基于量子点的光纤荧光测温系统研究【字数：10525】
量子点是一种重要的低维半导体材料，其光致荧光的温变依赖特性可以应用到温度测量中。量子点测温作为一个新的测温方式，相比较于传统的温度计，它适合于特殊环境下（长距离、狭窄、高电压 、大电流 、强磁场等），给我们测量温度提供了多一条选择。实验方案如下将量子点混入UV胶，经紫外灯照射，镀到光纤端面，选择适合的掺杂浓度的量子点，以及合适的光纤尺寸，制作量子点温度探头。还要考虑光源的波长、光源的驱动方式，还有光源的功率。本测温系统量子点荧光随温度变化范围理论为-200℃-300℃，UV胶的耐热一般在100℃，而本实验用的恒温仪器控制温度范围在20℃至100℃。试验的原理是量子点光致发光谱的温变效应。实验结果表明，在30℃-100℃温度变化范围内，掺 Cd Se/Zn S 量子点光子晶体光纤的发射光谱强度随着温度的增加而逐渐减小，峰值强度与温度成指数关系，实验得到的测量结果与理论分析一致。同时也注意到荧光光谱峰值波长随温度的升高向长波方向移动。我们设计了一种光纤端面镀量子点的反射式荧光温度传感器，此传感器由发射波长405nm的激光器、耦合器和掺杂量子点的光纤等主要器件构成,其动态响应快、性价比高、操作简单。
目录
1.绪论 1
1.1 量子点 1
1.1.1 量子点的定义 1
1.1.2 量子点的种类和结构 2
1.1.3 量子具有的特殊效应 2
1.1.4 量子点的应用 3
1.2 量子点温度传感器的研究现况及趋势 4
2. 量子点的荧光原理 5
2.1 电子的能级跃迁 5
2.2 激子态发光 5
2.3 表面态发光 5
2.4 杂质能级发光 6
2.5 量子点发光和激发光功率的关系 6
2.6 小结 7
3. 量子点荧光谱峰值强度与温度的关系 8
3.1 理论证明 8
3.2 小结 9
4. 基于镀Cd Se/Zn S量子点的光纤荧光温度传感特性研究 10
4.1 量子点光纤荧光温度探头的制备 10
4.1.1 量子点的选取 10
4.1.2 光纤尺寸的选取 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
4.1.3 量子点光纤荧光温度探头的制备过程 11
4.2 光源的设计 13
4.3 量子点光纤荧光测温实验和分析 14
4.3.1 量子点光纤荧光测温实验器材的搭建 14
4.3.2 量子点光纤荧光测温实验的分析 15
5.结论与展望 17
5.1 结论 17
5.2 展望 17
参考文献 18
致谢 19
1.绪论
温度传感器在加工冶金、钢铁制造、医疗、高压电气、航空航天等特殊行业的应用前景广阔， 随着光纤荧光温度传感器不断地研发更新，距离光纤温度传感器的第一次提出已有三十多年。但新的物质、材料也随时间不断被发现，本课题的提出就是基于量子点光致荧光温度变化依赖特性。作为一种新型半导体材料，量子点已经可以广泛应用于光开关[1]、光纤放大器[2]、显示、医学、生物学等领域。并且在传感器方面量子点也有突出的表现，有气体传感器、光学传感器、图像传感器等，本实验研究的就是其中的温度传感器，量子点温度传感器的优势在于响应时间短、测温速率快、可选择温度范围大、精确度高。我们的目的就是寻找一种测温更加准确、动态响应更快、能够在其它测温器件不能正常工作的特殊环境（空间狭小、无法直接接触、有电磁干扰等）下测温的方法。
1.1 量子点
量子点的半径在110nm范围内，它是一种低维半导体并且三个维度的大小都比其激子波尔半径的两倍小，多由ⅡⅥ族ⅢⅤ族的元素组成。常见的有硅量子点、锗量子点、硫化镉量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、硒化锌量子点等。
量子点作为一种重要的新型半导体，其研究的价值在于它的许多特殊的效应，尺寸效应、干涉效应、 表面效应等使得量子点在医疗、显示、生物、传感等许多方面有突出的贡献。
1.1.1量子点的定义
图11三种维度的量子点的态密度对比
