基于量子點(diǎn)光學(xué)實(shí)驗(yàn)探討物理創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

安成守 王洪福

摘要：量子點(diǎn)由少量的原子所構(gòu)成，它不僅成為基本物理研究的重要對(duì)象，也成為研制新一代量子器件的基礎(chǔ)。通過量子點(diǎn)光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，提高學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，拓展學(xué)生對(duì)量子世界的理解。

關(guān)鍵詞：量子點(diǎn)；物理實(shí)驗(yàn)；物理創(chuàng)新能力

高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)是為高校理工科開設(shè)的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)訓(xùn)練以及實(shí)驗(yàn)方法訓(xùn)練的一門獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課，是培養(yǎng)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)的重要的實(shí)踐性課程，在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、科學(xué)創(chuàng)新能力、創(chuàng)造性思維和綜合素質(zhì)方面有著其他課程不可代替的作用。加強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，已成為新形勢(shì)下高等教育的重中之重。本文通過量子點(diǎn)光學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究量子點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)和闡述其實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)思想，使學(xué)生在探索解決實(shí)際量子點(diǎn)物理問題的實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)和增強(qiáng)物理創(chuàng)新能力。

一、 指引學(xué)生從物理實(shí)際出發(fā)，以實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新為抓手，進(jìn)行概括、總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

量子點(diǎn)是近幾年發(fā)展起來的新型納米材料，其研究涉及物理、化學(xué)、材料、生物等多學(xué)科領(lǐng)域。很多現(xiàn)代發(fā)光材料和器件都由半導(dǎo)體量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，它具有寬的激發(fā)光譜、窄的發(fā)射光譜?？删_調(diào)諧的發(fā)射波長(zhǎng)、可忽略的光漂白等優(yōu)越的熒光特性，可以很好地用于熒光標(biāo)記，可以成為理想的生物熒光探針。量子點(diǎn)中低的態(tài)密度和能級(jí)的尖銳化，導(dǎo)致了量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)其中的載流子產(chǎn)生三維量子限制效應(yīng)，從而使其電學(xué)性能和光學(xué)性能發(fā)生變化，而且量子點(diǎn)在正入射情況下能發(fā)生明顯的帶內(nèi)躍遷。這些性質(zhì)使得半導(dǎo)體量子點(diǎn)在單電子器件、存儲(chǔ)器以及各種光電器件等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

英國諾丁漢大學(xué)的Polimeni 等人研究了自組織生長(zhǎng)量子點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)的溫度變化，揭示了量子點(diǎn)發(fā)光特性和載流子弛豫特性。加拿大蒙特利爾綜合理工學(xué)校的Levesque 等人研究了具有薄隔離層的多層量子點(diǎn)變溫光致發(fā)光譜的特性，揭示了量子點(diǎn)和濕潤(rùn)層之間載流子的遷移特性和具有不同大小量子點(diǎn)變溫發(fā)光特性以及利用速率方程描述不同大小量子點(diǎn)的載流子動(dòng)力學(xué)。浙江海洋大學(xué)的孔令民等人研究了自組織量子點(diǎn)的變溫光致發(fā)光譜和時(shí)間分辨光譜特性，揭示了光致發(fā)光譜峰值和載流子壽命隨溫度的變化特性。

近年來對(duì)于量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)研究，即載流子的弛豫過程、熱發(fā)射、上升時(shí)間、衰減時(shí)間、躍遷過程、輻射復(fù)合等光學(xué)性質(zhì)的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。尤其是作為一個(gè)量子點(diǎn)光電器件，載流子的松弛快慢和熱發(fā)射是決定量子點(diǎn)器件性能的主要關(guān)鍵。因此，在物理教學(xué)中，要從實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新出發(fā)，以逐步提高學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，更好地掌握物理新知識(shí)和培養(yǎng)科學(xué)的物理創(chuàng)新能力。

二、 引導(dǎo)學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮創(chuàng)新精神，通過實(shí)驗(yàn)來探索、解決問題，從而提高學(xué)生物理創(chuàng)新能力

