半導體奈米晶體的光學特性 Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals

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1 半導體奈米晶體的光學特性 Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals
石豫臺 國立彰化師範大學物理系

2 光的顏色與波長 c =  各顏色光的波長： 紅> 橙> 黃> 綠> 藍> 紫
Maxwell的電磁理論： 光是一種電磁波，不同顏色的光具有不同的波長與頻率，但在真空中傳播的速度為定值，稱為光速。 c =  c ：光速 c = 3 108 m/s,  ： 波長 ：頻率 各顏色光的波長： 紅> 橙> 黃> 綠> 藍> 紫

3 電磁波頻譜

4 光子的能量與波長 光子的能量越大，頻率越高，波長越短。 愛因斯坦的光量子假說： 光具粒子性，稱為光子(photon)。
光子的能量為 E = h = hc/ h: Planck常數 光子的能量越大，頻率越高，波長越短。

5 局限方向的特徵尺寸 電子的德布羅意波長 d
不同維度的半導體材料 三維塊體材料，Lx ，Ly和Lz的尺度都 遠大於d 二維量子井、超晶 格材料，厚度Ly等 於或小於d 6, 11, 13 一維量子線材料， Lx和Ly等於或小於 d  零維量子點材料， Lx、Ly和Lz均等於 或小於d  局限方向的特徵尺寸 電子的德布羅意波長 d

6 半導體量子點 (Semiconductor quantum dots)
亦稱奈米晶體(nanocrystals)。 尺度：1  30 nm，內部包含幾十個到上萬個原子。 屬於零維的奈米半導體。 由於載子受三維局限，半導體量子點已失去塊體材料的特性。 能量發生量子化，其電子結構由連續能帶變成分立能階，更接近原子的特徵，故又稱為人工原子。

7 影響半導體量子點光學特性的效應 表面效應 量子局限效應

8 半導體量子點的比表面積 隨著半導體量子點尺寸的減少，比表面積(表面原子數與量子點總原子數之比)越來越大，表面原子數越來越多。
尺寸  5nm 表面原子數占50% 以上 尺寸  2nm 表面原子數占80% 以上

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10 表面效應 隨著半導體量子點尺寸的減少，表面原子數越來越多。

11 量子點表面效應的影響 由於表面原子的配位不足、不飽和鍵和懸鍵增加，表面活性增強 引起光學、力學、熱學、化學等多種性質的改變。

12 物質的光激發光過程 吸收一個光子後躍遷到受激態(excited state) 弛豫(relaxation)到中間態
藉由自發放射放出一個光子，以回到基態(ground state)。 釋放光子的能量小於吸收光子能量，h2 < h1。 此能量的減少稱為Stokes 偏移。 h1 h2

13 表面效應對CdS量子點光譜的影響 吸收係數與能隙 Eg 的關係： 2  C(h-Eg), C: 常數， h：光子能量
尺寸：B > L > M > N 只有B的發光峰位(490 nm)與吸收邊一致，可以認為是帶邊發光。 L，M，N的發光峰位與其相對的吸收邊相比有明顯的紅位移*，可能是CdS量子點的表面S空位引致的發光。 B的尺寸最大，故表面態的影響最小。M與L的尺寸較小，受表面態的影響較大。 *紅位移：光譜往長波長(低能量)偏移。

14 CdS量子點的發光機制 兩條發光途徑： s << e，故很難觀察到帶邊發光，大部分觀察到的為經由陷阱態躍遷的發光。
電子先被表面的S空位捕獲，再從陷阱態躍遷到價帶。時間s  100 fs (1fs = s) s << e，故很難觀察到帶邊發光，大部分觀察到的為經由陷阱態躍遷的發光。 因為由Vs到價帶的能量較小，故發光光譜較吸收光譜有紅位移。

15 量子點的量子局限效應 量子點因粒徑不同而有不同的能隙大小。 粒徑愈小，能隙愈大，故可發出波長較短的光。

16 半導體量子點的量子局限效應 量子點的能隙相對體材較大，並隨著尺寸減小而增加。
在光學性質上引起吸收光譜與光激發光譜峰的藍位移，亦即譜峰往短波長偏移。 粒徑小的量子點，顏色偏向短波長的藍綠色。 粒徑大的量子點，顏色偏向長波長的紅橙色。

17 量子局限效應對CdS量子點吸收光譜的影響
濃度：A < B < C < D 尺寸：A < B < C < D 隨著濃度降低，吸收邊發生藍位移，此仍因量子點尺寸變小致使能隙增大的緣故。 塊材CdS能隙為2.45 eV，由表3-1可知最大能隙變化可達0.15 eV，顯示出明顯的量子局限效應。

18 量子局限效應對量子點發光的影響 粒徑小能隙大波長短顏色偏藍綠。 粒徑大能隙小波長長顏色偏紅橙。
可製備相同材料但不同粒徑的量子點，以發出不同顏色的光！

19 CdSe量子點受紫外光照射，發出不同顏色螢光
粒徑~2 nm藍色, ~3 nm黃色, ~5 nm紅色

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21 光激螢光光譜實驗裝置圖

22 不同粒徑的CdSe奈米晶體的光激發光 粒徑約 2 4 nm

23 不同粒徑CdSe奈米晶體的發光譜線 小 粒徑 大 隨著半導體奈米晶體 的粒徑縮小，發光譜 線產生藍位移！

24 半導體材料與奈米科技的結合

25 量子點在生命科學中的應用 量子點的特性 量子點可應用於生物體系做為螢光探針。可代替螢光染料分子，做為細胞定位、標記等用途。
發射光譜對稱分布、寬度窄、顏色可調 光化學穩定性高，不易分解 量子點可應用於生物體系做為螢光探針。可代替螢光染料分子，做為細胞定位、標記等用途。 例如：可以將量子點交聯在特異性抗體上，當抗體與和細胞內不同的部位結合，就相當於在各部位貼上標籤。當量子點受光激發後發出特定顏色的光，就可清楚標記細胞內各部分的詳情。

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27 利用量子點標定癌細胞

28 奈米條碼 裝有不同顏色量子點（奈米半導體）的乳膠粒，具有成為特殊標籤的潛力。
經光線照射後，這些珠粒將放出顏色及強度都不同的特定光譜，像光譜條碼一般，可供辨識。