專利名稱：復(fù)合量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其包括覆有導(dǎo)電材料層的量子點(diǎn)。
背景技術(shù)：
量子點(diǎn)具有在光電子裝置如放大器、激光器、發(fā)光二極管、調(diào)制器和開關(guān)中的廣泛的可能用途。它們的吸引力來自于它們的電子能量譜的離散特性，其減少了由熱擾動(dòng)所導(dǎo)致的低效，并且來自于可以通過化學(xué)組成和大小兩者來設(shè)計(jì)所述譜的事實(shí)。
由膠體化學(xué)制造的量子點(diǎn)具有通過使用表面活性劑或聯(lián)結(jié)劑分子可能結(jié)合在一范圍的基質(zhì)材料中的進(jìn)一步的吸引力；所述分子被選擇為在其外端具有官能團(tuán)，該官能團(tuán)使量子點(diǎn)可溶于所選擇的基質(zhì)，如聚合物或玻璃。
回顧大約一個(gè)世紀(jì)，在由于復(fù)合結(jié)構(gòu)中的金屬區(qū)存在而導(dǎo)致的電磁場的扭曲方面存在很多現(xiàn)有技術(shù)。具體地，Birnboim & Neeves(US 5023139)講授了金屬納米粒子和覆有金屬層及其變體的納米粒子如何提供修改納米粒子內(nèi)或其附近的電場的手段，并且這樣的效果可以有利地用在光電子裝置中。電場的修改與相關(guān)于等離子體的諧振的存在緊密聯(lián)系。RiceUniversity，Houston的一個(gè)研究組的一篇最近的論文[Science 302 419(2003)，17thOct]已經(jīng)報(bào)告了制造二氧化硅-金-二氧化硅-金納米粒子以及其等離子體相關(guān)的諧振頻率的測量。雖然是以分子軌道理論的語言來表達(dá)的，此論文是當(dāng)前對如何將標(biāo)準(zhǔn)的電磁理論應(yīng)用到包含金屬層的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上的理解的一個(gè)實(shí)例。此標(biāo)準(zhǔn)理論應(yīng)歸于Mie和Debye(見例如Born &Wolf 1980，‘Principles of Optics’，Pergamon or Bohten & Huffman 1983，‘Absorption and Scattering of Light by Small Particles’Wiley)。
但是，此現(xiàn)有技術(shù)將該材料考慮為連續(xù)的，而忽略了任何原子粒度，并且假定至少在原則上可以制造任意厚度的材料層，雖然事實(shí)上僅可獲得原子或分子間間隔的整數(shù)倍。但是這對于將現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用于使用納米粒子或量子點(diǎn)的光電子裝置是嚴(yán)重的阻礙。例如，假設(shè)人們想要使用現(xiàn)有技術(shù)使量子點(diǎn)內(nèi)的電場最大，以便增加光學(xué)增益或光學(xué)泵浦束的效能。人們將考慮一個(gè)簡單的實(shí)例，如圖1中所示，其中量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)1由覆有諸如如貴金屬(銅、銀或金)的金屬層3以便形成金屬殼的量子點(diǎn)2構(gòu)成，并且在偶極子近似中使用上面提到的標(biāo)準(zhǔn)電磁理論來計(jì)算由于其上入射的平面電磁波的存在而在量子點(diǎn)內(nèi)建立的電場。
現(xiàn)有量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)1的量子點(diǎn)2可以由半導(dǎo)體或絕緣體制成，如III-V或II-VI化合物，例如碲化汞或硫化汞?？梢酝ㄟ^首先在膠體溶液中產(chǎn)生量子點(diǎn)2并且然后引入試劑以允許形成金屬層來制造如圖1中所示的結(jié)構(gòu)。如果量子點(diǎn)2例如由碲化汞制成，那么人們將引入金鹽和碲化氫來形成碲化金層，然后引入還原劑以將碲化金層轉(zhuǎn)變?yōu)榻稹?br> 在圖2中，表示有和沒有金屬層3的量子點(diǎn)2內(nèi)的電場之比的平方的增強(qiáng)因子被繪制為δ(delta)的函數(shù)，其中δ表示金屬層3的寬度與量子點(diǎn)2的半徑之比。
介電常數(shù)的典型值已經(jīng)被用于計(jì)算該增強(qiáng)因子。對于基質(zhì)介質(zhì)，我們已經(jīng)取介電常數(shù)3，典型地處于玻璃或聚合物基質(zhì)的量值。對于量子點(diǎn)材料，我們已經(jīng)取對于半導(dǎo)體的典型的介電常數(shù)12。以及對于金屬層3，我們已經(jīng)取-90+7.5i的介電常數(shù)，典型地是在電信波長(1300到1500nm)的貴金屬的介電常數(shù)。但是，準(zhǔn)確值是不重要的，因此曲線的主要特征，即在大約δ＝0.1的銳最大值，對于參數(shù)變化是非常魯棒的。
