（理论物理专业论文）纳米结构中的能量转移机制研究.pdf

南开大学学位论文原创性声明 f l i i i i f | l | | | i l i j i i f i i i | | ij | i i | 舢 、t17 9 812 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 斗辱 k 扩年5 月夕日 南开大学硕士学位论文 纳米结构中的能量转移机制研究 r e s e a r c ho n e n e r g yt r a n s f e rm e c h a n i s m s i nn a n o s t r u c t u r es ( 申请硕士学位) 姓名：牛晖 年级：二零零五级 专业：理论物理 研究方向：凝聚态物理 指导教师：徐章程教授 陈省身数学研究所 南开大学 天津 二零零八年五月 摘要 摘要 本文详细研究了纳米体系中的能量转移问题。纳米微结构的研究是现代凝聚 态理论和实验的发展前沿之一。纳米体系的能量转移在现代信息技术和生物技术 中均有广泛应用。 第一章首先介绍了纳米结构的分类和应用。根据量子限制的维度不同，纳米 基本结构包括：量子阱，量子线和量子点。介绍了能量转移的背景知识，纳米体 系中能量转移的类型和能量转移的五个基本步骤。 第二章着重介绍共振能量转移这种重要机制的原理。电偶极子近似是f 6 s t e r 共 振能量转移机制的基础，文中给出了详细的理论计算。d e x t e r 能量转移机制是自 旋交换相互作用的体现。最后，从与实验结合的角度，叙述了纳米体系能量转移 的实验检测常用方法：荧光光谱光致发光谱和光致发光激发谱及它们的原理。 第三章作为第二章内容的具体化，逐例讨论了有机无机杂交体系中的能量 泵浦，i n a s z n s e 核壳纳米晶量子点至l j i n g a s n 量子阱和g a a s 基底的能量转移，量 子点间的能量转移，以及耦合量子线间的能量转移。 第四章介绍了掠入射小角度x 射线散射的原理，形状因子和散射截面的计算 和数值结果比较。 关键词：纳米结构，能量转移，有机无机混合系统，激子，纳米晶，量子阱， 量子点，量子线，掠入射小角度x 射线散射 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sw o r ks t u d i e st h ee n e r g yt r a n s f e rm e c h a n i c si nn a n o s t r u c t u r e s r e s e a r c ho f n a n om i c r o s t r u c t u r e si so n eo ft h eh o t t e s tf r o n t i e ri nm o d e mc o n d e n s e dm a t t e rt h e o r i e s a n de x p e r i m e n t s e n e r g yt r a n s f e rm e c h n i c si nn a n o s t r u c t u r e sh a sw i d ea p p l i c a t i o ni n m o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n db i o l o g i c a lt e c h n o l o g y c l a s s i f i c a t i o no fn a n o s t r u c t u r e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o na r ei n t r o d u c e di nt h ef i r s t c h a p t e r q u a n t u mc o n f i n e m e n t o nd i f f e r e n td i m e n s i o n sr e s u l t si nd i f f e r e n tb a s i cn a n o s t r u c t u r e s ：q u a n t u mw e l l ，q u a n t u mw i r e s ，a n dq u a n t u md o t s b a c k g r o u n da n dc l a s s i f i - c a t i o no fe n e r g yt r a n s f e r , a n ds t e p so fe n e r g yt r a n s f e ra r ea l s os t a t e d c h a p t e rt w oe m p h a s i z e so nt r a n s f e rm e c h a n i s mo fe l e c t r o n i ce x c i t a t i o ne n e r g y t h ed i p o l e d i p o l ea p p r o x i m a t i o ni st h eb a s i so ff f s t e rr e s o n a n te n e r g yt r a n s f e r , a n d d e t a i l e dc a l c u l a t i o ni sg i v e no nt h i s d e x t e re n e r g yt r a n s f e rr e s u l t sf r o ms p i ne x c h a n g e i n t e r a c t i o n f i n a l l y , e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s w f l u o r e s c e n c e ，p h o t o l u m i n e s c e n c e ， a n dp h o t o l u m i n e s c e n c ee x c i t a t i o n ，a n dt h e i rp r i n c i p l e sa r es i m p l ei n t r o d u c e d t ob em o r es p e c i f i c ，i nt h ec h a p t e rt h r e e ，w ed i s c u s ss o m ee x a m p l e s t h ee n e r g y p u m p i n g i no r g a n i c i n o r g a n i ch y b r i ds y s t e m ，e n e r g yt r a n s f e rf r o mt h e i