半导体量子点的发光效率，它的稳定性应该怎样去保持？

文 | 青橘罐头

编辑 | 青橘罐头

前言

半导体量子点是一种具有特殊物理和化学性质的纳米材料，因其在电子学和光学器件中具有重要的应用而备受关注。

在半导体量子点中，激子是其最基本的电子与空穴的耦合态，而双激子则是两个电子与两个空穴的复合态。

双激子与激子相比具有更大的结合能和更长的寿命，因此在光电器件和光电子学中也备受关注。

半导体量子点的基本性质

半导体量子点是一种尺寸约为纳米级别的半导体材料，具有独特的电学、光学和磁学性质。

这些性质使得半导体量子点在许多领域都具有广泛的应用，例如生物成像、光电子学、能源转换等。

半导体量子点是尺寸约为纳米级别的半导体材料，它们通常由几百到几千个原子组成，大小与晶格常数、束缚能等因素有关，一般来说，量子点的直径在1-10纳米之间。

半导体量子点的大小对其电学和光学性质具有重要影响，当量子点的尺寸小于某一特定尺寸时，会出现量子限制效应。

这会导致电子的能级结构发生变化，产生新的能带结构和能级跃迁，这些新的能带结构和能级跃迁决定了量子点的光学和电学性质。

半导体量子点的能带结构是其基本性质之一，当量子点的尺寸小于某一特定尺寸时，电子的能量受到量子限制效应的影响，导致能带结构发生变化。

在大的半导体晶体中，由于周期性磁场的作用，能带结构是连续的。

然而当半导体材料被限制在纳米尺度下时，周期性势场的作用减弱，从而导致能带结构分裂成一个个分立的能级。

由于量子限制效应的影响，半导体量子点的能带结构与体材料的能带结构不同。

在固体中，能带结构是连续的，而在量子点中则是离散的，这些离散能级的能量与量子点的尺寸有关。

半导体量子点的发光机制是其另一个重要的性质，由于量子限制效应的影响，半导体量子点具有特殊的发光特性。

在半导体量子点中，当电子从低能级跃迁到高能级时会发射出光子，这个过程是由于电子从高能级跃迁到低能级时释放出的能量以光子的形式传递出来，从而形成了发光现象。

半导体量子点的发光机制可以分为两种类型：光致荧光和电致发光，在光致荧光中，量子点被激发产生光致发光，而在电致发光中，电子从导带中跃迁到空穴带中，产生发光。

不同大小的半导体量子点发出的光子能量也不同，其波长与直径成反比例关系，这是由于半导体量子点的能带结构与尺寸相关，因此其发光特性与量子点的大小密切相关。

半导体量子点的表面改性是一种重要的技术，可以改变量子点的性质，从而实现定向生长、调节光学性质等目的。

通过表面改性，可以改变半导体量子点的电子结构和表面化学性质，一般来说，表面改性可以通过化学方法、离子注入、物理方法等手段实现。

表面改性可以改变半导体量子点的光学特性，例如发光强度、波长和半衰期等。

例如，在CdSe量子点的表面上引入有机配体，可以改变其电荷转移的性质，从而改变其荧光强度。

表面改性还可以影响半导体量子点的稳定性和生长方向，例如，在CdSe量子点表面上引入胆碱盐，可以控制其表面的生长方向，从而实现定向生长。

激子和双激子

激子是半导体量子点中的一种激发态，由电子和空穴在共振能级上结合形成，在半导体量子点中，激子能量比基态要低，因此激子是稳定的。

激子的形成和能量大小与量子点的大小和形状密切相关，由于量子点的大小和形状可以通过生长条件调控，因此可以通过调控量子点的大小和形状来调控激子的形成和能量大小。

激子的形成是半导体量子点光学性质的重要来源，当量子点受到光子激发时，电子从价带跃迁到导带，形成自由电子和空穴。

这些电子和空穴可以重新结合形成激子，并在激子衰减时释放出能量，激子的衰减通常是通过荧光来实现，这种荧光称为激子荧光。

双激子是两个激子相互结合形成的新的激发态，双激子的能量比单个激子要高，因此它们的存在时间相对较短，同时也比较难以形成。

在半导体量子点中，双激子的形成和能量大小与量子点的大小和形状、温度和激子浓度等因素密切相关。

双激子的形成过程与激子类似，不同之处在于两个激子结合形成双激子，因此它们的结合能比单个激子要大。

双激子的存在可以通过吸收光谱和发射光谱来观测到，其中吸收光谱的信号强度比发射光谱的信号强度要大，这是因为双激子的形成是通过吸收光子来实现的。

在半导体量子点中，激子和双激子是非常重要的物理现象，激子是由电子和空穴在共振能级上结合形成的激发态，具有稳定性和重要的光学性质。

双激子是由两个激子相互结合形成的新的激发态，能量比单个激子要高，存在时间相对较短，且形成相对困难。

半导体量子点中激子和双激子的形成和能量大小与量子点的大小和形状、温度和激子浓度等因素密切相关，因此可以通过调控量子点的大小和形状、温度和激子浓度等因素来调控激子和双激子的形成和能量大小。