現(xiàn)在，為了獲得量子點(diǎn)的所需特性，如它們在沒有壽命效應(yīng)(lifetimeeffect)等導(dǎo)致的能級變寬的情形下的離散能級(但是實(shí)際上是準(zhǔn)離散的)，量子點(diǎn)半徑典型地需要為5nm或以下。根據(jù)上面基于現(xiàn)有技術(shù)提出的結(jié)果，這意味著金屬層僅需要為約0.5nm厚或以下。典型地，貴金屬中的原子間隔是大約0.25nm。于是0.5nm厚的層對應(yīng)于2個(gè)原子！如果人們試圖同時(shí)優(yōu)化由具有范圍從2.5nm到5nm的半徑的量子點(diǎn)的集合(ensemble)產(chǎn)生的增益，如針對例如最近的ITU粗波分復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)中能夠同時(shí)放大所有波長(大約400nm的范圍)的量子點(diǎn)放大器，人們所希望做的那樣，那么盡管金屬的一個(gè)單層將使半徑2.5nm的量子點(diǎn)中的電場最大，但對于所述集合中的其它量子點(diǎn)并不是這樣。并且類似地，如果兩個(gè)原子層沉積在所有量子點(diǎn)上，那么具有5nm半徑的量子點(diǎn)將顯示最佳增益，但是所述集合中的所有其它量子點(diǎn)將不會(huì)得到優(yōu)化。因此不可能以這樣的薄層來優(yōu)化量子點(diǎn)的集合。以這樣薄的層，人們已經(jīng)失去了由現(xiàn)有技術(shù)所采用的設(shè)計(jì)中的至關(guān)重要的靈活性。并且這沒有考慮到尤其是在制造中獲得具有準(zhǔn)確數(shù)量的單層的均勻?qū)拥碾y度，即使在原則上是可能的。
對該問題的潛在解決方案是增加金屬層3的半徑，使諧振條件對應(yīng)于使原子粒度不再是問題的層厚度，所述條件在上面的實(shí)例中典型地為近似等于其寬度的十倍的金屬層3的內(nèi)半徑。但是僅通過例如十倍地增加量子點(diǎn)2的尺寸并不是一個(gè)選項(xiàng)，因?yàn)閷p失量子點(diǎn)2中能級的有價(jià)值的量子化。

發(fā)明內(nèi)容
保持量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的所需特性同時(shí)仍然獲得金屬層3的好處的問題由本發(fā)明解決如下。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種復(fù)合量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)包括由第一材料形成的電荷載流子限制區(qū)，由第一材料以外的第二材料形成并且設(shè)置成將電荷載流子限制在電荷載流子限制區(qū)內(nèi)的阻擋，以及包圍所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋的導(dǎo)電材料層。
例如，量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以包括量子點(diǎn)形式的電荷載流子限制區(qū)，其由所述第二材料的層所形成的阻擋包圍，以便于該阻擋防止電子和/或空穴離開電荷載流子限制區(qū)。可替換地，量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以包括芯形式的阻擋，其由電荷載流子限制區(qū)包圍。
復(fù)合量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)允許導(dǎo)電材料層的內(nèi)半徑和外半徑基本上獨(dú)立于電荷載流子限制區(qū)的半徑。因此可以選擇電荷載流子限制區(qū)的尺度以便實(shí)現(xiàn)其所需光學(xué)特性，同時(shí)允許使用可以得到可靠沉積的厚度的導(dǎo)電材料層。
復(fù)合量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)也允許提供結(jié)構(gòu)的集合，其中電荷載流子限制區(qū)和阻擋的尺度在結(jié)構(gòu)之間變化，使得該集合中的導(dǎo)電材料層的厚度以及結(jié)構(gòu)的總體尺度基本一致。這樣的集合可以用在配置成放大具有各種波長的光的量子點(diǎn)放大器中。
該第一材料和/或第二材料可以是半導(dǎo)體。
在第一和第二材料都是半導(dǎo)體的情形中，第二材料可以具有比第一材料寬的帶隙。
第一材料和/或第二材料可以是絕緣體。
第一材料和/或第二材料可以是半絕緣體。
可以提供一包層，相鄰于導(dǎo)電材料層的內(nèi)半徑而設(shè)置。該包層可以補(bǔ)償導(dǎo)電材料和相鄰材料之間，換句話說第一或第二材料之間的化學(xué)親合性的任何缺乏，這依賴于電荷載流子限制區(qū)或阻擋是否與導(dǎo)電層相鄰。該包層可以由半導(dǎo)體材料、絕緣材料或半絕緣材料形成。可以提供多個(gè)包層，其中所述包層的至少兩個(gè)由不同材料形成。
導(dǎo)電材料可以是金屬，如貴金屬。
量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以是基本球形對稱的。在電荷載流子限制區(qū)是量子點(diǎn)并且由阻擋包圍的情況下，導(dǎo)電材料層的內(nèi)半徑可以近似為量子點(diǎn)半徑的十倍。
在電荷載流子限制區(qū)是量子點(diǎn)并且由阻擋包圍的基本球形對稱的結(jié)構(gòu)中，量子點(diǎn)可以具有5nm或更小的半徑。
這方面也提供了包括一個(gè)或多個(gè)所述量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)放大器、激光器、發(fā)光二極管和光學(xué)開關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種產(chǎn)生復(fù)合量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的方法，包括；提供由第一材料形成的電荷載流子限制區(qū)，提供設(shè)置成將電荷載流子限制到所述電荷載流子限制區(qū)、由第一材料以外的第二材料形成的阻擋，以及提供包圍所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋的導(dǎo)電材料層。
該方法可以包括提供與所述導(dǎo)電材料層相鄰的一個(gè)或多個(gè)包層。在提供多個(gè)包層的情況下，至少兩個(gè)包層可由不同材料形成。