n a s z n s ec o r e s h e l l n a n o c r y s t a lq u a n t u md o t st og a a ss u b s t r a t ew i t ha i n g a a sn e a rs u r f a c eq u a n t u mw e l l ， e n e r g yt r a n s f e ri nq u a n t u md o t s ，a n de n e r g yt r a n s f e ri nc o u p l e dq u a n t u mw i r e sa r e d i s c u s s e do n eb yo n e i nt h ec h a p t e rf o u r , w er e v i e wt h ep r i n c i p l eo fg r a z i n g i n c i d e n c es m a l l - a n g l e x r a ys c a t t e r i n g w ea l s oc a l c u l a t et h ef o r mf a c t o ro fa n ds c a t t e r i n gf a c t o r , a n dg e t n u m e r i c a lr e s u l t s k e y w o r d s ：n a n os t r u c t u r e s ，e n e r g yt r a n s f e r , h y b r i do r g a n i c i n o r g a n i cs y s t e m s ， e x c i t o n s ，n a n o c r y s t a l ，q u a n t u mw e l l s ，q u a n t u m w i r e s ，q u a n t u md o t s ，g r a z i n gi n c i d e n c e s m a l l a n g l ex - r a ys c a t t e r i n g ，备6 j eo fc o n t e n t s t a b l eo fc o n t e n t s 摘要i a b s t r a c t i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 2 1 1 n a n os t r u c t u r e s 2 1 2e n e r g yt r a n s f e r 3 c h a p t e r2t r a n s f e rm e c h a n i s m so fe l e c t r o n i ce x c i t a t i o ne n e r g y 6 2 1 g e n e r a lp r i n c i p l e so fr e s o n a n c ee n e r g yt r a n s f e r 6 2 2 e l e c t r o n i cd i p o l e - d i p o l ei n t e r a c t i o na n df 6 r s t e re n e r g yt r a n s f e rm e c h a n i s m 7 2 3e x c h a n g ee f f e c t sa n dd e x t e re n e r g yt r a n s f e rm e c h a n i s m1 l 2 4e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t sf o re l e c t r o n i ce x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e r 12 c h a p t e r3e l e c t r o n i ce n e r g yt r a n s f e ri nn a n os r u c t u r e s 1 5 3 1 e n e r g y t r a n s f e rp u m p i n g i no r g a n i c i n o r g a n i ch y b r i ds y s t e m1 5 3 2e n e r g yt r a n s f e rf r o mt h ei n a s z n s ec o r e s h e hn a n o c r y s t a lq u a n t u m d o t st og a a ss u b s t r a t ew i t hai n g a a sn e a rs u r f a c eq u a n t u mw e l ll8 3 3e n e r g et r a n s f e r i nq u a n t u md o t s 2 0 3 4e n e r g y t r a n s f e r i n c o u p l e d q u a n t u m w i r e s 2 1 c h a p t e r4s o m ew o r k o nt h eg r a z i n g - i n c i d e n c es m a l l - a n g l ex - r a ys c a t - t e r i n g ：- 2 3 c h a p t e r5p e r s p e c t i v e s 3 1 a c k n o w l e d g e m e n t 3 2 b i b l i o g r a p h y 3 3 个人简历3 4 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n2 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 n a n os t r u c t u r e s m a n m a d ei i l i c r o s t r u c t u r e sm a r k e dt h en e we r ao fs c i e n t i f i cr e s e a r c ho ne l e c t r o n i c s t r u c t u r e so fl o wd i m e n s i o na n dh a v er e s u l t e di nar a p i dd e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o n t e c h n o l o g y w h e nt h ec h a r a c t e rl e n g t h so fm a n - m a d em i c r o s t m c t u r e sa r ec o m p a r a 。 