论文摘要
自二十世纪七十年代以来,对以超晶格、量子阱等为代表的半导体低维结构的研究有力地推进了半导体研究和新一代高技术的发展。由于半导体低维结构具有新颖的物理性质和广泛的应用前景,所以对它的研究已成为凝聚态物理中具有强劲发展势头的重要领域之一。本文系统地探索了含结构缺陷层（或表面层）超晶格结构中的声子-极化激元模（下简称极化激元模）与Wannier激子性质。期待研究结果能为将来设计相关的光学元器件和相应实验研究提供理论依据。获得的主要结果如下:利用转移矩阵方法推导了含结构缺陷两耦合半无限超晶格（ GaAs/AlAs ）中的界面极化激元模的色散关系式,通过数值计算研究了该结构中局域界面极化激元模的性质。缺陷层介电常数是否依赖于角频率直接影响局域模在剩余射线区内的分布情况与数量,而且还影响着反对称模特征。缺陷层的材料性质与宽度是决定两半无限超晶格之间耦合强度的关键性因素并直接影响着局域极化激元模性质。此外,局域极化激元模性质对组份层的排列顺序与相对厚度以及横向波数有着不同的依赖程度。对于缺陷层为三元合金AlxGa1-xAs的结构缺陷超晶格,降低含Al浓度,部分类GaAs极化激元模向高频区移动,而部分类AlAs极化激元模向低频区移动。研究了结构缺陷有限超晶格中局域界面极化激元模的演变规律。在非辐射区,局域极化激元模可以位于剩余射线区内或剩余射线区外。在剩余射线区内,极化激元模可能位于微带中,也可能位于微带上下方或是微隙中。微带中的极化激元模表现出扩展模性质,微带上下方的极化激元模主要局域在缺陷层附近,而微隙中的极化激元模呈现出表面模或局域模性质;通过改变缺陷层或组份层厚度,可以清晰地看到极化激元模在局域模、扩展模和表面模之间的演变;对于三元合金缺陷层AlxGa1-xAs ,部分极化激元模随着含Al浓度的变化在剩余射线区内移动,同时亦可观察到界面模在扩展态、表面态和局域态之间的演变过程;在辐射区与非辐射区交界处,辐射模与非辐射模一一对应,可清晰地看到辐射模与非辐射模之间的演变。研究了覆盖层为三元合金( AlxGa1-xAs )半无限超晶格（ GaAs/AlAs ）中的表面极化激元模性质。三元合金的两模行为引发了许多现象:在类GaAs模的纵向光学声子频率附近,伴随着新表面极化激元模的出现,而在类AlAs模的纵向光学声子频率附近无新表面极化激元模;在GaAs剩余射线区内,部分类GaAs模随着含Al浓度的降低朝高频区移动。而在AlAs剩余射线区内,部分类AlAs模随着含Al浓度的降低朝低频区移动;两表面模出现反向相交后,模的局域性质发生了交换;在色散谱中,由两模行为而引发的表面极化激元模对覆盖层和组份层厚度的变化不敏感,而其它表面极化激元模对覆盖层和组份层厚度的依赖性较强。在有效质量近似下,运用变分法和转移矩阵法研究了结构缺陷超晶格(GaAs/AlxGa1-xAs)中的局域激子态。从激子能、横向半径和纵向几率随缺陷层厚度的变化,可清晰地看到激子的准二维与三维特征以及激子在二维和三维之间的演变规律;缺陷层厚度达到某特定值时,激子能达到极大值。与此同时,激子在横向与纵向的扩张几乎同时达到极小值;激子能对组份层的含Al浓度十分敏感,随着含Al浓度的降低,激子能减小。另外,激子能随着超晶格组份层GaAs厚度的增加而减小,而随着组份层AlxGa1-xAs厚度的增加而增加;由于耦合强度的不一样,结构缺陷超晶格中的激子行为与单量子阱中的激子行为存在许多不同之处。
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