該方法可以還包括將所述量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)結(jié)合在基質(zhì)材料中。
該方法可以用于通過如下來產(chǎn)生量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的集合在物理上將電荷載流子限制區(qū)的集合分成子集合并且重新構(gòu)成電荷載流子限制區(qū)的所述集合，其中在重新構(gòu)成所述多個(gè)電荷載流子限制區(qū)的所述步驟之前，對電荷載流子限制區(qū)的子集合執(zhí)行提供所述阻擋和提供所述導(dǎo)電材料層的步驟?？梢允褂贸叽绶旨夁^程將集合分成子集合。該方法也可以包括在所述子集合內(nèi)的阻擋上提供一個(gè)或多個(gè)包層。
可替換地，該方法可以用于通過如下來產(chǎn)生量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的集合在物理上將阻擋的集合分成子集合并且重新構(gòu)成阻擋的所述集合，其中在重新構(gòu)成所述多個(gè)阻擋的所述步驟之前，對阻擋的子集合執(zhí)行提供所述電荷載流子限制區(qū)和提供所述導(dǎo)電材料層的步驟?？梢允褂贸叽绶旨夁^程將集合分成子集合。該方法也可以包括在所述子集合內(nèi)的電荷載流子限制區(qū)上提供一個(gè)或多個(gè)包層。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，一種量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的集合包括第一量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其包括由第一材料形成并具有第一尺度的電荷載流子限制區(qū)和由第二材料形成并具有第二尺度的阻擋，該阻擋設(shè)置成將電荷載流子限制到所述電荷載流子限制區(qū)，所述第一材料不同于所述第二材料，其中所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋中的一個(gè)包圍所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋中的另一個(gè)；以及第二量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，包括電荷載流子限制區(qū)，由所述第一材料形成并具有第三尺度，以及阻擋，由所述第二材料形成并具有第四尺度，該阻擋設(shè)置成將電荷載流子限制到所述電荷載流子限制區(qū)，其中所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋中的一個(gè)包圍所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋中的另一個(gè)，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，其中所述第一和第二量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的每個(gè)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電材料層，其包圍所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋中的所述一個(gè)，第一和第二量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的所述導(dǎo)電材料層的尺度基本相同。
所述第一和第二量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)可以包括位于導(dǎo)電材料層和所述阻擋或所述電荷載流子限制區(qū)之間的包層。
這方面也提供了包括這種集合的光學(xué)放大器、激光器和發(fā)光二極管。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，一種產(chǎn)生量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的集合的方法包括提供由第一材料形成的多個(gè)電荷載流子限制區(qū)，所述電荷載流子限制區(qū)中的至少第一電荷載流子限制區(qū)具有第一尺度并且所述電荷載流子限制區(qū)的至少第二電荷載流子限制區(qū)具有第二尺度，其中第一尺度不等于第二尺度；提供多個(gè)阻擋，所述阻擋中的每個(gè)阻擋設(shè)置成將電荷載流子限制到所述電荷載流子限制區(qū)中的相應(yīng)電荷載流子限制區(qū)，所述阻擋由第一材料以外的第二材料形成；以及提供多個(gè)導(dǎo)電材料層，其中在每個(gè)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，所述阻擋和所述電荷載流子限制區(qū)中的一個(gè)包圍所述阻擋和所述電荷載流子限制區(qū)中的另一個(gè)，每個(gè)導(dǎo)電材料層包圍相應(yīng)的阻擋和電荷載流子限制區(qū)，并且所述第一、第二、第三和第四尺度被選擇成使所述導(dǎo)電材料層的尺度基本相同。
所述第一和第二量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)可以包括位于導(dǎo)電材料層與所述阻擋和所述電荷載流子限制區(qū)的所述一個(gè)之間的包層。


