硅量子點的性能研究與應用.pdf

1、硅量子點由于具有獨特的光學性能、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、納米催化等很多領域有著巨大的應用潛力，從而成為目前國際硅材料研究的前沿領域。但是，目前硅量子點也存在一些亟待解決的問題，如理論研究不足、水溶性差、應用研究相對滯后等。
　　本論文研究了硅量子點的冷等離子體制備、表面改性、性能以及光探測器、發(fā)光二極管等器件的構建，通過第一性原理計算，探索了硅量子點中的孿晶對其的電子結構和光學性能的影響

2、。其主要創(chuàng)新性結果如下：
　　(1)運用密度泛函理論研究了孿晶結構的硅量子點，包括單孿晶和五重孿晶。結果表明，孿晶結構的硅量子點從熱力學角度看是可以形成的，且孿晶結構可以增強硅量子點的穩(wěn)定性。但是，孿晶的存在使得硅量子點的量子限域效應和光學吸收減弱。目前的研究結果有助于更好地理解關于孿晶結構的硅量子點的實驗以及對硅量子點的結構進行調控。
　　(2)提供了一種簡易的制備水溶性硅量子點的方法。該方法基于硅量子點氫化硅烷化表面修飾

3、，并通過雙親性聚合物F127的自組裝作用，將烷基鈍化的硅量子點包覆在膠團中。最終得到的硅量子點膠團在水中具有非常好的分散性，并且和通過氫化硅烷化改性后的疏水性的硅量子點具有基本相同的熒光量子效率（~24％）。通過改變硅量子點和F127分子的數量比，可在5-100 nm范圍內對硅量子點膠團的尺寸進行調控。該研究結果有助于促進獨立的硅量子點在生物成像等領域的實際應用。
　　(3)制備了新型的硅量子點-石墨烯/硅光探測器。實驗結果表明，

4、旋涂在石墨烯表面的硅量子點會使石墨烯/硅肖特基結的內建電勢增加，同時還會降低光探測器表面對入射光的反射。硅量子點在電學和光學兩方面的貢獻使該光探測器顯示出在目前同類器件中最高的響應度（≈0.495 AW-1）、最短的響應時間（≤25 ns）以及非常優(yōu)異的探測能力（≈7.4×109 Jones）。由于該光探測器的最高響應度對應的入射光波長約為877 nm，非常適合應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