b l et ot h ef e r m il e n g t h ，t h ec o n f i n e m e n tc o u l dr e s u l ti ns t r o n gq u a n t u me f f e c t s a t t h eb e g i n n i n go ft h e19 7 0 s e l e c t r o n i cs t r u c t u r e so fd i m e n s i o ni sl i m i t e dt ot w o ，s o c a l l e dq u a n t u mw e l l s t h eq u a n t u mw e l li sav e r yt h i n ，f i a tl a y e ro fs e m i c o n d u c t o r s a n d w i c h e db e t w e e nt w ol a y e r so fa n o t h e rs e m i c o n d u c t o rw i t hah i g h e rc o n d u c t i o n b a n de n e r g y t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec o n d u c t i o n b a n de n e r g i e so ft h et w om a t e - r i a l sb i n d st h ee l e c t r o n si nt h et h i nl a y e r t h em o t i o no fe l e c t r o n sb o u n di nal a y e r a st h i na ss e v e r a lc r y s t a l l i n em o n o l a y e r si st w o d i m e n s i o n a l ，a n dt h ee x c i t a t i o n si nt h e p e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o na r es t r o n g l yq u a n t i z e d t h en e w , u n u s u a lp r o p e r t i e so fq u a s i t w o d i m e n s i o n a ls y s t e m sa l s og a v eb i r t ht om a n yb r e a k t h r o u g h si nh u m a nh i s t o r y , s u c h a st h ei n t e g e rq u a n t u mh a l le f f e c ta n df r a c t i o n a lq u a n t u mh a l le f f e c t i nt h e 19 8 0 s ，t h e r a p i dp r o g r e s si nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yv e r ya c c u r a t el i t h o g r a p h i ct e c h n i q u e s ，m a d e i t p o s s i b l et oc o n f i n ee l e c t r o n si naq u a s i o n e d i m e n s i o n a ls t r u t u r e s ，t h eq u a n t u mw i r e c o m p l e t eq u a n t i z a t i o no ft h ee l e c t r o n sf r e em o t i o ni si m p l e m e n t e db yt r a p p i n g i ti n aq u a s i z e r o d i m e n s i o n a lq u a n t u md o t d u et ot h es t r o n gc o n f i n e m e n ti m p o s e di na l l t h r e es p a t i a ld i m e n s i o n s ，q u a n t u m d o ts y s t e m sa r es i m i l a rt oa t o m sa n dt h e r e f o r ea r e f r e q u e n t l yr e f e r r e dt oa st h ea r t i f i c i a la t o m s , s u p e r a t o m s , o rq u a n t u m 。d d fa t o m sq u a n 。 t u md o t se x h i b i ts t r o n g l ys i z e d e p e n d e n to p t i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s t h ea b i l - i t yt oj o i nt h ed o t si n t oc o m p l e xa s s e m b l i e sc r e a t sm a n yo p p o r t u n i t i e sf o rs c i e n t i f i c d i s c o v e r y 1 s u c hn a n o s t r u c t u r e sa r ea tt h ec o r eo ft h ee m e r g i n gn a n o t e c h n o l o g ya tt h ei n t e r - s e c t i o no ft h ei n f o r m a t i o na n db i o l o g i c a ls c i e n c e s a p p l i c a t i o n sr a n g ef r o ma n do p t o e l e c n 0 n i cd e v i c e s ( t r a n s i s t o r s ，r e s o n a n tt u n n e l i n gd i o d e s ，l i g h te m i t t i n gd i o d e s ，l a s e r s ， 甸矽 f i g u r e1 1 匿苎 1 d 圆 拳貉 a n d 出吐e c t o r s ) f o ri n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，a n dc o m p u t i n g t ob i o c h e m - i c a ls e n s o r sa n di n t e l l i g e n tb i o m i m e t i cc o a t i n g sf o rn e u r a lp r o s t h e s e s 姐2 1b a c k g r o u n d 1 2e n e r g yt r a n s f e r f o ra 1 1i s 0 1 a t e dm o l e c u l ei na l le l e c t r o n i c a l l ye x c i t e ds t a t e ，t h em e c h a n i s m o fr e 。 