將參照附圖通過實(shí)例進(jìn)一步描述本發(fā)明，在附圖中圖1描述現(xiàn)有技術(shù)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；圖2是一曲線圖，示出針對圖1現(xiàn)有技術(shù)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)因子和δ之間的關(guān)系；圖3描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；圖4描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；
圖5描述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；圖6描述根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；圖7描述根據(jù)本發(fā)明的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的集合；圖8是包括圖7中所示的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)集合的放大器的示意圖；以及圖9是包括圖7中所示的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)集合的另一放大器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖3，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4以“蘇格蘭煮蛋(scotch egg)”型結(jié)構(gòu)來提供，具有提供在量子點(diǎn)2和金屬層3之間的阻擋層5。阻擋層5防止電荷載流子、換句話說電子和/或空穴離開量子點(diǎn)2。
本發(fā)明允許將量子點(diǎn)2的半徑選擇為顯示所需的理想光電子特性，如特定波長處的吸收/增益。如前面提到的，量子點(diǎn)2的半徑將典型地是5nm或以下。阻擋層5的外半徑可以典型地是量子點(diǎn)2的半徑的10倍，并且優(yōu)選地被選擇為使量子點(diǎn)2中的電場最大，而同時(shí)是足夠大的以使可以可靠地沉積所需寬度的金屬層3。
在這樣的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4的集合中，對于所有量子點(diǎn)2，金屬層3的所需寬度是相同的，因?yàn)樵谧钃鯇?的增長中，金屬層3的外半徑可以基本獨(dú)立于量子點(diǎn)半徑。如果不是這種情況，那么人們可以使用尺寸分級來建立量子點(diǎn)2的子集合，每個(gè)子集合中的量子點(diǎn)2具有基本相同的尺寸，然后在每個(gè)子集合上分開執(zhí)行阻擋層5和金屬層3的增長，以在從子集合重新構(gòu)成原始集合之前優(yōu)化每個(gè)子集合。
在此特定實(shí)例中，阻擋層5由半導(dǎo)體材料形成。量子點(diǎn)2具有典型的5nm或以下的半徑，如上面提到的。阻擋層5的外半徑以及因此金屬層3的內(nèi)半徑是7.5nm。金屬層3由貴金屬如銅、金或銀的三個(gè)原子層構(gòu)成，并且因此具有0.75nm左右的厚度。因此可以提供這樣的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4的集合，其中量子點(diǎn)2的半徑在量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4之間變化。每個(gè)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4的阻擋層5然后配置成給出7.5nm的預(yù)定外半徑。該集合中的每個(gè)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4因此被提供了具有相同厚度的金屬層3，使得每個(gè)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4具有相同的總體尺度。
如果需要，量子點(diǎn)2和阻擋層5兩者均由半導(dǎo)體材料形成。在此情形中，阻擋層5的組成將典型地是一種半導(dǎo)體，其具有比組成量子點(diǎn)2的半導(dǎo)體寬的帶隙，使得電子和空穴仍然被限制到量子點(diǎn)2。因此，例如如果量子點(diǎn)2由碲化汞制成，那么人們可以使用碲化鎘作為阻擋層5。因?yàn)榇蠖鄶?shù)半導(dǎo)體在光學(xué)區(qū)中具有類似的介電常數(shù)，量子點(diǎn)2和阻擋材料的介電常數(shù)的差通常不會(huì)顯著影響關(guān)于量子點(diǎn)半徑和阻擋層5厚度的總體設(shè)計(jì)。在全異介電常數(shù)的情況下，可以考慮這種不同來計(jì)算用于使量子點(diǎn)2中的電場最大的最佳結(jié)構(gòu)。
如果需要，量子點(diǎn)2可以由絕緣或半絕緣材料而不是半導(dǎo)體形成，并且阻擋層5可以由半導(dǎo)體、絕緣或半絕緣材料形成。例如，可以提供這樣一種量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中量子點(diǎn)2是絕緣體或半絕緣的并且阻擋層5是半導(dǎo)體。這樣的設(shè)置可以是單極的，其中量子點(diǎn)2內(nèi)的相關(guān)電子激發(fā)僅在導(dǎo)帶或價(jià)帶之一中發(fā)生。在此情形中，根據(jù)適當(dāng)情況，阻擋層5將僅必須作為用于一種類型的電荷載流子的阻擋，即電子或空穴。
