量子點(diǎn)在半導(dǎo)體光電器件中研究

1、LOGO歡迎參加學(xué)士論文答辯LOGO指指導(dǎo)教師導(dǎo)教師：王河林：王河林 量子點(diǎn)在半導(dǎo)體光電器件中的量子點(diǎn)在半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用研究應(yīng)用研究 n班班級(jí)級(jí)：應(yīng)應(yīng)物物1001n學(xué)學(xué)生：生：萬(wàn)郝霆瑋萬(wàn)郝霆瑋n學(xué)號(hào)學(xué)號(hào)：201010800112目錄目錄u1 研究的研究的背景背景與意義與意義u2 制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的技術(shù)制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的技術(shù)u3 量子點(diǎn)在光學(xué)器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)在光學(xué)器件中的應(yīng)用u4 量子點(diǎn)在電學(xué)器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)在電學(xué)器件中的應(yīng)用u5 量子點(diǎn)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用量子點(diǎn)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用u6 量子點(diǎn)未來(lái)的研究應(yīng)用及發(fā)展構(gòu)想量子點(diǎn)未來(lái)的研究應(yīng)用及發(fā)展構(gòu)想Company Logon 背景及意義

2、：量子點(diǎn)是指顆粒尺寸在1100 nm范圍內(nèi)的金屬或半導(dǎo)體材料的微小顆粒。其性質(zhì)穩(wěn)定，當(dāng)受到電或者光的刺激時(shí)就會(huì)發(fā)光。由于其特殊的介于體材料與分子間的尺寸，從而表現(xiàn)出各種特殊而奇妙的物理化學(xué)特性，利用這些特性可以實(shí)現(xiàn)一些普通材料和器件難以完成的目標(biāo)?？刂屏孔狱c(diǎn)的幾何形狀和尺寸可改變其電子態(tài)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)器件的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的剪裁,是目前能帶工程設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，也是國(guó)際研究的前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域。選題的背景及意義選題的背景及意義半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備 應(yīng)變自組裝技術(shù)應(yīng)變自組裝技術(shù)u典型的典型的“自下而上自下而上”制備技術(shù)制備技術(shù)u利用利用Stranski-Krastanow

3、(S-K)Stranski-Krastanow(S-K)生長(zhǎng)模式適合于晶格失生長(zhǎng)模式適合于晶格失配較大，但表面、界面能不是很大的異質(zhì)結(jié)材料體系配較大，但表面、界面能不是很大的異質(zhì)結(jié)材料體系v 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)u方法簡(jiǎn)單方法簡(jiǎn)單 無(wú)需復(fù)雜的工藝技術(shù)無(wú)需復(fù)雜的工藝技術(shù)u不會(huì)形成自由表面缺陷不會(huì)形成自由表面缺陷 不會(huì)引入雜質(zhì)污染不會(huì)引入雜質(zhì)污染u目前是制備量子點(diǎn)材料最常用、最有效的方法目前是制備量子點(diǎn)材料最常用、最有效的方法半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備 微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)與微細(xì)加工相結(jié)合方法微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)與微細(xì)加工相結(jié)合方法u 1)微細(xì)加工處理以后再進(jìn)行微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)技術(shù)微細(xì)加工處理以后再進(jìn)行微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)技術(shù)

4、。u 2)微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)后再進(jìn)行微細(xì)加工處理制備技微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)后再進(jìn)行微細(xì)加工處理制備技術(shù)。術(shù)。半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備 表面活性劑法表面活性劑法u襯底之間表面能與界面能與生長(zhǎng)前沿外延層襯底之間表面能與界面能與生長(zhǎng)前沿外延層之間的關(guān)系決定外延生長(zhǎng)的模式之間的關(guān)系決定外延生長(zhǎng)的模式uRsRf+RiuRsRf+Ri半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備納米結(jié)構(gòu)的汽納米結(jié)構(gòu)的汽-液液-固相固相(VLS)生長(zhǎng)模式生長(zhǎng)模式u在特定的襯底表面上制備空間上排列有序的在特定的襯底表面上制備空間上排列有序的金屬液滴金屬液滴1.分子束爐噴射金屬原子或通入氣體分子于襯分子束爐噴射金屬原子或通入氣