l a x a t i o ni sp r i m a r i l yr a d i a t i v e t h em o l e c u l ef l u o r e s c e si nt h ep r o c e s so f r e t u r n i n g t ot h e 舯u n ds t a t e t h i sp i c t u r ea l s oa p p l i e st od i l u t es o l u t i o n so fd y e m o l e c u l e ss u r r o u n d e d b ys o l v e n tm o l e c u l e s i nm o r ec o n c e n t r a t e ds o l u t i o n s ，o t h e rr e l a x a t i o np a t h w a y s e x i s t w l l i c ha r i s ef r o mi n t e r m o l e c u l a ri n t e r a c t i o n sb e t w e e nd y em o l e c u l e s o n d i s t a n c e s c a l e so f1 0 1 0 0 a ，t h em o t i o no fe l e c t r o n si nt h ee x c i t e d e l e c t r o n i cs t a t eo no n em o l e 。 c u l ec a i le ) 【e nac o u l o m bf o r c eo na n o t h e r , a l l o w i n gt h ee x c i t a t i o nt o ”h o p ”f r o mo n e m o l e c u l et oa n o m e r t h ei n i t i a l l ye x c i t e dm o l e c u l ei sr e f e r r e dt oa st h ed o n o r ( d ) ，a n d t h ee n e r g yh o pt ot h ea c c e p t o rm o l e c u l a r ( a ) t h i sp r o c e s s ，r e f e rt oa se n e r g yt r a n 8 t e r ， i ss h o w ns c h e m a t i c a l l ya s d + + a d + a 4 ( 1 1 ) w h e r en l e 船t e r i s ki m p l i e se l e c t r o n i ce x c i t a t i o n t h u s ，r e l a x a t i o no ft h ed o n o r t ot h e g r o u n de l e c t r o n i cs t a t e i sa c c o m p a n i e db ye x c i t a t i o no ft h ea c c e p t o r t oi t se x c i t e de l e c - 缸伽i cs t a t e t h ea c c e p t o rt h e nf i n a l l yr e l a x e st oi t sg r o u n ds t a t e ，t y p i c a l l yb yf l u o _ l量l童藿t重lll五h n n k 巍伯 _k 厂一 l 乏 浏 、l 匕嚣 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n4 r e s c e n c e ac o m p l e t ed e s c r i p t i o no ft h i sp r o c e s si sq u a n t u mm e c h n i c a l ，b u tc l a s s i c a l m o d e l sp r o v i d em o s to ft h ei n f o r m a t i o nt h a tw en e e dt ob u i l da p h y s i c a lp i c t u r eo ft h i s p r o c e s s 1 2 2 p o s s i b l ee n e r g yt r a n s f e rm e c h a n i s m si nn a n os t r u c t u r e s g e n e r a l l ys p e a k i n g ，e l e c t r o n i ce x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e ri sd i v i d e di n t ot w oc a t a 1 0 9 u e s ：r a d i a t i v ea n dn o n r a d i a t i v e t h er a d i a t i v ec o u p l i n g ，k n o w na st h et r i v i a lm e c h a n i s mo rt w os t e pm e c h a n i s m ，r e p r e s e n t st h ee m i s s i o no fe n e r g yf r o mt h ed o n o rf o l l o w e d b yt h ea b s o r p t i o no ft h ee n e r g yb yt h ea c c e p t o r t h en o n - r a d i a t i v ee n e r g yt r a n f e ri n c l u d et w of o r m s ：f 6 r s t e re n e r g yt r a n s f e ra n dd e x t e re n e r g yt r a n s f e r f s r s t e r ，c o u t o m b t c l o n gr a n g e - 3 0 t 0 0 五j d a s l i g 住了s i h g l 盯 碱4 s f l 最o l i l y d e x t e r ，e - e x c h a n g e ( s h o r tr a n g e - 6 - 2 0 矗 舻幺： 钳事二茹肛 d 。