在圖3的實(shí)例中，金屬層3由貴金屬形成。但是，可以替代地使用具有用于修改電場的適當(dāng)特性的另一種金屬或另一種導(dǎo)電材料來形成該層3。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，可以在阻擋層和金屬殼之間提供一個(gè)或多個(gè)包層。例如，可以為量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)提供一個(gè)或多個(gè)包層，以補(bǔ)償用于形成阻擋層5的材料和用于形成金屬層3的材料之間的化學(xué)親和性的任何缺乏。具有一個(gè)這樣的包層7的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的實(shí)例在圖4中示出。
如在前面的實(shí)例中那樣，量子點(diǎn)2可以由絕緣、半絕緣或半導(dǎo)體材料形成。阻擋層5優(yōu)選地由絕緣體、具有比用于形成量子點(diǎn)1的材料寬的帶隙的半導(dǎo)體或半絕緣材料形成。所述包層7或多個(gè)包層可以使用半導(dǎo)體、半絕緣或絕緣材料形成。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在不知道本公開的情況下嘗試圖3和4中所示的結(jié)構(gòu)以及具有多個(gè)包層的結(jié)構(gòu)并不是顯而易見的在沒有非常有說服力的原因的情況下，人們并不想在納米結(jié)構(gòu)的增長過程中引入另一個(gè)主要階段。
在圖3和4的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4、6中，載流子被限制在由量子點(diǎn)2形成的芯部分中。但是，可以產(chǎn)生類似的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述芯執(zhí)行阻擋層5的功能，并且電荷載流子被限制在執(zhí)行量子點(diǎn)2的功能的周圍區(qū)中。這樣的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的實(shí)例在圖5和6中示出。
圖5描述了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)8，包括由電荷載流子限制區(qū)2和金屬層3包圍的阻擋5。為了防止電荷載流子進(jìn)入阻擋5，阻擋5由具有比用于形成電荷載流子限制區(qū)2的材料寬的帶隙的材料形成。金屬層3也用于完全或基本上將電荷載流子限制到電荷載流子限制區(qū)2。
圖6描述了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)9。以與圖5的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)8類似的方式，量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)9包括由電荷載流子限制區(qū)2包圍阻擋5。在電荷載流子限制區(qū)2和金屬層3之間提供一個(gè)或多個(gè)包層7，以補(bǔ)償電荷載流子限制區(qū)2和金屬層3之間化學(xué)親和性的任何缺乏。包層7和金屬層3的組合也用于完全或基本上將電荷載流子限制到電荷載流子限制區(qū)2。
如上面關(guān)于第一實(shí)施例所描述的，電荷載流子限制區(qū)2的尺度被選擇為使該量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)提供所需的光學(xué)特性，而阻擋5的尺度被選擇成使電荷載流子限制區(qū)和阻擋5的組合尺度足夠大，以使可以可靠地沉積所需寬度的金屬層3。
如上面關(guān)于第一實(shí)施例所討論的，可以提供量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的集合，其中量子點(diǎn)2具有不同的半徑，但是導(dǎo)電層3的厚度和結(jié)構(gòu)4、6的總體尺度基本一致。圖7示出量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4a-4e的集合，在此實(shí)例中其對應(yīng)于如圖3中所示的第一實(shí)施例。這些結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)2a、2b、2c、2d、2e具有不同的半徑。但是，它們相應(yīng)的阻擋層5a-5e以及包層7b、7e(在提供時(shí))配置成使金屬層3a-3e的內(nèi)半徑在該集合內(nèi)基本均勻。由于量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4a-4e的金屬層3a-3e的厚度在該集合內(nèi)基本相同，量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4a-4e的總體尺度也基本一致。這樣的集合可以使用上面描述的尺寸分級過程來產(chǎn)生。
可以產(chǎn)生這樣的集合，其中量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)對應(yīng)于圖3到6中所示的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的任何一個(gè)，或者圖3到6中所示的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4、6、8、9中的兩個(gè)或更多不同類型的組合。
量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的集合可以懸置在基質(zhì)介質(zhì)10如玻璃或聚合物中，并且可以用在放大器中。圖8和9描述放大器11、18的實(shí)例，其包括懸置在基質(zhì)介質(zhì)10中以及設(shè)置在基板12中或基板12上的集合4a-4e。
