硅量子點(diǎn)的性能研究與應(yīng)用.pdf

1、硅量子點(diǎn)由于具有獨(dú)特的光學(xué)性能、與微電子工藝兼容、生物相容性好以及表面活性高，在生物成像、光電器件、納米催化等很多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，從而成為目前國(guó)際硅材料研究的前沿領(lǐng)域。但是，目前硅量子點(diǎn)也存在一些亟待解決的問(wèn)題，如理論研究不足、水溶性差、應(yīng)用研究相對(duì)滯后等。
　　本論文研究了硅量子點(diǎn)的冷等離子體制備、表面改性、性能以及光探測(cè)器、發(fā)光二極管等器件的構(gòu)建，通過(guò)第一性原理計(jì)算，探索了硅量子點(diǎn)中的孿晶對(duì)其的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響

2、。其主要?jiǎng)?chuàng)新性結(jié)果如下：
　　(1)運(yùn)用密度泛函理論研究了孿晶結(jié)構(gòu)的硅量子點(diǎn)，包括單孿晶和五重孿晶。結(jié)果表明，孿晶結(jié)構(gòu)的硅量子點(diǎn)從熱力學(xué)角度看是可以形成的，且孿晶結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)硅量子點(diǎn)的穩(wěn)定性。但是，孿晶的存在使得硅量子點(diǎn)的量子限域效應(yīng)和光學(xué)吸收減弱。目前的研究結(jié)果有助于更好地理解關(guān)于孿晶結(jié)構(gòu)的硅量子點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)以及對(duì)硅量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。
　　(2)提供了一種簡(jiǎn)易的制備水溶性硅量子點(diǎn)的方法。該方法基于硅量子點(diǎn)氫化硅烷化表面修飾

3、，并通過(guò)雙親性聚合物F127的自組裝作用，將烷基鈍化的硅量子點(diǎn)包覆在膠團(tuán)中。最終得到的硅量子點(diǎn)膠團(tuán)在水中具有非常好的分散性，并且和通過(guò)氫化硅烷化改性后的疏水性的硅量子點(diǎn)具有基本相同的熒光量子效率（~24％）。通過(guò)改變硅量子點(diǎn)和F127分子的數(shù)量比，可在5-100 nm范圍內(nèi)對(duì)硅量子點(diǎn)膠團(tuán)的尺寸進(jìn)行調(diào)控。該研究結(jié)果有助于促進(jìn)獨(dú)立的硅量子點(diǎn)在生物成像等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。
　　(3)制備了新型的硅量子點(diǎn)-石墨烯/硅光探測(cè)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，

4、旋涂在石墨烯表面的硅量子點(diǎn)會(huì)使石墨烯/硅肖特基結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)增加，同時(shí)還會(huì)降低光探測(cè)器表面對(duì)入射光的反射。硅量子點(diǎn)在電學(xué)和光學(xué)兩方面的貢獻(xiàn)使該光探測(cè)器顯示出在目前同類(lèi)器件中最高的響應(yīng)度（≈0.495 AW-1）、最短的響應(yīng)時(shí)間（≤25 ns）以及非常優(yōu)異的探測(cè)能力（≈7.4×109 Jones）。由于該光探測(cè)器的最高響應(yīng)度對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)約為877 nm，非常適合應(yīng)用于低功率集成電路，與垂直腔表面發(fā)射激光耦合。而在350~950 nm波段