1、量子点(Quantum Dots) 和量子点激光器,量子点(quantum dot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米材料，由少量的原子构成。 量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下。量子点内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应(quantum confinement effect)特别显著。量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，故量子点可用来作激光器的工作物质，而量子点也因此被称为“人造原子”(artificial atom)。,在一般块材中，电子的波长远小于块材尺寸，因此量子局限效应不显着。如果将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长，
2、此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称为量子阱(quantum well)；如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维方向上运动，我们称为量子线(quantum wire)；当三个维度的尺寸都缩小到一个波长以下时，就成为量子点了（quantum dot）。,由量子力学(quantum mechanics)出发，我们知道电子具有粒子性与波动性，电子的物质波特性取决于其费米波长(Fermi wavelength),F=2/kF,量子阱、量子线及量子点能级比较关系示意图,量子点的用途： 可用于蓝光雷射、光感测元件、单电子电晶体(single ele
3、ctron transistor, SET)、记忆储存、触媒以及量子计算(quantum computing)等，在医疗上更利用各种发光波长不同的量子点制成萤光标签，成为生物检测用的纳米条码。 量子点是目前理论上与实验上的热门研究题目，世界各国无不积极投入研究，主要领先的有美国、日本、欧盟及俄罗斯等，台湾也正在急起直追中。,量子点激光器,简单地说,量子点激光器是由一个激光母体材料和组装在其中的量子点以及一个激发并使量子点中粒子数反转的泵源所构成。一个实际量子点激光器（砷化镓铟量子点激光器）的结构示意图如图所示。,能态计算 对于不同维度的电子体系,许多独特的光学性质来源于它们的态密度。态密度是指
4、单位体积在能量E附近单位能量间隔内的电子态数。每一个量子态可被自旋向上和向下的两个电子所占据。半导体激光器从三维到二维、再到一维、零维,这种不断发展变化的内因在于不同维度材料的态密度不同,从而激光器的性能不断改善。,(1) 对于三维体系,在固体物理中,已求得其态密度与能量的关系是抛物线形,如图所示。,(2)当体系为在某个方向(如z向)受限的二维体系(量子阱)时，受限方向(z向)的平移对称性被破坏，kz不再是好量子数，该方向发生能级分裂。一个本征态的能量可以写为E=Ei + Exy（kx，ky），其中Ei是z方向的量子化的能级值。,在量子阱中，电子能量,所以一个E的分裂值对应一个由各种不同Exy
5、造成的子能带，该子能带对应的态密度为,能态图是阶梯型，如图(b)所示,即电子在xy平面运动所对应的子能带能量密度是一个常数。为了简便，取A=1。于是三维能量的态密度为,对于量子线而言，体系在两个方向（如z、y方向）受限，它的能量和态密度之间的关系可以利用同样的方法求得，结果是,对于零维的量子点而言，体系在x、y、z三个方向受限，载流子的能量在三个方向上都是量子化的，不存在能量的连续分布。所以，量子点的态密度与能量的关系表示为函数的形式，即,其中Ei是体系的能量可取值，可表示为,3D(E) = ( E - Ei) i,量子点的能态图形为类氢光谱状的分离线，如图(d)所示。,量子点有源区的高能态和
6、基态的能级间距 足够大(即满足 EkBT)，器件的阈值电流密度对温度的依赖就会完全消失；量子点中态密度函数的尖锐化，也使得其峰值增益变窄。,量子点激光器的优点,同常规的激光器相比，由于有源区为量子结构，器件特性便具有下列新特点：(1) 态密度线状分布，导带中第一个电子能级E1c 高于原价带中第一个空穴能级E1 低于原价带顶Ev，因此有E1c -E1v Eg，所产生的光子能量大于材料的禁带宽度相应地，其发射波长出现了蓝移,(2) 量子激光器中，辐射复合主要发生在E1c 和E1v之问，这是两个能级之间电子和空穴参与的复合，不同于导带底附近和价带顶附近的电子和空穴参与的辐射复合，因而量子激光器的光谱
7、的线宽明显地变窄了,(3) 在量子激光器中，由于尺寸 通常小于电子和空穴的扩散长度，电子和空穴还未来得及扩散就被势垒限制在势阱之中，产生很高的注入效率，易于实现粒子数反转，其增益大为提高，甚至可高达两个数量级,对于理想的量子点激光器量子点，它应只有单一电子能级和空穴能级，很容易实现单模工作。1996年Kirstaedter 等在77K 低温下稍高于阈值电流密度情况下就观察到了单模工作。而相比之下，量子阱激光器只有远高于阈值电流密度的情况下才能实现单模工作。,从量子点本身的性质出发,存在声子瓶颈效应。当电子被注入到高能级上时,它必须依靠与声子的散射作用(放出声子) ,才能弛豫到量子阱或量子点中的
8、低能级上。,量子点激光的瓶颈问题,声子散射要求能量守恒和动量守恒。对于量子阱来说,由于子能带的存在,这两个条件很容易同时满足。但对于量子点而言,由于电子能级都是分离的,很难使两个能级能量差恰好等于一个光学声子的能量。因此,认为量子点缺乏一种有效的载流子弛豫途径,称之为声子瓶颈效应。,事实上,后来的实验证明,这个问题并不象原来想象的那么严重。在量子点中存在一个很快的捕获和弛豫机制。现在已经提出一种弛豫机制:俄歇过程。理论计算表明,如果二维电子- 空穴等离子体的密度为1010每平方厘米 ,则电子和空穴的弛豫时间将达10ps ,而这一密度对量子点来说容易达到,但这一弛豫机制还需要实验证明。从制造工艺
9、上,量子点的尺寸大小均匀性不好控制,也使它的发展受到了阻碍。,量子点激光器的未来 量子点激光器的研制在近几年内取得了长足进步，已经向传统半导体激光器开始了强有力的挑战，但其性能与理论预测相比仍有较大的差距。进一步提高量子点激光器的性能，必须解决以下几个问题：,(l) 如何生长尺寸均匀的量子点阵列。虽然量子点的材料增益很大，但由于尺寸分布的不均匀性，使量子点发光峰非均匀展宽，发光峰半宽比较宽，远大于量子阱材料（meV）。 (2) 如何增加量子点的面密度和体密度，尽可能提高量子点材料的增益； (3) 如何优化量子点激光器的结构设计，使其有利于量子点对载流子的俘获和束缚； (4) 如何通过控制量子点的尺寸或者选择新的材料体系，拓宽量子点激光器的激射波长工作范围，争取覆盖WDM网络中的1.4-1.6m波段。,