5、體分子于襯底表面底表面半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備離子注入法離子注入法u通過(guò)離子束與襯底材料中的原子或分子發(fā)通過(guò)離子束與襯底材料中的原子或分子發(fā)生一系列物理和化學(xué)互作，使入射離子能生一系列物理和化學(xué)互作，使入射離子能量逐漸降低，最后保留在材料中量逐漸降低，最后保留在材料中u將離子注入到晶體中會(huì)使晶體非晶化，再將離子注入到晶體中會(huì)使晶體非晶化，再經(jīng)退火非晶可部分重結(jié)晶經(jīng)退火非晶可部分重結(jié)晶量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用活細(xì)胞熒光標(biāo)記及組織光學(xué)成像活細(xì)胞熒光標(biāo)記及組織光學(xué)成像u 量子點(diǎn)顏色的多樣性及可調(diào)性，使其可實(shí)現(xiàn)多色標(biāo)記同一細(xì)胞量子點(diǎn)顏色的多樣性及可調(diào)性，使其

6、可實(shí)現(xiàn)多色標(biāo)記同一細(xì)胞量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用腫瘤細(xì)胞示蹤及診斷影像腫瘤細(xì)胞示蹤及診斷影像（a）光動(dòng)力療法中的光動(dòng)力行程）光動(dòng)力療法中的光動(dòng)力行程 (b)誘導(dǎo)量子點(diǎn)光動(dòng)力學(xué)過(guò)程的可能機(jī)制誘導(dǎo)量子點(diǎn)光動(dòng)力學(xué)過(guò)程的可能機(jī)制量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用動(dòng)物活體成像動(dòng)物活體成像u動(dòng)物活體中量子點(diǎn)結(jié)合熒光成像系統(tǒng)可對(duì)腫瘤進(jìn)行定位動(dòng)物活體中量子點(diǎn)結(jié)合熒光成像系統(tǒng)可對(duì)腫瘤進(jìn)行定位, ,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用 激素及生物因子研究成像激素及生物因子研究成像量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)在

7、光電器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)激光器量子點(diǎn)激光器 CdS單納米線電驅(qū)動(dòng)激光器的結(jié)構(gòu)和發(fā)光特性單納米線電驅(qū)動(dòng)激光器的結(jié)構(gòu)和發(fā)光特性量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用uInAs/GaAs InAs/GaAs 體系的分子束外延生長(zhǎng)規(guī)律和體系的分子束外延生長(zhǎng)規(guī)律和技術(shù)也都相對(duì)比較成熟技術(shù)也都相對(duì)比較成熟 , , 易于實(shí)現(xiàn)高性能量易于實(shí)現(xiàn)高性能量子點(diǎn)激光器的制作子點(diǎn)激光器的制作改進(jìn)目標(biāo)改進(jìn)目標(biāo)u室溫下室溫下u高增益高增益u高速度高速度u高功率高功率u低閾值電流密度低閾值電流密度u連續(xù)激射連續(xù)激射量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用縱向輸運(yùn)器件縱向輸運(yùn)器件u根據(jù)電子在與量子點(diǎn)生長(zhǎng)方向平行

8、的輸運(yùn)特根據(jù)電子在與量子點(diǎn)生長(zhǎng)方向平行的輸運(yùn)特性制成性制成目前量子阱共振隧穿二極管（目前量子阱共振隧穿二極管（RTD）已可以與）已可以與CMOS器件混合集成，而量子點(diǎn)器件混合集成，而量子點(diǎn)RTD的研究目前處于的研究目前處于基礎(chǔ)研究階段基礎(chǔ)研究階段常見(jiàn)的量子點(diǎn)常見(jiàn)的量子點(diǎn)RTD：雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)：雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)勢(shì)壘之間為量勢(shì)壘之間為量子點(diǎn)有源區(qū)，發(fā)射極和集電極分布于勢(shì)壘兩側(cè)子點(diǎn)有源區(qū)，發(fā)射極和集電極分布于勢(shì)壘兩側(cè)加特定偏壓時(shí)，能帶發(fā)生傾斜。發(fā)射極電子費(fèi)米能加特定偏壓時(shí)，能帶發(fā)生傾斜。發(fā)射極電子費(fèi)米能級(jí)達(dá)到或高于量子點(diǎn)電子基態(tài)能級(jí)，電子有較大概率級(jí)達(dá)到或高于量子點(diǎn)電子基態(tài)能級(jí)，電子有較大概率共振隧穿通過(guò)雙勢(shì)

