1 均匀展宽 142

5.2.2 非均匀展宽 144

5.2.3 综合展宽 146

5.3 量子点的吸收、辐射和散射特性 147

5.3.1 吸收 147

5.3.2 辐射 149

5.3.3 散射 150

5.4 跃迁截面 152

5.4.1 截面的概念 152

5.4.2 爱因斯坦系数和Ladenburg-Fuchtbauer关系 154

5.4.3 辐射截面的Mc Cumber理论 156

5.4.4 截面的确定 159

5.4.5 能级寿命 166

5.5 量子点掺杂对本底折射率的影响 168

5.5.1 本底溶剂的折射率 169

5.5.2 量子点胶体的折射率 169

5.5.3 量子点对本底折射率的影响 170

5.6 PbSe、PbS和CdSe、CdS量子点的比较 170

参考文献 171

第6章 量子点的热稳定性 172

6.1 表面能 172

6.2 纳米粒子的热学性质 173

6.2.1 纳米粒子的热导 173

6.2.2 纳米粒子的熔融 176

6.3 CdSe/ZnS量子点的热稳定性研究 177

6.3.1 实验和结果 178

6.3.2 实验和理论的比较与讨论 180

6.3.3 小结 183

参考文献 184

第7章 光纤中的光传输 185

7.1 均匀介质中的光传输 185

7.2 三能级系统 187

7.2.1 三能级模型 187

7.2.2 三能级速率方程 187

7.2.3 小信号增益 190

7.2.4 增益饱和 192

7.2.5 最佳光纤长度 193

7.3 重叠因子 194

7.4 二能级模型 197

7.4.1 二能级近似 197

7.4.2 二能级速率方程 198

7.5 放大的自发辐射 199

7.5.1 噪声功率和噪声带宽 200

7.5.2 噪声系数 201

7.5.3 噪声功率方程 202

7.6 二能级系统的解析法 203

7.7 包含放大自发辐射的建模 205

7.7.1 速率方程 205

7.7.2 平均反转和均匀展宽 207

7.7.3 非均匀展宽情形 207

7.8 径向效应 209

7.8.1 速率方程 209

7.8.2 径向分布函数 210

7.8.3 计算实例 211

参考文献 214

第8章 量子点光纤和光纤放大器 216

8.1 低浓度掺杂CdSe/ZnS量子点光纤的传光特性 217

8.1.1 概述 217

8.1.2 实验制备和测量 218

8.1.3 荧光发射峰值波长和峰值强度随掺杂光纤长度的变化 220

8.1.4 荧光发射峰值波长和峰值强度随掺杂浓度的变化 223

8.1.5 结论 224

8.2 较高掺杂浓度CdSe/ZnS量子点光纤的传光特性 225

8.2.1 概述 225

8.2.2 实验 225

8.2.3 不同掺杂浓度下的PL光谱 226

8.2.4 PL峰值强度增益与掺杂光纤长度的关系 227

8.2.5 PL峰值强度增益与掺杂浓度的关系 229

8.2.6 PL光谱中的其他谱峰及红移现象 230

8.2.7 结论 232

8.3 UV胶纤芯本底的CdSe/ZnS量子点光纤的传光特性 232

8.3.1 实验 232

8.3.2 UV胶中的CdSe/ZnS量子点的吸收谱和发射谱 233

8.3.3 掺杂光纤对泵浦光的吸收 234

8.3.4 PL峰值强度与掺杂光纤长度和浓度关系 235

8.3.5 PL峰值波长与掺杂光纤浓度和长度关系 237

8.3.6 结论 238

8.4 量子点光纤荧光光谱的红移 239

8.4.1 纤芯基底为甲苯时的PL峰值波长的红移 239

8.4.2 不同纤芯本底的PL峰值波长的红移 240

8.4.3 结论 243

8.5 单掺杂PbSe量子点光纤放大器 243

8.5.1 基本工作原理 243

8.5.2 速率方程 245

8.5.3 结果和讨论 248

8.5.4 结论和展望 251

8.6 多粒度掺杂PbSe量子点光纤放大器 251

8.6.1 引言 251

8.6.2 能级和叠加谱 252

8.6.3 结果和讨论 254

8.6.4 结论 257

8.7 理想的量子点光纤放大器 257

8.8 结语 260

参考文献 262

第9章 量子点光纤激光器 265

9.1 概述 265

9.2 几个关键问题 267

9.2.1 量子点种类的选择 267

9.2.2 量子点的光学增益和受激辐射阈值 268

9.2.3 泵浦光激励阈值 269

9.2.4 光纤增益和损耗 269

9.2.5 激射的稳定性 270

9.2.6 谐振腔 270

9.3 CdSe/ZnS量子点非饱和单模光纤激光的数值建模 272

9.3.1 原理和模型 272

9.3.2 数值计算及结果 276

9.3.3 结论 282

9.4 基于钠铝硼硅酸盐玻璃的PbSe量子点红外单模光纤激光 282

9.4.1 PbSe量子点的吸收谱和辐射谱 282

9.4.2 散射截面和吸收截面 284

9.4.3 PbSe量子点光纤激光器参量的确定 287

9.4.4 结论 290

9.5 PbSe量子点光纤激光器的实验实现 291

9.5.1 激光器的构成 291

9.5.2 实验过程 292

9.5.3 实验结果与分析 293

9.5.4 结论 300

9.6 结语与展望 300

参考文献 302

第10章 量子点太阳能电池简介 304

10.1 太阳能电池的基本工作原理 305

10.2 PIN结构的量子点太阳能电池 308

10.2.1 基本结构 308

10.2.2 硅基串联电池 311

10.3 量子点敏化太阳能电池 312

10.3.1 类型和比较 312

10.3.2 结构和组成 312

10.3.3 工作原理 315

10.3.4 现状和发展 317

10.4 量子点多激子产生效应 317

10.4.1 光子的吸收和产生过程 318

10.4.2 PbSe、PbS和PbTe量子点中的MEG 319

10.4.3 CdSe、Si量子点中的MEG 321

10.4.4 MEG效应提高光伏效率 322

10.4.5 设计MEG量子点 324

10.5 量子点太阳能电池的几个关键问题 326

10.6 展望 329

参考文献 329

附录 本书主要物理量符号对照表 332

希腊字母符号 336