复合量子点结构制造技术

一种复合量子点结构（４），包括电荷载流子限制区如量子点（２），阻挡（５）和导电层（３）。此结构允许导电层（３）的尺度基本上独立于区（２）的尺寸，使得由此可选择区（２）的尺度以便实现所需光学特性，而导电层（３）可具有足够的厚度来保证其可以得到可靠的沉积。该结构也可以包括包层（７）（图４）以便补偿阻挡（５）和导电层（３）之间化学亲合性的任何缺乏。可以提供这种结构的集合，其中量子点（１）具有不同的半径，但是导电层（３）的尺度和结构的总体尺度基本一致，以便例如用在配置成放大不同波长的光的放大器中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及量子点结构，其包括覆有导电材料层的量子点。
技术介绍
量子点具有在光电子装置如放大器、激光器、发光二极管、调制器和开关中的广泛的可能用途。它们的吸引力来自于它们的电子能量谱的离散特性，其减少了由热扰动所导致的低效，并且来自于可以通过化学组成和大小两者来设计所述谱的事实。由胶体化学制造的量子点具有通过使用表面活性剂或联结剂分子可能结合在一范围的基质材料中的进一步的吸引力；所述分子被选择为在其外端具有官能团，该官能团使量子点可溶于所选择的基质，如聚合物或玻璃。回顾大约一个世纪，在由于复合结构中的金属区存在而导致的电磁场的扭曲方面存在很多现有技术。具体地，Birnboim & Neeves(US 5023139)讲授了金属纳米粒子和覆有金属层及其变体的纳米粒子如何提供修改纳米粒子内或其附近的电场的手段，并且这样的效果可以有利地用在光电子装置中。电场的修改与相关于等离子体的谐振的存在紧密联系。RiceUniversity，Houston的一个研究组的一篇最近的论文[Science 302 419(2003)，17thOct]已经报告了制造二氧化硅-金-二氧化硅-金纳米粒子以及其等离子体相关的谐振频率的测量。虽然是以分子轨道理论的语言来表达的，此论文是当前对如何将标准的电磁理论应用到包含金属层的纳米结构的设计上的理解的一个实例。此标准理论应归于Mie和Debye(见例如Born &Wolf 1980，‘Principles of Optics’，Pergamon or Bohten & Huffman 1983，‘Absorption and Scattering of Light by Small Particles’Wiley)。但是，此现有技术将该材料考虑为连续的，而忽略了任何原子粒度，并且假定至少在原则上可以制造任意厚度的材料层，虽然事实上仅可获得原子或分子间间隔的整数倍。但是这对于将现有技术应用于使用纳米粒子或量子点的光电子装置是严重的阻碍。例如，假设人们想要使用现有技术使量子点内的电场最大，以便增加光学增益或光学泵浦束的效能。人们将考虑一个简单的实例，如图1中所示，其中量子点结构1由覆有诸如如贵金属(铜、银或金)的金属层3以便形成金属壳的量子点2构成，并且在偶极子近似中使用上面提到的标准电磁理论来计算由于其上入射的平面电磁波的存在而在量子点内建立的电场。现有量子点结构1的量子点2可以由半导体或绝缘体制成，如III-V或II-VI化合物，例如碲化汞或硫化汞。可以通过首先在胶体溶液中产生量子点2并且然后引入试剂以允许形成金属层来制造如图1中所示的结构。如果量子点2例如由碲化汞制成，那么人们将引入金盐和碲化氢来形成碲化金层，然后引入还原剂以将碲化金层转变为金。在图2中，表示有和没有金属层3的量子点2内的电场之比的平方的增强因子被绘制为δ(delta)的函数，其中δ表示金属层3的宽度与量子点2的半径之比。介电常数的典型值已经被用于计算该增强因子。对于基质介质，我们已经取介电常数3，典型地处于玻璃或聚合物基质的量值。对于量子点材料，我们已经取对于半导体的典型的介电常数12。以及对于金属层3，我们已经取-90+7.5i的介电常数，典型地是在电信波长(1300到1500nm)的贵金属的介电常数。