零維半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、納米半導(dǎo)體材料，尤其是電子和空穴在三個空間方向上均為運(yùn)動受限的零維量子點(diǎn)和量子環(huán)，其電子和光學(xué)特性與體材料有著很大的差別，這使得基于量子點(diǎn)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(diǎn)。關(guān)于零維量子點(diǎn)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(dān)的國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（批準(zhǔn)號：2009AA03Z405）、國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：60644004）、國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：60908028）和

2、國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：60971068），緊密圍繞量子點(diǎn)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(diǎn)和量子環(huán)的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論計(jì)算，取得的主要成果如下：
　　 1.在零維半導(dǎo)體材料的多帶k.p擾理論的平面波展開法框架內(nèi)，應(yīng)用傅立葉變換方法計(jì)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(diǎn)或量子環(huán)幾何結(jié)構(gòu)的限制這一缺點(diǎn)；并且給出了傅立葉變換計(jì)算矩陣元的詳細(xì)推導(dǎo)過程。
　　 2.

3、對于InAs/GaAs量子環(huán)，分別應(yīng)用解析積分和傅立葉變換計(jì)算求解了四帶k.p哈密頓量矩陣元，由此計(jì)算了價(jià)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(jià)帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到了自旋一軌道耦合和導(dǎo)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(dǎo)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(fù)合發(fā)光提供了理

5、論前提。
　　 4.采用有限元方法，計(jì)算了第二類能帶對準(zhǔn)型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)：GaSb/GaAs大失配量子環(huán)的應(yīng)變分布和空穴束縛態(tài)。計(jì)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(yīng)變造成的。通過比較截頂金字塔形狀的GaSb/GaAs和InAs/GaAs量子點(diǎn)的應(yīng)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(yīng)變能，這對實(shí)驗(yàn)上研究GaSb/GaAs量子點(diǎn)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(diǎn)分子，分別計(jì)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(diǎn)當(dāng)中的分布。特別地，對于非垂直對準(zhǔn)的InAs/GaAs量子點(diǎn)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(diǎn)分子的非垂直對準(zhǔn)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(dāng)中不同角動量l對應(yīng)的最低的電子能級