激光器15提供泵浦輻射以激發(fā)量子點(diǎn)2內(nèi)的電子-空穴對。該激光器可以是半導(dǎo)體激光器，如泵浦激光器，其典型地用于泵浦摻鉺光纖放大器。
在圖8的放大器11中，泵浦輻射通過波導(dǎo)16耦合到量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4a-4e。過度的泵浦輻射可以通過耦合到第二波導(dǎo)17來釋放。
在圖9的放大器18中，波導(dǎo)16耦合到光纖13，輸入光輻射通過該光纖導(dǎo)引到基質(zhì)介質(zhì)10中。
在兩個(gè)實(shí)例中，基板12配置成使來自光纖13的輸入光輻射引導(dǎo)通過基質(zhì)介質(zhì)10，其在這里通過與所述量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)4a-4e內(nèi)的量子點(diǎn)2的相互作用而放大。經(jīng)放大的光然后通過第二光纖14輸出。在這些特定實(shí)例中，因?yàn)榱孔狱c(diǎn)結(jié)構(gòu)4a-4e的量子點(diǎn)2具有不同的半徑，該放大器能夠同時(shí)放大處于多個(gè)波長的光。
圖3、4、5和6中所示的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)僅是本發(fā)明的可能實(shí)施例的實(shí)例。例如，圖3、4、5和6以及以上的討論一直基于理想化的結(jié)構(gòu)，在此情形中是球形對稱的結(jié)構(gòu)。但是光學(xué)和電磁理論領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的中心特征，即金屬層的厚度以及由其包圍的區(qū)的尺寸在確定它們對電磁場的響應(yīng)時(shí)的重要性并不依賴于理想化的球形幾何形狀。這些人將理解電場的增強(qiáng)基本上由金屬層中電子的遷移率所引起，并且這樣的增強(qiáng)的存在不依賴于球形幾何形狀。例如量子點(diǎn)可以以橢圓、圓柱或其它形狀的結(jié)構(gòu)形成。任何給定情況下的最佳設(shè)計(jì)將通過實(shí)驗(yàn)上的試錯(cuò)法或通過詳細(xì)的數(shù)學(xué)模擬或其明智的組合而得到。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，包括電荷載流子限制區(qū)，由第一材料形成；阻擋，由所述第一材料以外的第二材料形成并且設(shè)置成將電荷載流子限制在所述電荷載流子限制區(qū)內(nèi)；以及導(dǎo)電材料層，包圍所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋。
2.如權(quán)利要求1的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述第一材料是半導(dǎo)體。
3.如權(quán)利要求1或2的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述第二材料是半導(dǎo)體。
4.如附加到權(quán)利要求2的權(quán)利要求3的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述第二材料具有比所述第一材料寬的帶隙。
5.如權(quán)利要求1或3的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述第一材料是絕緣體。
6.如權(quán)利要求1或2的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，或者如附加到權(quán)利要求1的權(quán)利要求5的量子點(diǎn)，其中所述第二材料是絕緣體。
7.如權(quán)利要求1或3的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，或者如附加到權(quán)利要求1的權(quán)利要求6的量子點(diǎn)，其中所述第一材料是半絕緣體。
8.如權(quán)利要求1或2的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，或者如附加到權(quán)利要求1的權(quán)利要求7的量子點(diǎn)，其中所述第二材料是半絕緣體。
9.如權(quán)利要求1的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述第一材料是絕緣體并且所述第二材料是半絕緣體。
10.如前面權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的復(fù)合量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述阻擋包圍所述電荷載流子限制區(qū)。
11.如前面權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的復(fù)合量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述電荷載流子限制區(qū)包圍所述阻擋。
12.如權(quán)利要求10的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，還包括位于所述阻擋和所述導(dǎo)電材料層之間的包層。
13.如權(quán)利要求11的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，還包括位于所述電荷載流子限制區(qū)和所述導(dǎo)電材料層之間的包層。