图11是量子点三种维度的态密度对比，量子阱的态密度阶梯向上，量子线的态密度是连续的脉冲状，而量子点的的态密度呈分立的脉冲。由图可以直观的看到面、线、点三种维度的态密度差异。量子阱阶梯向上的原因是三维中有一个维度被压缩，电子在另两个维度上自由运动。量子线的连续脉冲是因为其三维有两个维度被压缩，电子在唯一的维度上运动。而量子点则是三个维度同时被压缩，电子无法运动，因此成分立的状态。
1.1.2 量子点的种类和结构
1.1.2.1 量子点的种类
量子点作为一种新型的材料，目前还在不断地研究阶段，就现在资料来看有很多不同类型的量子点。首先从形状来看，有球形、锥形、柱形等等。从大小来看，尺寸大于其玻尔半径称为弱约束型量子点，尺寸小于其玻尔半径称为强约束型量子点，尺寸等于其玻尔半径的称为中等约束型量子点。还有如果是半导体元素组成的称为元素半导体量子点，如果是化合物组成的称为化合物量子点，如果是半导体异质结组成的称为异质结量子点。
1.1.2.2 量子点的结构
目前由于量子点制作工艺还未完备，主要组成元素集中在ⅡⅥ族、ⅢⅤ族、ⅣⅥ族。核结构、核+壳结构、核+壳+壳结构这三种是现在主要的量子点结构。我们能够购买的量子点多用试剂的形式保存，试剂多为有机溶剂。本实验的量子点是cdse/zns核+壳结构。核+壳结构的量子点由于有内外两种材料组成，两种材料互补不足，使量子点表面更加完整。
1.1.3 量子具有的特殊效应
1.1.3.1 量子点的尺寸效应
物质的尺寸不断减小会导致其性质发生改变，量子点也具有这种效应，其表现为如果量子点的尺寸[3]不断减小甚至达到纳米量级时，其中的电子运动就会受到限制，电子与电子之间互相干扰，产生了激子吸收带。当尺寸更小时，这种激子吸收带越大，产生的吸收能量越大，本来处于低能级的电子空穴对向更高的能级移动，靠近金属费米能级的电子能级不再是能带理论中连续的，而是变成一段一段分立的能级。一旦量子点的尺寸小于或者约等于电子的平均自由程时，量子点的尺寸效应就不可以忽视。
1.1.3.2 量子点的表面效应
在宏观中，球的表面积和它直径的平方成正比，球的体积和它直径的立方成反比。这一公式在微观的球形量子点上一样适用。如果球形量子点的直径变小，比表面积即表面积与体积的比呈指数增大，说明表面原子所占的比重将会显著地增加。而量子点的尺寸很小，多为纳米量级，在我们实际环境里，绝大多数的原子都吸附在量子点的表面，尺寸越小比表面积越大[4]。这就会导致量子点表面的原子配位不足，有很多不饱和键、悬键，这些不饱和键和悬键使得量子点活性很高，易于其他原子反应，这会对量子点的荧光发射谱产生影响。
1.1.3.3 量子点的库伦阻塞效应
目录
1.绪论 1
1.1 量子点 1
1.1.1 量子点的定义 1
1.1.2 量子点的种类和结构 2
1.1.3 量子具有的特殊效应 2
1.1.4 量子点的应用 3
1.2 量子点温度传感器的研究现况及趋势 4
2. 量子点的荧光原理 5
2.1 电子的能级跃迁 5
2.2 激子态发光 5
2.3 表面态发光 5
2.4 杂质能级发光 6
2.5 量子点发光和激发光功率的关系 6
2.6 小结 7
3. 量子点荧光谱峰值强度与温度的关系 8
3.1 理论证明 8
3.2 小结 9
4. 基于镀Cd Se/Zn S量子点的光纤荧光温度传感特性研究 10
4.1 量子点光纤荧光温度探头的制备 10
4.1.1 量子点的选取 10
4.1.2 光纤尺寸的选取 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
4.1.3 量子点光纤荧光温度探头的制备过程 11
4.2 光源的设计 13
4.3 量子点光纤荧光测温实验和分析 14
4.3.1 量子点光纤荧光测温实验器材的搭建 14
4.3.2 量子点光纤荧光测温实验的分析 15
5.结论与展望 17
5.1 结论 17
5.2 展望 17
参考文献 18
致谢 19
1.绪论
