量子点纳米光子学及应用 程成,程潇羽 著 专业科技 文轩网

序
前言
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
4.3.1X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
4.6.1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McCumber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
5.6CdSe/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
5.7PbSe、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
6.2CdSe/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
6.3CdSe/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很好光纤长度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
8.1UV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
8.1.2UV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
8.1.4PL峰值强度与掺杂光纤长度和浓度的关系231
8.1.5PL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
8.5PbSe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
9.3PbSe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
10.1.2PIN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