安成守 王洪福

摘要：量子点由少量的原子所构成，它不仅成为基本物理研究的重要对象，也成为研制新一代量子器件的基础。通过量子点光学实验研究，提高学生对物理实验的兴趣，培养学生的创新能力，拓展学生对量子世界的理解。

关键词：量子点；物理实验；物理创新能力

高等学校物理实验是为高校理工科开设的一门基础实验课，是对学生进行系统科学实验技术和实验基础训练以及实验方法训练的一门独立的实验课，是培养学生物理实验能力和科学实验素质的重要的实践性课程，在培养学生的动手能力、科学创新能力、创造性思维和综合素质方面有着其他课程不可代替的作用。加强创新实验教学，培养学生创新精神和创新能力，已成为新形势下高等教育的重中之重。本文通过量子点光学实验，研究量子点光学性质和阐述其实验方法的设计思想，使学生在探索解决实际量子点物理问题的实验过程中培养和增强物理创新能力。

一、 指引学生从物理实际出发，以实验创新为抓手，进行概括、总结，培养学生的创新能力

量子点是近几年发展起来的新型纳米材料，其研究涉及物理、化学、材料、生物等多学科领域。很多现代发光材料和器件都由半导体量子点结构所构成，它具有宽的激发光谱、窄的发射光谱。可精确调谐的发射波长、可忽略的光漂白等优越的荧光特性，可以很好地用于荧光标记，可以成为理想的生物荧光探針。量子点中低的态密度和能级的尖锐化，导致了量子点结构对其中的载流子产生三维量子限制效应，从而使其电学性能和光学性能发生变化，而且量子点在正入射情况下能发生明显的带内跃迁。这些性质使得半导体量子点在单电子器件、存储器以及各种光电器件等方面具有极为广阔的应用前景。

英国诺丁汉大学的Polimeni 等人研究了自组织生长量子点光学性质的温度变化，揭示了量子点发光特性和载流子弛豫特性。加拿大蒙特利尔综合理工学校的Levesque 等人研究了具有薄隔离层的多层量子点变温光致发光谱的特性，揭示了量子点和湿润层之间载流子的迁移特性和具有不同大小量子点变温发光特性以及利用速率方程描述不同大小量子点的载流子动力学。浙江海洋大学的孔令民等人研究了自组织量子点的变温光致发光谱和时间分辨光谱特性，揭示了光致发光谱峰值和载流子寿命随温度的变化特性。

近年来对于量子点的光学性质研究，即载流子的弛豫过程、热发射、上升时间、衰减时间、跃迁过程、辐射复合等光学性质的研究引起了人们的广泛关注。尤其是作为一个量子点光电器件，载流子的松弛快慢和热发射是决定量子点器件性能的主要关键。因此，在物理教学中，要从实验创新出发，以逐步提高学生的科学实验素质和创新能力为目标，发挥创造力和想象力，更好地掌握物理新知识和培养科学的物理创新能力。

二、 引导学生在物理实验教学中发挥创新精神，通过实验来探索、解决问题，从而提高学生物理创新能力

研究量子点光学性质通常用光致发光光谱和时间分辨光谱实验方法来实现。光致发光光谱是指物质在光的激励下，电子从价带跃迁至导带并在价带留下空穴；电子和空穴在各自的导带和价带中通过弛豫达到各自未被占据的最低激发态，成为准平衡态；准平衡态下的电子和空穴再通过复合发光，形成不同波长光的强度或能量分布的光谱图。光致发光谱是一种无损的测试方法，可以快速、便捷地表征量子点材料的缺陷、杂质以及材料的发光性能。时间分辨光谱是指通过记录到的光谱随时间的变化，了解在瞬时过程中的发生的事件和过程，从而得到普通光谱中无法得到的信息。时间分辨光谱是指一种能观察物理和化学的瞬态过程并能分辨其时间的光谱，通过测量激发光与发射光之间的时间延时获得分子激发态寿命。

在我们的实验中，采用激光器、切光器、单色器、低温保持器、记录仪、超高速扫描照相机的光学平台。由激光器发出的光通过切光器使其变为断续之光，此光即为荧光物质的激发光，低温保持器里的被测荧光物质在激发光照射下所发出的荧光，经过单色器变成单色荧光后输出至记录仪，荧光单色器的光栅均有电动机带动的凸轮所控制，当测绘荧光发射光谱时，让荧光单色器凸轮转动，将各波长的荧光强度讯号输出至记录仪上，所记录的光谱即为荧光光谱。时间分辨光谱是一种瞬态光谱，如果用激发源是脉冲或随时间变化的其他形式，光谱也是随时间变化的，这种情况下的测量可以得到瞬态光谱。因此通过光致发光谱和时间分辨光谱实验，了解量子点载流子的上升时间、衰减时间、弛豫、热发射、迁移过程、辐射复合等光学性质。在教学过程中学生通过变温、变激发光强度光致发光谱的方法，探索收益率随激发光强度和温度变化、能量迁移和半高宽随温度的变化；通过变温、变激发光强度时间分辨光谱方法，探索基态和激发态的载流子衰减时间随温度变化以及基态的载流子衰减时间随激发光波长变化；利用改变激发光波长的方法，探索量子点载流子弛豫特性。在实验过程中，学生还要考虑在高温条件下，量子点中载流子热发射问题，从而增强量子点光信号强度；量子点湿润层效果对湿润层到量子点的载流子俘获时间有何影响；具有不同密度量子点的基态和激发态的载流子上升时间的变化，对载流子弛豫特性有何影响。通过这一系列问题的逐个解决，增强了学生对实验设备的操作能力，培养了学生对实验的创新思维和创新能力，增强了学生之间的团队意识。通过实验教学过程，学生经过探索、总结，形成了自己的物理创新意识，培养了物理创新能力，解决了现实问题。

三、 总结

本文基于量子点光学实验对物理创新能力的培养进行了讨论。在物理实验教学和科学研究中必须按照指引学生从物理实际出发，以实验创新为抓手，进行概括、总结，培养学生的创新能力。引导学生在物理实验教学中充分发挥创新精神，通过实验来探索、解决问题，从而提高学生物理创新能力。进一步增强学生在物理实验过程中的主动性、积极性、灵活性和创造性，探索最佳的实验教学模式，要让学生掌握发现问题、分析问题、解决问题的方法，进而培养学生的物理创新意识和创新能力，打造高效的实验物理课堂。

作者简介：安成守，王洪福，吉林省延吉市，延边大学 理学院 物理系。