一种CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点光放大器及其制备方法

技术领域

本发明属于核壳量子点光放大器领域，具体涉及一种CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点结合环形谐振腔的量子点光放大器及制备方法。

背景技术

核壳量子点是指由多种纳米材料通过化学键或其他作用力将量子点包覆起来形成的纳米尺度的有序组装结构。最近几十年，量子点即粒径小于其材料波尔半径的半导体纳米晶体，尤其核壳量子点，由于其独特的低阈值、高产量的发光性质备受人们关注。一方面，核壳量子点可有效钝化单核量子点表面，消除量子点表面阴、阳离子缺陷，减少非辐射跃迁，提高量子产率。另一方面，不同性质半导体纳米晶体构成核壳量子点，可以实现更为丰富的能带结构和多样的功能修饰，具有全新功能。因此，核壳量子点在高强度发光器件、生物标记和医学成像、生物传感器、太阳能电池等方向有着重要应用前景。

量子点光放大器(QD-SOA)通常是指量子点在激发光照射下，价带电子跃迁至导带,在液芯光纤构成的环形谐振腔下形成正反馈，实现了粒子数反转，产生“受激辐射”光放大输出。重难点在于QD-SOA光放大区域的量子点材料对能级结构具有非常显著的限制作用，通过在表面钝化减少了缺陷态，增加辐射跃迁概率，核壳结构免于内部光氧化，增加了荧光稳定性，进而利用量子点中电子和空穴等电荷载流子聚集的性质，有效控制受激辐射等决定光放大性能的基本物理过程，提高半导体光放大器的性能，并表现出了受人瞩目的潜能。QD-SOA实验方面的研究，以东京大学和富士通使用量子点材料开发成功的带宽为120nm、功率高达23.1dBm的半导体光放大器为最具有代表意义的开创性成果。随着,QD-SOA相关的理论和实验研究进入了蓬勃发展时期。近年来，环形腔量子点光放大器理论上也日趋成熟，实验上在室温下的低阈值电流和高输出功率等方面也不断获得突破，已可获得从可见光到近红外辐射的量子点光放大器。

一种核壳量子点光放大器需要达到以下要求：1、选择合适的量子点材料，通过控制量子点的尺寸和元素配比，更精确调控荧光发射波长。2、增加量子点的吸收截面，抑制缺陷态，尽可能提高量子点光增益贡献比例，提高量子效率、保证有源区的光增益大。3、优化量子点光放大器的结构设计，使其有利于量子点材料的光增益。设计思路：选择CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点作为光放大器增益介质，同时满足光增益和精准调控光发射波长的要求；选择环形谐振腔实现光放大作用，并发挥量子点体积小发光区域小量子效率高的优势。

发明内容

本发明目的是发明一种CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点光放大器及其制备方法。

一种CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点光放大器，其特征在于，液芯光纤或超细毛细管构成直径为百微米量级的环形谐振腔，CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点作为增益介质添加到环形谐振腔内。

量子点三个维度均处于10nm以下，量子点浓度3-25mg/ml。

所述的CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点为是：以CdTe纳米晶体为核心，CdTe核心的外层为CdSe中间壳层，CdSe中间壳层的外层为ZnS外壳。通过尺寸调谐可以产生680-820nm的近红外荧光光谱，具有较高的荧光量子产率和良好的光稳定性，量子点在三个维度的尺寸均小于10nm，可以实现直径在微米尺度的液芯光纤或超细毛细管中照射区域的精准把控，进行组织体内精准的微区治疗。

其中双核壳量子点CdTe@CdSe@ZnS的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)CdTe核心的制备：

利用水相合成法制备CdTe核心，将新制备的过量NaHTe溶液添加到含N

进一步地，Cd

NaHTe制备：将1.2mmol-1.5mmol NaBH

(2)CdSe中间壳层的制备：

利用连续离子层吸附反应技术(SILAR)制备CdSe壳；将0.4-0.8mmol过量NaBH

进一步地，制备CdSe壳时，在90℃-100℃温度下，将Cd

进一步地，制备CdSe壳时，所有反应都是在露天条件下进行的，产生气体，保持反应器开放状态。

(3)ZnS外壳的制备：

将谷胱甘肽(GSH)和Zn(NO

进一步地，制备ZnS壳时，将反应混合物等分试样时，保持温度在90℃。

进一步地，制备ZnS壳时，反应混合物中Zn

以一种CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点为光增益介质，液芯光纤、超细毛细管或光子晶体光纤，构成直径为微米量级的环形谐振腔，是一种新型红外量子点光放大器，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

(1)量子点进入谐振腔

对于超细毛细管或液芯光纤采用虹吸作用，通过控制另一端密封压力控制进入谐振腔中CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点的剂量0.01-0.5ml。对于尺寸较小的微米级光子晶体光纤，需要用加压泵将CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点泵进微米级环形谐振腔中。

(2)封装

蘸取光固化胶，将环形谐振腔端口堵死，利用光固化机照射5-10分钟固化胶体，完成封装。

本发明CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点掺杂液芯光纤量子点光放大器，进一步缩小了量子点光放大器的性能与理论预测之间的差距。

通过CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点材料的自发和受激辐射产生物理机理及光谱特性，控制量子点形成条件，调控量子点微结构形貌、元素组分、表面配体和配比浓度，光学泵浦环形腔尺寸设计，实现可调微区辐射范围的低阈值高强度稳定红外光发射。

本发明CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点光放大器，对生物热疗方面应用的可行性产生重要影响，CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点具有水相合成制备，毒性小，近红外区域波段发光，发光效率更高，易于自发放大辐射和粒子数反转，单光子吸收截面高，双光子泵浦激光介质稳定，并且双光子吸收截面与线性单光子吸收成正比，同时还依赖于量子点尺寸等特点，从而在生物医药方面具有得天独厚的优势。

附图说明

图1CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点在毛细管中的光放大现象(a)和实物结构(b)；

图2CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点的光放大器端口制备流程示意图；

图3量子点环形谐振腔光器件的实际光耦合发光实验图；

图4CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点光放大器结构示意图；

图5CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点结构示意图。

1为环形谐振腔，2为CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点增益介质，3为CdTe，

4为CdSe中间层，5为ZnS外壳。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

步骤一，利用水相合成法制备CdTe核心

将大于150μL的0.5mmol/mL的过量NaHTe溶液添加到含N

步骤二，利用连续离子层吸附反应技术(SILAR)制备CdSe中间壳层

将0.4mmol NaBH

在90℃温度下，将Cd

步骤三，制备ZnS外壳

将谷胱甘肽(GSH)和Zn(NO

将反应混合物等分试样时，保持温度在90℃。反应混合物中Zn

步骤四，制备光放大器作用端口

采用空芯直径为150微米的液芯光纤进行通光测试，确定光可在液芯光纤中传输3cm以上距离，出射光功率损耗不高于30％以上即可。再将液芯光纤开放端口利用虹吸作用，0.1ml的CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点进入液芯光纤中，蘸取光固化胶，将环形谐振腔端口堵死，利用光固化机照射5-10分钟固化胶体，完成封装。可与普通光纤熔接在一起。

可将制备好的携带CdTe@CdSe@ZnS双层壳核壳量子点的光纤端口的导光光纤，依次连接光纤跳线和405nm激发光源激光器，进行光放大。