光子上转换是一种重要的非线性反斯托克斯发光现象, 在激光、显示、光伏、信息安全以及生物成像与诊疗等领域具有应用前景。与研究较多的有机分子三重态-三重态湮灭和稀土掺杂纳米颗粒上转换发光材料相比, 上转换量子点可以在宽光谱激发范围内实现上转换发光, 具有频谱吸收宽、发光效率高、近红外可吸收、能带可调、尺寸小以及稳定性高等特点, 引起了领域内的关注。本文介绍了上转换发光的种类及机理, 对近年来上转换发光量子点的研究进展进行了总结, 重点分析了基于激发态吸收的半导体双量子点的类型和设计原理, 探讨了上转换发光量子点在发光二极管(LED)、光电探测、生物标记、太阳能电池等方面的应用潜力, 特别是未来发展面临的挑战和前景。

Ag-In-Zn-S四元半导体纳米晶(以下简称AIZS NCs)不仅具有传统半导体纳米晶带隙可调、发光效率高等优异的发光特性, 同时凭借其低毒和合成工艺简单等优点, 在发光二极管、生物医学和光电转换等领域得到了广泛应用, 成为传统镉基半导体纳米材料的有力竞争者之一。本文通过一步反应法制备出发光性能良好的AIZS NCs, 并通过组分调控扩大其发光范围, 使其发光颜色从绿光调至红光。在此基础上, 采用注射法研究了AIZS NCs的形成过程, 证明AIZS纳米晶的形成是阳离子交换反应发生的结果。为了进一步提高其发光性能, 采用种子生长法继续在AIZS纳米晶中引入Zn源形成合金型AIZS-ZnS NCs, 使其光致发光量子产率达到47%。最后, 采用全溶液处理方法以AIZS-ZnS NCs作为发光层构筑了绿、黄和红三色电致发光二极管, 其中黄光电致发光二极管的电流效率达到了1.07 cd·A-1。

利用超快光谱技术系统研究了在丁胺包裹的CdSe量子点敏化的TiO2纳米晶薄膜起始时刻界面间电子转移动力学。与之前的报道不同; 该实验结果表明：CdSe量子点经过表面修饰后; 两相电子注入机制--热电子和冷电子注入得以被证实; 即：电子能分别从CdSe量子点导带中高的振动能级和导带底转移到TiO2的导带。该机制详细描绘了电子在纳米界面间转移的图景。进一步研究发现：热电子注入的电子耦合强度(36±01 meV)比弛豫后的基态电子注入高两个数量级; 基于Marcus理论; 伴随着0083 eV的重组能; 冷电子注入的耦合强度值为~50 μeV。

半导体量子点的激子超辐射出现的条件是本文激子超辐射的理论研究中的重点，我们的理论推导结果揭示要观测到半导体量子点的激子超辐射必须采用短于百飞秒的激发源。我们用ZnO单量子点观察到激子超辐射，同时测量和分析讨论了量子点集合的相干辐射性质，发现单量子点超辐射的二次方泵浦与辐射强度关系被大量量子点间的线性递增所掩盖。

应用新型的光声光谱技术, 研究了不同种类和不同制备工艺条件的半导体纳米晶粉的光学特性, 测量了半导体TiO2、 ZnO和掺铝ZnO纳米晶粉的光声光谱, 获得了这些半导体纳米晶粉的带隙和光谱吸收系数。 研究结果表明, 相同种类和相同颗粒形状的半导体纳米晶粉的粒径越小, 光学吸收系数越大。 半导体纳米晶粉的带隙与相同种类纳米颗粒形状(圆球形或棒形)密切相关。 通过掺杂、 改变粒径尺寸、 改变形状可以达到改变纳米晶的光学、 电学特性的目的。

采用射频磁控共溅射与高真空退火相结合的方法, 分别在单晶硅片和光学石英玻璃片上制备了GaAs/SiO₂纳米晶镶嵌薄膜样品。 激光拉曼光谱的测量结果表明, 退火态样品;400℃, 60 min 的拉曼光谱特征峰呈现宽化和红移, 红移量为9.5 cm-1, 对应薄膜中GaAs纳米晶粒平均粒径约为3 nm。 样品的室温吸收光谱测量结果表明, 由于受量子限域效应的主导作用, 与GaAs块状单晶相比, 样品光学吸收边呈现出明显的蓝移, 蓝移量为1.78 eV, 而且在吸收光谱上还出现了若干可分辨的吸收峰。