量子限域超微粒的合成、表征与光学特性研究

【摘要】：超微粒制备电子结构和功能特性的研究是一个极为重要的课题，本文通过利用强制水解法和微乳液法等制备了Fe_2O_3，Cr_2O_3，Co_2O_3，Mn_2O_3，Cu_2O，TiO_2，CdS，PbS超微粒的水溶胶和有机溶胶，找到了较佳的工艺流程和制备条件，并通过粒度、形貌及结构特性表征发现，微乳液法制备的有机溶胶中的超微粒子粒径全部处于纳米尺寸，单分散性好，化学成份单纯，Fe_2O_3超微粒内电子—LO声子耦合增强，电场梯度增大，预示着体系内存在着构象扭曲及3d—4sp电子相关效应。这一结论通过光吸收，光发射和光电子发射现象的研究得到确认，粒径减小会增大3d—4sp多电子过程在过渡金属氧化物的价带结构中的贡献，表面包覆有表面活性剂会增强这一过程，这一增强效应导致体系内的电子-电子相关增强，电子-声子耦合增强，双激子吸收增强，表面包覆物的喇曼散射信号增强，这些非线性过程的增强现象表现了过渡金属氧化物的超微粒的电子结构相对于体相的变化；我们还利用许多非线性光学测试手段了解到在过渡金属氧化物中，表面包覆可大大增大它的光学非线性响应，并使激发态寿命明显降低，这表明量子限域效应及上面提到的电子结构特征变化在其中起着至关重大的作用，其中非线性的来源很可能是由表面局域等离子体场的激发和驰豫过程。 我们制备了交替的Fe_2O_3超微粒-硬脂酸LB复合膜，找到了较好的成膜工艺，实验表征证实这种膜排列紧密，结构稳定而且规则，不同粒度的超微粒在膜中排列方式不同，光电子发射体现的是超微粒Fe_2O_3的性质。 TiO_2超微粒表面包覆后发生吸收带边的强烈红移，带边遵循Urbach吸收关系，光致发光现象明显，经分析和计算结果表明，在这种TiO_2超微粒中，构象扭曲、LO声子、界面偶极场导致了自束缚激子的产生，消除了直接跃迁的禁阻条件，导致吸收红移和室温下的光致发光现象；声子局域化造成明显的多声子吸收现象；其光学非线性过程类似于强限域下的态填充效应，有明显的饱和吸收现象。Cu_2O超微粒位于激子限域区内，有明显的发射和激发的激子结构出现，但并不发生位置兰移，这是由于杂质势和激子限域导致的；高密度激发下激子-声子相互作用相对减弱，而激子-激子相互作用增强，这一相互作用可导致超线性发射现象，即激子间的相干导致谐同发光。在523nm激光泵浦下，二者均显示出较大的光学非线性响应。 CdS、PbS超微粒在纳米尺寸区域内显示出了强的量子尺寸效应，吸收结构明显，带边兰移，表面包覆会导致界面偶极层不仅参与吸收过程，还参与发射过程，表面态发射经表面包覆而大大减小，类体相自由激子发射强度显著增强。不仅带边存在发射现象，而且首次发现高能级跃迁也存在发射现象；通过发射结构和激发谱研究，我们了解了其能级结构及跃迁过程，与量子力学的计算很一致，这有助于我们了解其非线性光学过程。