但是，准确值是不重要的，因此曲线的主要特征，即在大约δ＝0.1的锐最大值，对于参数变化是非常鲁棒的。现在，为了获得量子点的所需特性，如它们在没有寿命效应(lifetimeeffect)等导致的能级变宽的情形下的离散能级(但是实际上是准离散的)，量子点半径典型地需要为5nm或以下。根据上面基于现有技术提出的结果，这意味着金属层仅需要为约0.5nm厚或以下。典型地，贵金属中的原子间隔是大约0.25nm。于是0.5nm厚的层对应于2个原子！如果人们试图同时优化由具有范围从2.5nm到5nm的半径的量子点的集合(ensemble)产生的增益，如针对例如最近的ITU粗波分复用标准中能够同时放大所有波长(大约400nm的范围)的量子点放大器，人们所希望做的那样，那么尽管金属的一个单层将使半径2.5nm的量子点中的电场最大，但对于所述集合中的其它量子点并不是这样。并且类似地，如果两个原子层沉积在所有量子点上，那么具有5nm半径的量子点将显示最佳增益，但是所述集合中的所有其它量子点将不会得到优化。因此不可能以这样的薄层来优化量子点的集合。以这样薄的层，人们已经失去了由现有技术所采用的设计中的至关重要的灵活性。并且这没有考虑到尤其是在制造中获得具有准确数量的单层的均匀层的难度，即使在原则上是可能的。对该问题的潜在解决方案是增加金属层3的半径，使谐振条件对应于使原子粒度不再是问题的层厚度，所述条件在上面的实例中典型地为近似等于其宽度的十倍的金属层3的内半径。但是仅通过例如十倍地增加量子点2的尺寸并不是一个选项，因为将损失量子点2中能级的有价值的量子化。
技术实现思路
保持量子点结构的所需特性同时仍然获得金属层3的好处的问题由本专利技术解决如下。根据本专利技术的第一方面，一种复合量子点结构包括由第一材料形成的电荷载流子限制区，由第一材料以外的第二材料形成并且设置成将电荷载流子限制在电荷载流子限制区内的阻挡，以及包围所述电荷载流子限制区和所述阻挡的导电材料层。例如，量子点结构可以包括量子点形式的电荷载流子限制区，其由所述第二材料的层所形成的阻挡包围，以便于该阻挡防止电子和/或空穴离开电荷载流子限制区。可替换地，量子点结构可以包括芯形式的阻挡，其由电荷载流子限制区包围。复合量子点结构允许导电材料层的内半径和外半径基本上独立于电荷载流子限制区的半径。因此可以选择电荷载流子限制区的尺度以便实现其所需光学特性，同时允许使用可以得到可靠沉积的厚度的导电材料层。复合量子点结构也允许提供结构的集合，其中电荷载流子限制区和阻挡的尺度在结构之间变化，使得该集合中的导电材料层的厚度以及结构的总体尺度基本一致。这样的集合可以用在配置成放大具有各种波长的光的量子点放大器中。该第一材料和/或第二材料可以是半导体。在第一和第二材料都是半导体的情形中，第二材料可以具有比第一材料宽的带隙。第一材料和/或第二材料可以是绝缘体。第一材料和/或第二材料可以是半绝缘体。可以提供一包层，相邻于导电材料层的内半径而设置。该包层可以补偿导电材料和相邻材料之间，换句话说第一或第二材料之间的化学亲合性的任何缺乏，这依赖于电荷载流子限制区或阻挡是否与导电层相邻。该包层可以由半导体材料、绝缘材料或半绝缘材料形成。可以提供多个包层，其中所述包层的至少两个由不同材料形成。导电材料可以是金属，如贵金属。量子点结构可以是基本球形对称的。在电荷载流子限制区是量子点并且由阻挡包围的情况下，导电材料层的内半径可以近似为量子点半径的十倍。在电荷载流子限制区是量子点并且由阻挡包围的基本球形对称的结构中，量子点可以具有5nm或更小的半径。这方面也提供了包括一个或多个所述量子点结构的光学放大器、激光器、发光二极管和光学开关。根据本专利技术的第二方面，一种产生复合量子点结构的方法，包括；提供由第一材料形成的电荷载流子限制区，提供设置成将电荷载流子限制到所述电荷载流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合量子点结构，包括：电荷载流子限制区，由第一材料形成；阻挡，由所述第一材料以外的第二材料形成并且设置成将电荷载流子限制在所述电荷载流子限制区内；以及导电材料层，包围所述电荷载流子限制区和所述阻挡。