9、壘結(jié)構(gòu)共振隧穿通過(guò)雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)持續(xù)加大偏壓，量子點(diǎn)電子基態(tài)能級(jí)低于發(fā)射極導(dǎo)持續(xù)加大偏壓，量子點(diǎn)電子基態(tài)能級(jí)低于發(fā)射極導(dǎo)帶底，共振隧穿停止，負(fù)微分電阻現(xiàn)象出現(xiàn)。隨偏壓帶底，共振隧穿停止，負(fù)微分電阻現(xiàn)象出現(xiàn)。隨偏壓的升高，電子還與量子點(diǎn)電子激發(fā)態(tài)能級(jí)共振，電流的升高，電子還與量子點(diǎn)電子激發(fā)態(tài)能級(jí)共振，電流-電壓曲線呈現(xiàn)振蕩或臺(tái)階特性電壓曲線呈現(xiàn)振蕩或臺(tái)階特性量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用橫向輸運(yùn)器件橫向輸運(yùn)器件u單電子晶體管：由于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，電子只能逐個(gè)通過(guò)器單電子晶體管：由于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，電子只能逐個(gè)通過(guò)器件，呈現(xiàn)單電子（或準(zhǔn)單電子）輸運(yùn)行為件，呈現(xiàn)單電子（或準(zhǔn)單電子）輸運(yùn)行為

10、運(yùn)用注入量子點(diǎn)中的載流子對(duì)量子阱溝道中二維電子氣（運(yùn)用注入量子點(diǎn)中的載流子對(duì)量子阱溝道中二維電子氣（2DEG）輸運(yùn)的）輸運(yùn)的調(diào)制作用可以獲得預(yù)期的電流調(diào)制作用可以獲得預(yù)期的電流- 電壓特性（振蕩、臺(tái)階等）電壓特性（振蕩、臺(tái)階等）量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用 InAs/GaAs 量子點(diǎn)紅外光探測(cè)器量子點(diǎn)紅外光探測(cè)器 u包括兩種基本的器件結(jié)構(gòu)形式包括兩種基本的器件結(jié)構(gòu)形式垂直輸運(yùn)結(jié)構(gòu)：載流子在頂部接觸層和底部接觸層之間的垂直輸運(yùn)垂直輸運(yùn)結(jié)構(gòu)：載流子在頂部接觸層和底部接觸層之間的垂直輸運(yùn)收集光電流收集光電流橫向輸運(yùn)結(jié)構(gòu)：載流子在兩個(gè)頂部的歐姆接觸之間高遷移率通道中橫向輸運(yùn)結(jié)構(gòu)：載

11、流子在兩個(gè)頂部的歐姆接觸之間高遷移率通道中的輸運(yùn)收集光電流的輸運(yùn)收集光電流調(diào)制摻雜的量子點(diǎn)紅外探測(cè)器能帶圖調(diào)制摻雜的量子點(diǎn)紅外探測(cè)器能帶圖量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用量子點(diǎn)在光電器件中的應(yīng)用Ge/Si 量子點(diǎn)紅外光探測(cè)器量子點(diǎn)紅外光探測(cè)器u鑲嵌在鑲嵌在p-i-n 結(jié)構(gòu)中自組織結(jié)構(gòu)中自組織 Ge/Si 量子島作為有源區(qū)量子島作為有源區(qū)u擴(kuò)大擴(kuò)大 Si 基光探測(cè)器的波長(zhǎng)適用范圍基光探測(cè)器的波長(zhǎng)適用范圍 , 提高光探測(cè)效率和降低暗電提高光探測(cè)效率和降低暗電流密度流密度u由于由于 Ge 量子點(diǎn)處禁帶寬度明顯變窄量子點(diǎn)處禁帶寬度明顯變窄 ,為長(zhǎng)波長(zhǎng)的光吸收探測(cè)提供為長(zhǎng)波長(zhǎng)的光吸收探測(cè)提供了可能了可能Ge量子

