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產品課堂

量子點介紹

文字:[大][中][小] 2014-10-20    瀏覽次數:5958    

一、   量子點介紹

量子點(Quantum Dots,QDs),即半導體納米晶,通常是由IIVI族或IIIV族元素組成。形象來講,量子點的三維尺度都納米級,外觀為點狀。其尺寸通常小于或接近波爾半徑,由于電子運動在三維空間上都受到限制,產生類似原子的不連續電子能級結構,量子點又常常被人們稱之為人造原子。量子點的電子和空穴被量子限域,受激發后可以發射熒光。其發光機理如圖 1 所示。




1  熒光量子點的發光原理, 實線表示輻射躍遷,虛線表示非輻射躍遷

當光照射到量子點上時,量子點就吸收光子,然后其價帶上的電子就被激發躍遷至導帶,此時在價帶上將會產生與被激發電子對應的空穴(稱“激子”)。而導帶上的電子則可以通過輻射的形式再次躍遷回價帶,與之前的空穴發生復合而發射光子,這就是量子點的發光過程。此外,導帶上的電子也可能會被量子點的表面缺陷態捕獲,電子以非輻射的形式被淬滅,此時就不能產生光子而發光,而只有少數可以回到價帶。即意味著表面缺陷態越多,發光效率就越低。因此通常通過采用配體的修飾來減少量子點表面缺陷態,以得到更好的熒光。
    量子點特殊的光學性質主要體現在:

(1) 對于同一成分的量子點而言,改變量子點的尺寸大小可以調控其發光光譜。同時,通過調控量子點的化學組成和尺寸大小,則有可能使量子點的發光光譜覆蓋整個可見光區域。圖2 是CdSe/ZnS量子點隨著粒子尺寸的大小,發光的變化情況。



2  CdSe/ZnS QD 的熒光發光圖。隨著量子點的粒徑從2 nm 增加到6 nm,熒光發光范圍可以從藍光 (2 nm 的量子點) 到紅光 (6 nm 的量子點),覆蓋整個可見光區域



(2) 量子點的激發光譜寬,而發射光譜很窄。也就是說,若使用同一個激發光源激發不同粒徑的量子點,則可以進行同步檢測。如圖 3 所示的四種顏色的量子點,其發光光譜基本無重疊,是多通道的同步檢測便于進行。


                

3  (A) 四種顏色的量子點在365 nm的紫外燈照射下的熒光照片,

量子點尺寸從2.2 7.3 nm;

 (B) 四種發光顏色的量子點在400 nm波長的光激發下的熒光光譜圖



(3) 量子點的斯托克斯位移值( Stokes shift,發射波長與吸收波長的差值)較大。這樣就可以有效的避免激發光譜與發射光譜重疊,使熒光光譜的區分、識別更加容易。

(4) 量子點的光穩定性好,熒光壽命比普通的有機熒光染料至少高出一個數量級,不易發生光漂白和光分解。

 

參考文獻:

[1] Yoffe A D. Semiconductor  quantum dots and related systems: Electronic, optical, luminescence and related properties of low dimensional systems. Advances in Physics. 2001, 50(1): 1–208.

[2] Tomczak N, Janczewski D, Han M Y and Vancso G J. Designer polymer-quantum dot architectures[J]. Progress in Polymer Science. 2009, 34(5): 393–430.

[3] Smith A M, Duan H W, Mohs A M and Nie S M. Bioconjugated quantum dots for in vivo molecular and cellular imaging[J]. Advanced Drug Delivery Reviews. 2008, 60(11): 1226–1240.


                                                 

                                                                                                     


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