14.如權(quán)利要求12或13的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述包層由半導(dǎo)體材料形成。
15.如權(quán)利要求12或13的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述包層由絕緣材料形成。
16.如權(quán)利要求12或13的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述包層由半絕緣材料形成。
17.如權(quán)利要求12到16的任何一項(xiàng)的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)包層，其中所述包層中的至少兩個(gè)由不同材料形成。
18.如權(quán)利要求1到17的任何一項(xiàng)的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述導(dǎo)電材料是金屬。
19.如權(quán)利要求18的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述金屬是貴金屬。
20.如前面權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其基本球形對稱。
21.如附加到權(quán)利要求10的權(quán)利要求20的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述阻擋的外半徑是所述電荷載流子限制區(qū)的半徑的近似十倍。
22.如附加到權(quán)利要求10或附加到權(quán)利要求21時(shí)的權(quán)利要求20的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中所述電荷載流子限制區(qū)具有5nm或以下的半徑。
23.一種光學(xué)放大器，包括一個(gè)或多個(gè)如前面權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
24.一種激光器，包括一個(gè)或多個(gè)如權(quán)利要求1到23的任何一項(xiàng)的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
25.一種發(fā)光二極管，包括一個(gè)或多個(gè)如權(quán)利要求1到23的任何一項(xiàng)的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
26.一種光學(xué)開關(guān)，包括一個(gè)或多個(gè)如權(quán)利要求1到23的任何一項(xiàng)的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
27.如權(quán)利要求1到22的任何一項(xiàng)的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的集合，其中所述量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的至少第一量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)包括具有第一尺度的電荷載流子限制區(qū)和具有第二尺度的阻擋；所述量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的至少第二量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)包括具有第三尺度的電荷載流子限制區(qū)和具有第四尺度的阻擋，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點(diǎn)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料層具有基本相同的尺度。
28.一種產(chǎn)生復(fù)合量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的方法，包括提供由第一材料形成的電荷載流子限制區(qū)；提供設(shè)置成將電荷載流子限制到所述電荷載流子限制區(qū)、由第一材料以外的第二材料形成的阻擋；以及提供包圍所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋的導(dǎo)電材料層。
29.如權(quán)利要求28的方法，其中所述提供阻擋的步驟包括用所述阻擋來包圍所述電荷載流子限制區(qū)。
30.如權(quán)利要求29的方法，包括在所述阻擋和所述導(dǎo)電材料層之間提供至少一個(gè)包層。
31.如權(quán)利要求28的方法，其中所述提供電荷載流子限制區(qū)的步驟包括用所述電荷載流子限制區(qū)來包圍所述阻擋。
32.如權(quán)利要求31的方法，包括在所述電荷載流子限制區(qū)和所述導(dǎo)電材料層之間提供至少一個(gè)包層。
33.如權(quán)利要求30或32的方法，其中所述提供至少一個(gè)包層的步驟包括提供多個(gè)包層，所述包層中的至少兩個(gè)由不同材料形成。
34.如權(quán)利要求28到33的任何一項(xiàng)的方法，包括將所述量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)結(jié)合在基質(zhì)材料中。
35.如權(quán)利要求29或30的方法，包括在物理上將電荷載流子限制區(qū)的集合分成多個(gè)子集合；以及重新構(gòu)成電荷載流子限制區(qū)的所述集合；其中在重新構(gòu)成所述多個(gè)電荷載流子限制區(qū)的所述步驟之前，對電荷載流子限制區(qū)的子集合執(zhí)行提供所述阻擋和提供所述導(dǎo)電材料層的步驟。