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB 2004-2-27 0404442.61.一种复合量子点结构，包括电荷载流子限制区，由第一材料形成；阻挡，由所述第一材料以外的第二材料形成并且设置成将电荷载流子限制在所述电荷载流子限制区内；以及导电材料层，包围所述电荷载流子限制区和所述阻挡。2.如权利要求1的量子点结构，其中所述第一材料是半导体。3.如权利要求1或2的量子点结构，其中所述第二材料是半导体。4.如附加到权利要求2的权利要求3的量子点结构，其中所述第二材料具有比所述第一材料宽的带隙。5.如权利要求1或3的量子点结构，其中所述第一材料是绝缘体。6.如权利要求1或2的量子点结构，或者如附加到权利要求1的权利要求5的量子点，其中所述第二材料是绝缘体。7.如权利要求1或3的量子点结构，或者如附加到权利要求1的权利要求6的量子点，其中所述第一材料是半绝缘体。8.如权利要求1或2的量子点结构，或者如附加到权利要求1的权利要求7的量子点，其中所述第二材料是半绝缘体。9.如权利要求1的量子点结构，其中所述第一材料是绝缘体并且所述第二材料是半绝缘体。10.如前面权利要求的任何一项的复合量子点结构，其中所述阻挡包围所述电荷载流子限制区。11.如前面权利要求的任何一项的复合量子点结构，其中所述电荷载流子限制区包围所述阻挡。12.如权利要求10的量子点结构，还包括位于所述阻挡和所述导电材料层之间的包层。13.如权利要求11的量子点结构，还包括位于所述电荷载流子限制区和所述导电材料层之间的包层。14.如权利要求12或13的量子点结构，其中所述包层由半导体材料形成。15.如权利要求12或13的量子点结构，其中所述包层由绝缘材料形成。16.如权利要求12或13的量子点结构，其中所述包层由半绝缘材料形成。17.如权利要求12到16的任何一项的量子点结构，包括多个包层，其中所述包层中的至少两个由不同材料形成。18.如权利要求1到17的任何一项的量子点结构，其中所述导电材料是金属。19.如权利要求18的量子点结构，其中所述金属是贵金属。20.如前面权利要求的任何一项的量子点结构，其基本球形对称。21.如附加到权利要求10的权利要求20的量子点结构，其中所述阻挡的外半径是所述电荷载流子限制区的半径的近似十倍。22.如附加到权利要求10或附加到权利要求21时的权利要求20的量子点结构，其中所述电荷载流子限制区具有5nm或以下的半径。23.一种光学放大器，包括一个或多个如前面权利要求的任何一项的量子点结构。24.一种激光器，包括一个或多个如权利要求1到23的任何一项的量子点结构。25.一种发光二极管，包括一个或多个如权利要求1到23的任何一项的量子点结构。26.一种光学开关，包括一个或多个如权利要求1到23的任何一项的量子点结构。27.如权利要求1到22的任何一项的量子点结构的集合，其中所述量子点结构中的至少第一量子点结构包括具有第一尺度的电荷载流子限制区和具有第二尺度的阻挡；所述量子点结构中的至少第二量子点结构包括具有第三尺度的电荷载流子限制区和具有第四尺度的阻挡，所述第三尺度不同于所述第一尺度并且所述第四尺度不同于所述第二尺度；并且所述第一和第二量子点结构的导电材料层具有基本相同的尺度。28.一种产生复合量子点结构的方法，包括提供由第一材料形成的电荷载流子限制区；提供设置成将电荷载流子限制到所述电荷载流子限制区、由第一材料以外的第二材料形成的阻挡；以及提供包围所述电荷载流子限制区和所述阻挡的导电材料层...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔G伯特，
申请(专利权)人：特拉克达尔有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]