基于量子點光學實驗探討物理創新能力的培養

安成守 王洪福

摘要：量子點由少量的原子所構成，它不僅成為基本物理研究的重要對象，也成為研制新一代量子器件的基礎。通過量子點光學實驗研究，提高學生對物理實驗的興趣，培養學生的創新能力，拓展學生對量子世界的理解。

關鍵詞：量子點；物理實驗；物理創新能力

高等學校物理實驗是為高校理工科開設的一門基礎實驗課，是對學生進行系統科學實驗技術和實驗基礎訓練以及實驗方法訓練的一門獨立的實驗課，是培養學生物理實驗能力和科學實驗素質的重要的實踐性課程，在培養學生的動手能力、科學創新能力、創造性思維和綜合素質方面有著其他課程不可代替的作用。加強創新實驗教學，培養學生創新精神和創新能力，已成為新形勢下高等教育的重中之重。本文通過量子點光學實驗，研究量子點光學性質和闡述其實驗方法的設計思想，使學生在探索解決實際量子點物理問題的實驗過程中培養和增強物理創新能力。

一、 指引學生從物理實際出發，以實驗創新為抓手，進行概括、總結，培養學生的創新能力

量子點是近幾年發展起來的新型納米材料，其研究涉及物理、化學、材料、生物等多學科領域。很多現代發光材料和器件都由半導體量子點結構所構成，它具有寬的激發光譜、窄的發射光譜。可精確調諧的發射波長、可忽略的光漂白等優越的熒光特性，可以很好地用于熒光標記，可以成為理想的生物熒光探針。量子點中低的態密度和能級的尖銳化，導致了量子點結構對其中的載流子產生三維量子限制效應，從而使其電學性能和光學性能發生變化，而且量子點在正入射情況下能發生明顯的帶內躍遷。這些性質使得半導體量子點在單電子器件、存儲器以及各種光電器件等方面具有極為廣闊的應用前景。

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

近年來對于量子點的光學性質研究，即載流子的弛豫過程、熱發射、上升時間、衰減時間、躍遷過程、輻射復合等光學性質的研究引起了人們的廣泛關注。尤其是作為一個量子點光電器件，載流子的松弛快慢和熱發射是決定量子點器件性能的主要關鍵。因此，在物理教學中，要從實驗創新出發，以逐步提高學生的科學實驗素質和創新能力為目標，發揮創造力和想象力，更好地掌握物理新知識和培養科學的物理創新能力。

二、 引導學生在物理實驗教學中發揮創新精神，通過實驗來探索、解決問題，從而提高學生物理創新能力

研究量子點光學性質通常用光致發光光譜和時間分辨光譜實驗方法來實現。光致發光光譜是指物質在光的激勵下，電子從價帶躍遷至導帶并在價帶留下空穴；電子和空穴在各自的導帶和價帶中通過弛豫達到各自未被占據的最低激發態，成為準平衡態；準平衡態下的電子和空穴再通過復合發光，形成不同波長光的強度或能量分布的光譜圖。光致發光譜是一種無損的測試方法，可以快速、便捷地表征量子點材料的缺陷、雜質以及材料的發光性能。時間分辨光譜是指通過記錄到的光譜隨時間的變化，了解在瞬時過程中的發生的事件和過程，從而得到普通光譜中無法得到的信息。時間分辨光譜是指一種能觀察物理和化學的瞬態過程并能分辨其時間的光譜，通過測量激發光與發射光之間的時間延時獲得分子激發態壽命。

在我們的實驗中，采用激光器、切光器、單色器、低溫保持器、記錄儀、超高速掃描照相機的光學平臺。由激光器發出的光通過切光器使其變為斷續之光，此光即為熒光物質的激發光，低溫保持器里的被測熒光物質在激發光照射下所發出的熒光，經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機帶動的凸輪所控制，當測繪熒光發射光譜時，讓熒光單色器凸輪轉動，將各波長的熒光強度訊號輸出至記錄儀上，所記錄的光譜即為熒光光譜。時間分辨光譜是一種瞬態光譜，如果用激發源是脈沖或隨時間變化的其他形式，光譜也是隨時間變化的，這種情況下的測量可以得到瞬態光譜。因此通過光致發光譜和時間分辨光譜實驗，了解量子點載流子的上升時間、衰減時間、弛豫、熱發射、遷移過程、輻射復合等光學性質。在教學過程中學生通過變溫、變激發光強度光致發光譜的方法，探索收益率隨激發光強度和溫度變化、能量遷移和半高寬隨溫度的變化；通過變溫、變激發光強度時間分辨光譜方法，探索基態和激發態的載流子衰減時間隨溫度變化以及基態的載流子衰減時間隨激發光波長變化；利用改變激發光波長的方法，探索量子點載流子弛豫特性。在實驗過程中，學生還要考慮在高溫條件下，量子點中載流子熱發射問題，從而增強量子點光信號強度；量子點濕潤層效果對濕潤層到量子點的載流子俘獲時間有何影響；具有不同密度量子點的基態和激發態的載流子上升時間的變化，對載流子弛豫特性有何影響。通過這一系列問題的逐個解決，增強了學生對實驗設備的操作能力，培養了學生對實驗的創新思維和創新能力，增強了學生之間的團隊意識。通過實驗教學過程，學生經過探索、總結，形成了自己的物理創新意識，培養了物理創新能力，解決了現實問題。

三、 總結

本文基于量子點光學實驗對物理創新能力的培養進行了討論。在物理實驗教學和科學研究中必須按照指引學生從物理實際出發，以實驗創新為抓手，進行概括、總結，培養學生的創新能力。引導學生在物理實驗教學中充分發揮創新精神，通過實驗來探索、解決問題，從而提高學生物理創新能力。進一步增強學生在物理實驗過程中的主動性、積極性、靈活性和創造性，探索最佳的實驗教學模式，要讓學生掌握發現問題、分析問題、解決問題的方法，進而培養學生的物理創新意識和創新能力，打造高效的實驗物理課堂。

作者簡介：安成守，王洪福，吉林省延吉市，延邊大學 理學院 物理系。