a 彩诮咐s i i i g l 俅e t ，p - s 婀f f l g t l e 融t 滔8 ：f 敬 + 十 f i g u r e1 2 t h ee n t i r et r a n s f e rp r o c e d u r ec o n s i s t so ff i v es t a g e s ： ( 1 ) a b s o r p t i o no fap h o t o no fe n e r g ye 0b yt h ed o n o r ； ( 2 ) r e l a x a t i o no ft h el a t t i c es u r r o u n d i n gt h ed o n o rb ya na m o u n ts u c ht h a tt h ea v a i l a b l e e l e c t r o n i ce n e r g yi nar a d i a t i v et r a n s i t i o nf r o mt h ed o n o ri se 1 e 0 ； ( 3 ) t r a n s f e ro fe n e r g ye 1t ot h ea c c e p t o r ； ( 4 a ) r e l a x a t i o na r o u n dt h ea c c e p t o rs u c ht h a tt h ea v a i l a b l ee l e c t r o n i ce n e r g yi nar a d i a - c h a p t e r1 i n t r o d u c f i o n 5 f i v et r a n s i t i o ni s 岛 - _ _ c k j c 、 仂 d f r e q u e n c y ， f i g u r e2 1 s t o k e ss h i f t t h es e n s i t i z e ra n da c c e p t o r g e n e r a l i z a t i o no ft h i st h e o r yf o rt r a n s i t i o nf o r b i d d e ne i t h e r b ys y m m e t r yo rb ys p i ni n t e r c o m b i n a t i o nh a v eb e e nd e v e l o p e db yd e x t e r 4 i ns u c h c a s e s ，t h et r a n s f e rr a t ed e c r e a s e sw i t hah i g h e rn e g a t i v ep o w e ro ft h ed i s t a n c e ，a n dt h e c d t i c a lt r a n s f e rd i s t a n c ei sl e s st h a nf o ra l l o w e dt r a n s i t i o n 2 2 e l e c t r o n i cd i p o l e - d i p o l ei n t e r a c t i o na n df 6 r s t e re n e r g y t r a n s f e rm e c h a n i s m t h ec o u l o m bi n t e r a c t i o nt h a tl e a d st oe n e r g yt r a n s f e ri sad i p o l e d i p o l ei n t e r a c t i o n u s u a l l yf o rd i s t a n c e sl a r g e rt h a na b o u t1n mo n ec a l ln e g l e c tt h ee x c h a n g ec o n t r i b u t i o n st ot h ei n t e r a c t i o ne n e r g y i ft h ed i s t a n c eb e t w e e nt h e s et w o d i p o l e si sr ，t h e s t r e n g t ho fi n t e r a c t i o n ( t h ep o t e n t i a l ) i sp r o p o r t i o n a lt o 雨1 t h er a t eo fe n e r g yt r a n s f e r f r o md o n o rt oa c c e p t o ri sp r o p o r t i o n a lt o 嘉： k d 。a = 去( 鲁) 6 ( 2 1 ) 功“ 仞i st h ef l u o r e s c e n c ed e c a yt i m eo ft h ei s o l a t e dd o n o rm o l e c u l a r t h ef u n d a m e n t a l q u a n t i t yi nf s r s t e r st h e o r yi s 凰，t h ec r i t i c a lt r a n s f e rd i s t a n c e i fad o n o ra n da c - c e p t o ra r es e p a r a t e db y 岛，t h e r ei se q u a lp r o b a b i l i t yt h a tt h ee l e c t r o n i c a l l ye x c i t e d d o n o rm o l e c u l ew i l lr e l a xb yf l u o r e s c e n c eo rb yt r a n s f e rt ot h ea c c e p t o r s oi f 凰i s c h a p t e r2t r a n s f e rm e c h a n i s m so fe l e c t r o n i ce x c i t a t i o ne n e r g y 8 k n o w n ，m e a s u r e m e n to fe n e r g yt r a n s f e rr a t e sc a nb eu s e df o rd i s t a n c em e a s u r e m e n t s o nm o l e c u l a rs c a l e s f r r s t e rs h o w e dt h a tr 0c o u l db ec a l c u l a t e df r o maf e we x p e r i - m e n t a lo b s e r v a b l e s ： 磁= 笔舞笋f 0 。