高压下CdSe／ZnS核／壳结构量子点激发态弛豫特性研究

作     者：罗妍 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘凌云

授予年度：2016年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：CdSe/ZnS 高压 飞秒时间分辨光谱 激发态动力学 多激子相互作用 

摘      要：随着量子点制备技术的进步,具有高人工可控性的量子点材料的研究和应用拓展到了多个领域。量子点材料的形态具有高度人工可控性;由于尺寸缘故,其物理化学性质展现出许多优异于体材料的特性。其中,量子点材料的多激子富集,高量子产率,激子放大等光电特性,使半导体量子点在光电器件上具有广泛的应用前景。核壳结构(core-shell)的量子点中,由于壳层起到了钝化基的作用,能够钝化核表面缺陷,减少荧光淬灭中心,使得荧光量子产率提高。而荧光强度增强,给生物探针,QLED,显示器等应用带来了很大的益处;另一方面,钝化基的添加使得电子、空穴在空间上产生分离,载流子寿命明显增加,可以提高量子点的光电转换效率,从而在光伏产业上有良好的前景。在量子点光电转换过程中,首先光激发半导体量子点,将会产生激子(电子-空穴对);电子-空穴对经过一系列的相互作用后,会分别弛豫到导带底和价带顶,随后电子-空穴复合而湮灭。在复合前,如果激子能够被分离掉,电子被导出,那么光能就被转化成了电能。因此,掌握激子的动力学过程及其影响因素,即载流子的产生,相互作用,分离和复合的时间尺度,对于量子点光伏应用非常重要。前期研究表明,量子点在密堆积情况下,光生载流子弛豫过程减慢,电子波函数非局域性因量子点之间距离减小而增强是主要原因。但常规的化学手段不能够进一步缩短量子点之间的距离,人们考虑引入物理手段-高压-来缩短量子点之间的距离。高压手段是常规的相对纯净的外部手段,在可控范围内,仅单纯的改变量子点之间的距离。即在一定压力下,量子点晶体结构不会崩塌,量子局限效应仍旧保留;同时量子点之间距离急剧缩短。2014年,这一手段被应用在PbS QDs中.实验结果表明:5 MPa压力下,载流子迁移率提高了7倍[29]。但以往高压技术都集中在拉曼光谱、X射线衍射,电导率测量等方面的研究,对于其在超快动力学过程的研究很少。本研究将飞秒超快光谱与静高压技术结合,采取金刚石对顶砧高压技术,即利用金刚石压机(diamond anvil cell)实现高压环境;利用飞秒瞬态吸收技术实现对激子动力学过程的探测。研究CdSe-ZnS在不同压力条件下的超快过程,获得极端条件下纳米材料中激子动力学过程的第一手资料。主要研究内容如下:第一部分,概述高压技术和泵浦-探测技术的发展历史和技术原理。由于金刚石对顶砧采用密封垫技术,传压介质为流体,使压力接近于静水压,实现各项同性的均匀加压;而且金刚石可产生的压力大,体积小,实验方便,所以本实验采用金刚石对顶砧加压。论文采用飞秒瞬态吸收技术作为激子动力学的研究工具。第二部分,首先,对高压产生装置进行详细的介绍,包括金刚石对顶砧压机组装过程以及样品装压机过程。其次,详细介绍了飞秒激光系统光路,并对实验过程中光路的调节进行了详细的介绍。第三部分,详细介绍了CdSe/ZnS核壳量子点的结构,发光特征以及应用。并且引入压力和瞬态吸收手段,研究了高压下CdSe/ZnS核壳量子点的激发态弛豫特性。研究表明:与常压下相比,量子点在高压下的多激子相互作用明显减弱,吸光度随激子数目增加的变化趋向平缓;在同一探测波长的基础上,随着的增加,快成分比重明显增加;在高压条件下,随着功率的升高,中间过程寿命增加,这一点与低压下中间过程寿命减小不同。中间过程比重增加,与低压下中间过程相比,比重增加非常剧烈,低压下中间过程寿命增长高功率是低功率的2倍:而高压下中间过程寿命增长是高功率的10倍。以上结果表明,在高压区,激子有足够的时间被分离和传输。论文结果为提高光富集体系光电转换效率提供了一个可行的物理方法,同时也为研究极端条件下的光电转换过程提供了第一手的资料。