零維半導體材料的電子結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、納米半導體材料，尤其是電子和空穴在三個空間方向上均為運動受限的零維量子點和量子環(huán)，其電子和光學特性與體材料有著很大的差別，這使得基于量子點和量子環(huán)的光電子器件，在近幾十年來成為人們持續(xù)關(guān)注的焦點。關(guān)于零維量子點和量子環(huán)的研究，始終是凝聚態(tài)物理和光電子領(lǐng)域的前沿課題。本論文依托課題組承擔的國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（批準號：2009AA03Z405）、國家自然科學基金（批準號：60644004）、國家自然科學基金（批準號：60908028）和

2、國家自然科學基金（批準號：60971068），緊密圍繞量子點和量子環(huán)的電子結(jié)構(gòu)這一問題展開，對不同形狀、不同材料的量子點和量子環(huán)的電子結(jié)構(gòu)進行了理論計算，取得的主要成果如下：
　　 1.在零維半導體材料的多帶k.p擾理論的平面波展開法框架內(nèi)，應用傅立葉變換方法計算哈密頓量矩陣元；說明了其可以克服傳統(tǒng)的解析積分求解矩陣元，會受到量子點或量子環(huán)幾何結(jié)構(gòu)的限制這一缺點；并且給出了傅立葉變換計算矩陣元的詳細推導過程。
　　 2.

3、對于InAs/GaAs量子環(huán)，分別應用解析積分和傅立葉變換計算求解了四帶k.p哈密頓量矩陣元，由此計算了價帶的空穴能級隨量子環(huán)的內(nèi)半徑、外半徑、寬度、高度等幾何尺寸的變化。解析積分和傅立葉變換得到的結(jié)果符合得很好，從而證明了后者在處理k.p哈密頓量矩陣元時的正確性。另外，通過采用四帶、六帶和八帶k.p理論對InAs/GaAs量子環(huán)的價帶結(jié)構(gòu)進行分析，得到了自旋一軌道耦合和導帶對空穴能級的顯著影響。本部分結(jié)果對于研究InAs/GaAs量子

4、環(huán)的光電子器件的帶間躍遷具有指導意義。
　　 3.對于不規(guī)則形狀的新型零維結(jié)構(gòu)：GaAs/AIGaAs同心雙量子環(huán)，采用傅立葉變換方法分析了電子的能級與量子環(huán)演化過程的關(guān)系。結(jié)果表明，從GaAs單量子環(huán)到雙量子環(huán)的演化過程中，電子能級的變化并不呈現(xiàn)出單調(diào)性。此外，如果在垂直于雙量子環(huán)平面的方向上引入均勻磁場，則電子基態(tài)能級在磁場下的移動比空穴基態(tài)能級更為明顯。這對研究GaAs/AlGaAs同心雙量子環(huán)電子一空穴的復合發(fā)光提供了理

5、論前提。
　　 4.采用有限元方法，計算了第二類能帶對準型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)：GaSb/GaAs大失配量子環(huán)的應變分布和空穴束縛態(tài)。計算發(fā)現(xiàn)重空穴的和輕空穴的能量差別很大，這是由于較大的雙軸應變造成的。通過比較截頂金字塔形狀的GaSb/GaAs和InAs/GaAs量子點的應變能，說明了GaSb/GaAs量子環(huán)完全中空結(jié)構(gòu)的形成原因，是需要釋放更多的已經(jīng)積累的應變能，這對實驗上研究GaSb/GaAs量子點或量子環(huán)的生長有所幫助。
　

6、　 5.采用有限元方法，對于InAs/GaAs量子環(huán)分子和量子點分子，分別計算了其電子結(jié)構(gòu)受到縱向和橫向電場的影響。結(jié)果表明，電場可以有效地調(diào)節(jié)電子波函數(shù)在不同量子環(huán)或量子點當中的分布。特別地，對于非垂直對準的InAs/GaAs量子點分子，其能級與橫向電場的關(guān)系曲線不再具有對稱性，這為判斷量子點分子的非垂直對準提供了理論方法。
　　 6.采用有限元方法，分析了GaAs/AIGaAs二維量子環(huán)當中不同角動量l對應的最低的電子能級