温度传感器在加工冶金、钢铁制造、医疗、高压电气、航空航天等特殊行业的应用前景广阔， 随着光纤荧光温度传感器不断地研发更新，距离光纤温度传感器的第一次提出已有三十多年。但新的物质、材料也随时间不断被发现，本课题的提出就是基于量子点光致荧光温度变化依赖特性。作为一种新型半导体材料，量子点已经可以广泛应用于光开关[1]、光纤放大器[2]、显示、医学、生物学等领域。并且在传感器方面量子点也有突出的表现，有气体传感器、光学传感器、图像传感器等，本实验研究的就是其中的温度传感器，量子点温度传感器的优势在于响应时间短、测温速率快、可选择温度范围大、精确度高。我们的目的就是寻找一种测温更加准确、动态响应更快、能够在其它测温器件不能正常工作的特殊环境（空间狭小、无法直接接触、有电磁干扰等）下测温的方法。
1.1 量子点
量子点的半径在110nm范围内，它是一种低维半导体并且三个维度的大小都比其激子波尔半径的两倍小，多由ⅡⅥ族ⅢⅤ族的元素组成。常见的有硅量子点、锗量子点、硫化镉量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、硒化锌量子点等。
量子点作为一种重要的新型半导体，其研究的价值在于它的许多特殊的效应，尺寸效应、干涉效应、 表面效应等使得量子点在医疗、显示、生物、传感等许多方面有突出的贡献。
1.1.1量子点的定义
图11三种维度的量子点的态密度对比
图11是量子点三种维度的态密度对比，量子阱的态密度阶梯向上，量子线的态密度是连续的脉冲状，而量子点的的态密度呈分立的脉冲。由图可以直观的看到面、线、点三种维度的态密度差异。量子阱阶梯向上的原因是三维中有一个维度被压缩，电子在另两个维度上自由运动。量子线的连续脉冲是因为其三维有两个维度被压缩，电子在唯一的维度上运动。而量子点则是三个维度同时被压缩，电子无法运动，因此成分立的状态。
1.1.2 量子点的种类和结构
1.1.2.1 量子点的种类
量子点作为一种新型的材料，目前还在不断地研究阶段，就现在资料来看有很多不同类型的量子点。首先从形状来看，有球形、锥形、柱形等等。从大小来看，尺寸大于其玻尔半径称为弱约束型量子点，尺寸小于其玻尔半径称为强约束型量子点，尺寸等于其玻尔半径的称为中等约束型量子点。还有如果是半导体元素组成的称为元素半导体量子点，如果是化合物组成的称为化合物量子点，如果是半导体异质结组成的称为异质结量子点。
1.1.2.2 量子点的结构
目前由于量子点制作工艺还未完备，主要组成元素集中在ⅡⅥ族、ⅢⅤ族、ⅣⅥ族。核结构、核+壳结构、核+壳+壳结构这三种是现在主要的量子点结构。我们能够购买的量子点多用试剂的形式保存，试剂多为有机溶剂。本实验的量子点是cdse/zns核+壳结构。核+壳结构的量子点由于有内外两种材料组成，两种材料互补不足，使量子点表面更加完整。
1.1.3 量子具有的特殊效应
1.1.3.1 量子点的尺寸效应
物质的尺寸不断减小会导致其性质发生改变，量子点也具有这种效应，其表现为如果量子点的尺寸[3]不断减小甚至达到纳米量级时，其中的电子运动就会受到限制，电子与电子之间互相干扰，产生了激子吸收带。当尺寸更小时，这种激子吸收带越大，产生的吸收能量越大，本来处于低能级的电子空穴对向更高的能级移动，靠近金属费米能级的电子能级不再是能带理论中连续的，而是变成一段一段分立的能级。一旦量子点的尺寸小于或者约等于电子的平均自由程时，量子点的尺寸效应就不可以忽视。
1.1.3.2 量子点的表面效应
在宏观中，球的表面积和它直径的平方成正比，球的体积和它直径的立方成反比。这一公式在微观的球形量子点上一样适用。如果球形量子点的直径变小，比表面积即表面积与体积的比呈指数增大，说明表面原子所占的比重将会显著地增加。而量子点的尺寸很小，多为纳米量级，在我们实际环境里，绝大多数的原子都吸附在量子点的表面，尺寸越小比表面积越大[4]。这就会导致量子点表面的原子配位不足，有很多不饱和键、悬键，这些不饱和键和悬键使得量子点活性很高，易于其他原子反应，这会对量子点的荧光发射谱产生影响。
1.1.3.3 量子点的库伦阻塞效应
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