12、點(diǎn)光探測(cè)器有源區(qū)能帶結(jié)構(gòu)圖量子點(diǎn)光探測(cè)器有源區(qū)能帶結(jié)構(gòu)圖量子點(diǎn)的其他應(yīng)用量子點(diǎn)的其他應(yīng)用 金屬離子的含量測(cè)定金屬離子的含量測(cè)定需要具有足夠高的靈敏度需要具有足夠高的靈敏度u利用金屬離子與量子點(diǎn)作用引起熒光猝滅或熒光加強(qiáng)的變化利用金屬離子與量子點(diǎn)作用引起熒光猝滅或熒光加強(qiáng)的變化 對(duì)鐵誘導(dǎo)的羥基生成和量子點(diǎn)為基礎(chǔ)的傳感器對(duì)亞鐵離子檢測(cè)對(duì)鐵誘導(dǎo)的羥基生成和量子點(diǎn)為基礎(chǔ)的傳感器對(duì)亞鐵離子檢測(cè) （A）和熒光通過(guò)從量子點(diǎn)到羥基自由基（）和熒光通過(guò)從量子點(diǎn)到羥基自由基（B）的電子轉(zhuǎn)移猝滅機(jī)理）的電子轉(zhuǎn)移猝滅機(jī)理量子點(diǎn)的其他應(yīng)用量子點(diǎn)的其他應(yīng)用藥物的含量測(cè)定藥物的含量測(cè)定能對(duì)量子點(diǎn)產(chǎn)生猝滅或光致增強(qiáng)的藥物都可

13、以用量子點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定能對(duì)量子點(diǎn)產(chǎn)生猝滅或光致增強(qiáng)的藥物都可以用量子點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定（a）CdSe量子點(diǎn)的量子點(diǎn)的TEM 圖像圖像 (b)加入安體舒通后的加入安體舒通后的CdSe量子點(diǎn)圖像量子點(diǎn)圖像量子點(diǎn)的其他應(yīng)用量子點(diǎn)的其他應(yīng)用烴類(lèi)化合物的測(cè)定烴類(lèi)化合物的測(cè)定烴類(lèi)化合物的測(cè)定烴類(lèi)化合物的測(cè)定烴類(lèi)化合物的測(cè)定烴類(lèi)化合物的測(cè)定通常采用氣相色譜法進(jìn)行通常采用氣相色譜法進(jìn)行基于量子點(diǎn)的烴類(lèi)化合物檢測(cè)裝置基于量子點(diǎn)的烴類(lèi)化合物檢測(cè)裝置u猝滅過(guò)程與被測(cè)氣體濃度及類(lèi)型有關(guān)。猝滅過(guò)程與被測(cè)氣體濃度及類(lèi)型有關(guān)。u經(jīng)過(guò)修飾的復(fù)合膜對(duì)甲苯的靈敏度遠(yuǎn)低于二甲苯，從而建立了一種用量經(jīng)過(guò)修飾的復(fù)合膜對(duì)甲苯的靈敏度遠(yuǎn)低于二甲苯，從

14、而建立了一種用量子點(diǎn)測(cè)定烴類(lèi)化合物的高靈敏度、高選擇性的獨(dú)特方法。子點(diǎn)測(cè)定烴類(lèi)化合物的高靈敏度、高選擇性的獨(dú)特方法。量子點(diǎn)的其他應(yīng)用量子點(diǎn)的其他應(yīng)用光量子保密通信光端機(jī)光量子保密通信光端機(jī)u 量子保密通信需要高質(zhì)量的量子密碼收、發(fā)光端機(jī)量子保密通信需要高質(zhì)量的量子密碼收、發(fā)光端機(jī)量子點(diǎn)的其他應(yīng)用量子點(diǎn)的其他應(yīng)用單光子探測(cè)器單光子探測(cè)器信息密碼、量子計(jì)算和量子保密通信研究中所面臨的一個(gè)重信息密碼、量子計(jì)算和量子保密通信研究中所面臨的一個(gè)重問(wèn)題即是單光子的產(chǎn)生與發(fā)射技術(shù)問(wèn)題即是單光子的產(chǎn)生與發(fā)射技術(shù)u 量子單元發(fā)出一個(gè)光子并躍遷回到基態(tài)到再發(fā)射第二個(gè)光子之間需要經(jīng)量子單元發(fā)出一個(gè)光子并躍遷回到基態(tài)

