量子限制效应

对于量子点、量子线和量子阱中载流子的量子限制效应，纳米领域的学者们已基本达成共识，可以简单地用无限方形势阱模型来描述量子限制效应。量子限制效应最突出的特点是其带隙与1／dn（其中d为半径且1≤n≤2）相关，即尺寸相关性或纳米尺寸效应。Yu在研究不同维度下InP材料的量子限制效应时发现InP量子点中的尺寸效应要强于InP纳米线，InP量子点中的绝对带隙偏移（ΔEg～1／d1.35）和InP纳米线中的绝对带隙偏移（ΔEg～1／d1.45）不遵从无限方形势阱模型，这意味着需要更高阶的计算来得到精确的量子限制效应结果［16］。

对于量子限制效应，实验研究的主要方向是其光学效应。Murray研究了纳米粒子的带隙可调性及其导致的吸收／发射能量的偏移［17］。Li和Kan分别对大激子半径材料，如CdSe和InAs构成的同质均匀纳米棒，进行了深入研究［18，19］。单根InP纳米线同样引起人们的关注。Gudiksen发现一定尺寸的单根InP纳米线在半径减小时，光致发光（PL）光谱会发生蓝移（纳米线半径缩小至20nm以内）［20］。纳米线的光吸收和发射具有很强的偏振相关性，如在平行于纳米线长轴方向上PL强度最高。这种偏振相关的各向异性是由纳米线与其周围环境介电常数的巨大差异所导致的，可以利用这种特性来制作偏振敏感的光探测器和其他器件。

一维纳米材料是制备复合光伏器件的理想结构。Alivisatos将CdSe纳米线与噻吩衍生物混合，制备了能量转换效率为1.7%的太阳能电池单元，其中纳米线用作光吸收体、电子转移介质以及载流子分离界面［23］。使用CdTe四角针型纳米晶体替换CdSe纳米线可以改善载流子输运，进一步增强太阳能电池的性能。改变CdTe四角针型纳米晶体4个角的纳米线直径可以对其吸收光谱进行调节，调节宽度可达0.5eV，这意味着每个单节太阳能电池单元均可以进行带隙调节，进而适应不同的光吸收条件。

在许多新型器件，尤其是光电子器件中，具有周期量子阱结构的纳米线或纳米棒得到了广泛应用。例如，Pennycook制备出ZnO／ZnMgO多层量子阱纳米棒，该结构可以应用于多种不同的功能器件［25］。他们通过金属有机气相外延（MOVPE）交替生长多层ZnO和Zn0.8Mg0.2O薄膜来构造量子阱。ZnO阱的厚度在1.1～11nm之间改变时，该结构的发射波长可以在3.36～3.515eV之间连续调节（ZnO是少数可以通过实验生长的具有量子限制效应的氧化物，其尺寸小于8nm）。

对于多层量子阱结构，具有核－壳结构的一维纳米线有着独特的几何和物理性质，可以适用于不同的光电子器件的应用中。在2003年，Choi制备了一种GaN／AlxGa1－xN核－壳量子阱光泵浦紫外激光器，利用VLS法制得GaN核（直径为5nm）和Al0.75Ga0.25N壳（壳层厚度为50～100nm）的纳米线［26］。一般来说，这么细的GaN纳米线是难以达到激光激射的模式条件的。但是由于外包层具有较大的带隙和较小的折射率，从而形成了一种波导激子与声子限制效果，那么核便可以作为增益介质，壳作为Fabry－Perot谐振腔来达到激射。相对于体材料的GaN，其PL光谱和光激射谱均发生了蓝移，且激射阈值约为没有包层的较大尺寸GaN纳米线的10倍，如图1.1所示。

图1.1 GaN／AlxGa1－xN核－壳量子阱光泵浦紫外激光器［11］