半导体量子点中激子和双激子的研究不仅可以深入了解量子点的光学和电学性质，还有助于量子点的应用研究。

半导体量子点荧光材料可以应用于生物成像、光电子学和光催化等领域，通过研究激子和双激子的形成和能量大小，可以进一步优化半导体量子点荧光材料的性能，提高其应用效果。

双激子发光机制

在半导体量子点中，当外界光子与半导体量子点发生相互作用时，会激发出电子和空穴对，这些电子和空穴对结合形成激子。激子能够发生自发辐射发光，即荧光。

半导体量子点中激子的能量受到量子限制，因此具有比较明显的单色性和窄带发光特性，这使得半导体量子点在光电子学领域有着广泛的应用。

当量子点中存在足够高浓度的激子时，这些激子之间会发生相互作用，形成双激子。

由于双激子具有较高的能量和短的寿命，因此它们在半导体量子点的光致发光中发挥着重要作用，半导体量子点中双激子的形成和发光机制与单激子不同，主要包括以下几个方面：

半导体量子点中的双激子可以通过三种发光机制发射荧光：单重态发射、双重态发射和正电子-电子湮灭发射。

单重态发射是指双激子从激子-激子组合态发射到基态单激子态，再从单激子态发射荧光，这种机制的荧光光谱一般与单激子荧光光谱相似，但其强度比单激子荧光强得多。

双重态发射是指双激子直接从激子-激子组合态发射荧光，这种机制的荧光光谱一般比单激子荧光光谱红移。

由于双激子能量较高，因此双重态发射的荧光光谱通常也比单重态发射的荧光光谱宽。

正电子-电子湮灭发射是指双激子中的正电子和电子发生湮灭，产生荧光，这种机制的荧光光谱一般与单激子荧光光谱相似，但其强度比单激子荧光强得多。

在半导体量子点中，激子之间的相互作用可以通过库伦作用来描述，当两个激子在距离足够近的情况下，它们之间的库伦排斥力会逐渐减弱，导致两个激子结合形成双激子。

双激子的形成需要满足一定的能量和动量守恒条件，因此其形成机制与量子点的大小、形状、材料类型等因素密切相关。

双激子的能量通常高于单激子能量，这是由于两个激子的能量结合起来会受到库伦排斥力的影响，导致能量上升。

在一些特殊情况下，由于量子点的大小和形状等因素的影响，双激子的能量也可能低于单激子能量，此外，双激子的能量也受到环境因素的影响，例如温度、压力、外界电场等。

双激子的寿命相对于单激子来说较短，这是由于双激子具有更高的能量和更大的电荷密度，导致更强的自发辐射和非辐射衰减，双激子的寿命通常在纳秒量级，远短于单激子的寿命。

总体来说，半导体量子点中的双激子发光机制是复杂的，受到多种因素的影响，双激子的形成和发光机制不仅可以提供对量子点荧光特性的深入理解，也为量子点的应用提供了更广阔的发展空间。

双激子发光的应用

双激子是半导体量子点中独特的激子态，具有高稳定性和独特的光学性质，因此在多个领域具有广泛的应用前景。

双激子在太阳能电池、光电探测器、光放大器等器件中有着广泛的应用。

在量子点太阳能电池中使用具有高量子效率的量子点，可以大幅提高光电转换效率，并且可以实现更高的光电子输出功率。

双激子的独特荧光光谱和高荧光量使得它们在显示器、照明等领域也有应用潜力。

半导体量子点的荧光特性使其成为一种有潜力的生物成像探针，双激子荧光可以提供比单激子更大的荧光量和更长的荧光寿命，因此可以提高成像信号强度和时间分辨率。

双激子在生物组织中的深度穿透性也比单激子更好，因为其荧光峰值波长红移，降低了组织吸收和散射的影响。

双激子的寿命短，荧光强度大，因此在量子计算和量子通信中有潜在的应用，量子点中的单光子源可以用于制备高性能量子计算和通信设备。

双激子的荧光光谱随着量子点大小和形状的变化而变化，因此可以用来进行光学编码，这种编码方法可以用于数据存储、加密和安全通信等领域。

双激子发光具有更高的量子效率和更强的荧光强度，因此可以用于制备高效率的荧光材料，这种材料可以用于白光LED、发光二极管和荧光材料等领域。

总体来说，半导体量子点中的双激子具有广泛的研究价值和应用前景。

随着对双激子光学性质和应用的深入研究，我们相信量子点技术将在光电器件、生物成像、量子计算和量子通信等领域发挥更大的作用，推动这些领域的发展和进步。

此外，对半导体量子点和双激子的深入理解也有助于我们更好地理解和掌握纳米材料的性质和应用，为纳米技术的发展和应用提供更多的可能性和机会。

结语

半导体量子点中的双激子发光机制具有很大的应用前景，在光电子学、光电器件、生物医学等领域具有广泛的应用。

通过调控量子点的大小、浓度等因素，可以实现对双激子发光的调节和控制，从而实现对不同应用场景的适应。

在未来的研究中，还需要进一步深入理解双激子的形成和辐射机制，以及与单激子的相互作用，从而提高双激子发光的效率和稳定性，拓展其更广泛的应用。