15、到再發(fā)射第二個(gè)光子之間需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間過(guò)一定時(shí)間u 量子點(diǎn)單光子源具有比其他單光子源的振子強(qiáng)度更大且和譜線寬度窄量子點(diǎn)單光子源具有比其他單光子源的振子強(qiáng)度更大且和譜線寬度窄u 發(fā)光波長(zhǎng)可以覆蓋從可見(jiàn)到紅外的光波范圍發(fā)光波長(zhǎng)可以覆蓋從可見(jiàn)到紅外的光波范圍量子點(diǎn)的其他應(yīng)用量子點(diǎn)的其他應(yīng)用無(wú)源抑制單光子探測(cè)裝置圖無(wú)源抑制單光子探測(cè)裝置圖應(yīng)用前景應(yīng)用前景生命科學(xué)生命科學(xué)u 很多現(xiàn)代發(fā)光材料和器件都由半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，由于尺寸上的接近很多現(xiàn)代發(fā)光材料和器件都由半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，由于尺寸上的接近，材料形成的量子點(diǎn)同常用的染料分子可以發(fā)揮類(lèi)似熒光材料的神奇效能，材料形成的量子點(diǎn)同常用的染料分子可以發(fā)

16、揮類(lèi)似熒光材料的神奇效能。量子點(diǎn)由于量子力學(xué)的奇妙規(guī)則而具有顯著的尺寸效應(yīng)，因而從生物體。量子點(diǎn)由于量子力學(xué)的奇妙規(guī)則而具有顯著的尺寸效應(yīng)，因而從生物體系的發(fā)光標(biāo)記物的差別上講，一個(gè)有機(jī)染料分子吸收合適能量的光子后從系的發(fā)光標(biāo)記物的差別上講，一個(gè)有機(jī)染料分子吸收合適能量的光子后從基態(tài)升到較高的激發(fā)態(tài)，需要特定波長(zhǎng)的光進(jìn)行測(cè)量，而所有高于某一帶基態(tài)升到較高的激發(fā)態(tài)，需要特定波長(zhǎng)的光進(jìn)行測(cè)量，而所有高于某一帶隙能量的光子都能被特定量子點(diǎn)吸收，但所發(fā)射的光波長(zhǎng)又是可查的。所隙能量的光子都能被特定量子點(diǎn)吸收，但所發(fā)射的光波長(zhǎng)又是可查的。所以，特定的量子點(diǎn)就能夠按尺寸變化產(chǎn)生一個(gè)發(fā)光波長(zhǎng)不同的、顏色分明

17、以，特定的量子點(diǎn)就能夠按尺寸變化產(chǎn)生一個(gè)發(fā)光波長(zhǎng)不同的、顏色分明的標(biāo)記物家族。的標(biāo)記物家族。u 與傳統(tǒng)的染料分子相比，量子點(diǎn)能夠承受多次的激發(fā)和光發(fā)射，并有持久與傳統(tǒng)的染料分子相比，量子點(diǎn)能夠承受多次的激發(fā)和光發(fā)射，并有持久的穩(wěn)定性，從而能夠穩(wěn)定的接受觀察甚至進(jìn)行界面修飾連接。具有豐富顏的穩(wěn)定性，從而能夠穩(wěn)定的接受觀察甚至進(jìn)行界面修飾連接。具有豐富顏色的量子點(diǎn)是的通過(guò)控制觀測(cè)工具的大小精確定位生物大分子肌細(xì)胞成為色的量子點(diǎn)是的通過(guò)控制觀測(cè)工具的大小精確定位生物大分子肌細(xì)胞成為可能?？赡堋?yīng)用前景應(yīng)用前景半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件u 當(dāng)今研究的熱點(diǎn)普遍集中于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的生長(zhǎng)和性質(zhì)，自組織當(dāng)今研究的熱點(diǎn)普遍集中于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的生長(zhǎng)和性質(zhì)，自組織生長(zhǎng)方式是目前制備量子點(diǎn)最常用的方法。生長(zhǎng)方式是目前制備量子點(diǎn)最常用的方法。u 半導(dǎo)體單電子器件由于具有小尺寸，低消耗而日益受到人們的關(guān)半導(dǎo)體單電子器件由于具有小尺寸，低消耗而日益受到人們的關(guān)注。注。 “半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料及量子點(diǎn)激光器半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料及量子點(diǎn)激光器”是世界最尖端的科研是世界最尖端的科研課題。納米電子學(xué)、光電子學(xué)和新一代超大規(guī)模集成電路等方面課題。納米電子學(xué)、光電子學(xué)和新一代超大規(guī)模集成電路等方面的應(yīng)用有著廣泛的需求和市場(chǎng)，技術(shù)也漸趨成熟，在需求和生產(chǎn)的應(yīng)用有著廣泛的需求和市場(chǎng)，技術(shù)