研究量子點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)通常用光致發(fā)光光譜和時(shí)間分辨光譜實(shí)驗(yàn)方法來實(shí)現(xiàn)。光致發(fā)光光譜是指物質(zhì)在光的激勵(lì)下，電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶并在價(jià)帶留下空穴；電子和空穴在各自的導(dǎo)帶和價(jià)帶中通過弛豫達(dá)到各自未被占據(jù)的最低激發(fā)態(tài)，成為準(zhǔn)平衡態(tài)；準(zhǔn)平衡態(tài)下的電子和空穴再通過復(fù)合發(fā)光，形成不同波長(zhǎng)光的強(qiáng)度或能量分布的光譜圖。光致發(fā)光譜是一種無損的測(cè)試方法，可以快速、便捷地表征量子點(diǎn)材料的缺陷、雜質(zhì)以及材料的發(fā)光性能。時(shí)間分辨光譜是指通過記錄到的光譜隨時(shí)間的變化，了解在瞬時(shí)過程中的發(fā)生的事件和過程，從而得到普通光譜中無法得到的信息。時(shí)間分辨光譜是指一種能觀察物理和化學(xué)的瞬態(tài)過程并能分辨其時(shí)間的光譜，通過測(cè)量激發(fā)光與發(fā)射光之間的時(shí)間延時(shí)獲得分子激發(fā)態(tài)壽命。

在我們的實(shí)驗(yàn)中，采用激光器、切光器、單色器、低溫保持器、記錄儀、超高速掃描照相機(jī)的光學(xué)平臺(tái)。由激光器發(fā)出的光通過切光器使其變?yōu)閿嗬m(xù)之光，此光即為熒光物質(zhì)的激發(fā)光，低溫保持器里的被測(cè)熒光物質(zhì)在激發(fā)光照射下所發(fā)出的熒光，經(jīng)過單色器變成單色熒光后輸出至記錄儀，熒光單色器的光柵均有電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的凸輪所控制，當(dāng)測(cè)繪熒光發(fā)射光譜時(shí)，讓熒光單色器凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將各波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度訊號(hào)輸出至記錄儀上，所記錄的光譜即為熒光光譜。時(shí)間分辨光譜是一種瞬態(tài)光譜，如果用激發(fā)源是脈沖或隨時(shí)間變化的其他形式，光譜也是隨時(shí)間變化的，這種情況下的測(cè)量可以得到瞬態(tài)光譜。因此通過光致發(fā)光譜和時(shí)間分辨光譜實(shí)驗(yàn)，了解量子點(diǎn)載流子的上升時(shí)間、衰減時(shí)間、弛豫、熱發(fā)射、遷移過程、輻射復(fù)合等光學(xué)性質(zhì)。在教學(xué)過程中學(xué)生通過變溫、變激發(fā)光強(qiáng)度光致發(fā)光譜的方法，探索收益率隨激發(fā)光強(qiáng)度和溫度變化、能量遷移和半高寬隨溫度的變化；通過變溫、變激發(fā)光強(qiáng)度時(shí)間分辨光譜方法，探索基態(tài)和激發(fā)態(tài)的載流子衰減時(shí)間隨溫度變化以及基態(tài)的載流子衰減時(shí)間隨激發(fā)光波長(zhǎng)變化；利用改變激發(fā)光波長(zhǎng)的方法，探索量子點(diǎn)載流子弛豫特性。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生還要考慮在高溫條件下，量子點(diǎn)中載流子熱發(fā)射問題，從而增強(qiáng)量子點(diǎn)光信號(hào)強(qiáng)度；量子點(diǎn)濕潤(rùn)層效果對(duì)濕潤(rùn)層到量子點(diǎn)的載流子俘獲時(shí)間有何影響；具有不同密度量子點(diǎn)的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的載流子上升時(shí)間的變化，對(duì)載流子弛豫特性有何影響。通過這一系列問題的逐個(gè)解決，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作能力，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，增強(qiáng)了學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，學(xué)生經(jīng)過探索、總結(jié)，形成了自己的物理創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)了物理創(chuàng)新能力，解決了現(xiàn)實(shí)問題。

三、 總結(jié)

本文基于量子點(diǎn)光學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)物理創(chuàng)新能力的培養(yǎng)進(jìn)行了討論。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究中必須按照指引學(xué)生從物理實(shí)際出發(fā)，以實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新為抓手，進(jìn)行概括、總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。引導(dǎo)學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中充分發(fā)揮創(chuàng)新精神，通過實(shí)驗(yàn)來探索、解決問題，從而提高學(xué)生物理創(chuàng)新能力。進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)過程中的主動(dòng)性、積極性、靈活性和創(chuàng)造性，探索最佳的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，要讓學(xué)生掌握發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的方法，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的物理創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，打造高效的實(shí)驗(yàn)物理課堂。

作者簡(jiǎn)介：安成守，王洪福，吉林省延吉市，延邊大學(xué) 理學(xué)院 物理系。