咖业 幽4 ( 2 2 ) t h ei n t e g r a l - k n o w na st h eo v e d a pi n t e g r a l 如a i sam e a s u r eo ft h es p e c t r a lo v e r l a po f t h ef l u o r e s c e n c es p e c t r u mo ft h ed o n o rld a n dt h ea b s o r p t i o ns p e c t r u mo ft h ea c c e p t o r f a t h i si n t e g r a li n d i c a t e st h a tf o re f f i c i e n te n e r g yt r a n s f e r , r e s o n a n c ei sr e q u i r e db e t w e e nt h ed o n o re m i s s i o na n da c c e p t o ra b s o r p t i o n , ir e p r e s e n t su n i t so ff r e q u e n c yi n w a v e n u m b e r s t h em o s ti m p o r t a n tr e q u i r e m e n tf o re n e r g yt r a n s f e r , s h o w ni ne q ( 2 2 ) ， i st h a to fr e s o n a n c e t h ef l u o r e s c e n c es p e c t r u mo ft h ed o n o rr e p r e s e n t st h eo s c i l l a t i o n f r e q u e n c yo ft h ee x c i t e dd o n o rd i p o l e t h i sm u s tm a t c ht h ef r e q u e n c yo fe l e c t r o n i c t r a n s i t i o n so ft h ea c c e p t o rf r o mt h eg r o u n dt ot h ee x c i t e ds t a t e ，i e t h ea b s o r p t i o ns p e c - t r u m t h ea m p l i t u d eo ft h eo v e r l a pi n t e g r a ljd ar e f l e c t st h ee x t e n to ft h i sf r e q u e n c y m a t c h i n g i f t h i sr e s o n a n c eb e t w e e nt h ee x c i t e dd o n o ra n dg r o u n ds t a t ea c c e p t o ri sn o t p r e s e n t ，e n e r g yt r a n s f e ri sn o tp o s s i b l e t h u s ，t h i se n e r g yt r a n s f e rm e c h a n i s mi so f - t e nr e f e r r e dt oa sf o r s t e rr e s o n a n c ee n e r g yt r a n s f e r ( f r e t ) r e s o n a n c e ，i nc o m b i n a t i o n w i t hv i b r a t i o n a lr e l a x t i o n ，d i c t a t e st h a tf r e ti sa l le n e r g e t i c a l l yd o w n h i l lp r o c e s s t h e f l u o r e s c e n c eo ft h ed o n o ri sa tal o w e rf r e q u e n c yt h a nt h ed o n o ra b s o r p t i o n l i k e w i s e ， o n c ee n e r g yi st r a n s f e r r e df r o md o n o rt oa c c e p t o r , v i b r a t i o n a lr e l a x a t i o no nt h ee x c i t e d s t a t eo ft h ea c c e p t o rd i s s i p a t e sm o r eo ft h ei n i t i a l l ye x c i t e de n e r g y , a n de n s u r e st h a t e n e r g yc a n n o th o p b a c kt ot h ed o n o r i nc o n c e n t r a t e dd o n o rs o l u t i o n s ，t h ep a r t i a lo v e r - l a po fd o n o rf l u o r e s c e n c ew i t hd o n o ra b s o r p t i o na l l o w se n e r g yt oh o pf r o mo n e d o n o r m o l e c u l et oa n o t h e r , b e f o r er e l a x i n gt h r o u g ho t h e rp a t h w a y