量子点发光原理详解

来源:电子发烧友整理 作者:2018年02月05日 14:10
关键词:量子点

量子点是把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。量子点,电子运动在三维空间都受到了限制,因此有时被称为“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子点原子”,是20世纪90年代提出来的一个新概念。这种约束可以归结于静电势(由外部的电极,掺杂,应变,杂质产生),两种不同半导体材料的界面(例如:在自组装量子点中),半导体的表面(例如:半导体纳米晶体),或者以上三者的结合。量子点具有分离的量子化的能谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中,但延伸于数个晶格周期中。一个量子点具有少量的(1-100个)整数个的电子、空穴或空穴电子对,即其所带的电量是元电荷的整数倍。

半导体量子点的光学性质

量子点的发光原理与常规半导体发光原理相近,均是材料中载流子在接受外来能量后,达到激发态,在载流子回复至基态的过程中,会释放能量,这种能量通常以光的形式发射出去。与常规发光材料不同的是,量子点发光材料还具有一下的一些特点。

发射光谱可调节

半导体量子点主要由ⅡB-ⅥA、ⅢA-ⅤA或者ⅣA-ⅥA族元素构成。尺寸、材料不同的量子点发光光谱处于不同的波段区域。如不同尺寸的ZnS量子点发光光谱基本涵盖紫外区,CdSe量子点发光光谱基本涵盖可见光区域,而PbSe量子点发光光谱基本涵盖红外区,如下图所示。

量子点光致发光原理详解

常见量子点发光光谱分布区间

即使是同一种量子点材料,其尺寸的不同,其发光光谱也不一样。以CdSe为例,如下图所示,当CdSe颗粒半径从1.35nm增加至2.40nm时,其发射光波长从510nm增加至610nm。

量子点光致发光原理详解

同尺寸CdSe量子点及其发光照片

宽的激发光谱和窄的发射光谱

能使量子点达到激发态的光谱范围较宽,只要激发光能量高于阈值,即可使量子点激发。且不论激发光的波长为多少,固定材料和尺寸的量子点的发射光谱是固定的,且发射光谱范围较窄且对称。

较大的斯托克斯位移

量子点材料发射光谱峰值相对吸收光谱峰值通常会产生红移,发射与吸收光谱峰值的差值被称为斯托克斯位移。相反,则被称为反斯托克斯位移。斯托克斯位移在荧光光谱信号的检测中有广泛应用。量子点的斯托克斯位移较常规材料而言要大。

量子点的发光原理

量子点的发光性质是由于电子、空穴以及它们周围环境的相互作用而引起的,当激发能级超过带隙时,量子点就会吸收光子使电子从价带跃迁到导带。量子点的紫外可见光谱有很多能级态,第一个看得见的峰称为量子限制峰,是由最低能级态激发所产生。此外,很多电子状态存在于更高能级水平,因此允许单一波长的光同时激发多颜色的量子点。

量子点光致发光原理详解

受量子尺寸效应的影响,半导体量子点的发光原理如图3所示,当一束光照射到半导体材料上,半导体材料吸收光子后,其价带上的电子跃迁到导带,导带上的电子还可以再跃迁回价带而发射光子,也可以落入半导体材料的电子陷阱中。当电子落入较深的电子陷阱中的时候,绝大部分电子以非辐射的形式而猝灭了,只有极少数的电子以光子的形式跃迁回价带或吸收一定能量后又跃迁回到导带。

量子点LED 的发光形式

量子点是QLED发光的基本材料。实现QLED发光的主要有两种形式:一是采用在GaN基LED中作为光转换层,有效吸收蓝光发射出波长在可见光范围内精确可调的各色光;二是采用其电致发光形式,将其涂敷于薄膜电极之间而发光(见下图)。

量子点光致发光原理详解

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