36.如權(quán)利要求31或32的方法，包括在物理上將阻擋的集合分成多個(gè)子集合；以及重新構(gòu)成阻擋的所述集合；其中在重新構(gòu)成所述多個(gè)阻擋的所述步驟之前，對阻擋的所述子集合執(zhí)行提供所述電荷載流子限制區(qū)和提供所述導(dǎo)電材料層的步驟。
37.如權(quán)利要求35或36的方法，其中使用尺寸分級過程來執(zhí)行對所述集合的所述物理分離。
38.一種量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的集合，包括第一量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其包括由第一材料形成并具有第一尺度的電荷載流子限制區(qū)和由第二材料形成并具有第二尺度的阻擋，該阻擋設(shè)置成將電荷載流子限制到所述電荷載流子限制區(qū)，其中所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋中的一個(gè)包圍所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋中的另一個(gè)，所述第一材料不同于所述第二材料；以及第二量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其包括由所述第一材料形成并具有第三尺度的電荷載流子限制區(qū)，以及由所述第二材料形成并具有第四尺度的阻擋，該阻擋設(shè)置成將電荷載流子限制到所述電荷載流子限制區(qū)，其中所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋中的一個(gè)包圍所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋中的另一個(gè)，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；其中所述第一和第二量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的每個(gè)包括導(dǎo)電材料層，其包圍所述電荷載流子限制區(qū)和所述阻擋中的所述一個(gè)，所述第一和第二量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的所述導(dǎo)電材料層的尺度基本相同。
39.如權(quán)利要求38的集合，其中所述第一和第二量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括位于導(dǎo)電材料層和所述阻擋或所述電荷載流子限制區(qū)之間的包層。
40.一種光學(xué)放大器，包括如權(quán)利要求38或39的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的集合。
41.一種產(chǎn)生量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的集合的方法，包括提供由第一材料形成的多個(gè)電荷載流子限制區(qū)，所述電荷載流子限制區(qū)中的至少第一電荷載流子限制區(qū)具有第一尺度并且所述電荷載流子限制區(qū)中的至少第二電荷載流子限制區(qū)具有第二尺度，其中所述第一尺度不等于所述第二尺度；提供多個(gè)阻擋，所述阻擋中的每一阻擋設(shè)置成將電荷載流子限制到所述電荷載流子限制區(qū)中的相應(yīng)電荷載流子限制區(qū)，所述阻擋由所述第一材料以外的第二材料形成；以及提供多個(gè)導(dǎo)電材料層；其中在每個(gè)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，所述阻擋和所述電荷載流子限制區(qū)中的一個(gè)包圍所述阻擋和所述電荷載流子限制區(qū)中的另一個(gè)，所述導(dǎo)電材料層包圍所述阻擋和所述電荷載流子限制區(qū)的所述一個(gè)；以及所述第一、第二、第三和第四尺度被選擇成使所述導(dǎo)電材料層的尺度基本相同。
42.如權(quán)利要求40的方法，其中所述第一和第二量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括位于所述導(dǎo)電材料層與所述阻擋和所述電荷載流子限制區(qū)中的所述一個(gè)之間的至少一個(gè)包層。
全文摘要
一種復(fù)合量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)(4)，包括電荷載流子限制區(qū)如量子點(diǎn)(2)，阻擋(5)和導(dǎo)電層(3)。此結(jié)構(gòu)允許導(dǎo)電層(3)的尺度基本上獨(dú)立于區(qū)(2)的尺寸，使得由此可選擇區(qū)(2)的尺度以便實(shí)現(xiàn)所需光學(xué)特性，而導(dǎo)電層(3)可具有足夠的厚度來保證其可以得到可靠的沉積。該結(jié)構(gòu)也可以包括包層(7)(圖4)以便補(bǔ)償阻擋(5)和導(dǎo)電層(3)之間化學(xué)親合性的任何缺乏?？梢蕴峁┻@種結(jié)構(gòu)的集合，其中量子點(diǎn)(1)具有不同的半徑，但是導(dǎo)電層(3)的尺度和結(jié)構(gòu)的總體尺度基本一致，以便例如用在配置成放大不同波長的光的放大器中。
文檔編號B01J13/00GK1922736SQ200580005844
公開日2007年2月28日 申請日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者邁克爾·G·伯特 申請人:特拉克達(dá)爾有限公司