半导体低维量子结构中电子态、声子态及其相互作用性质研究

论文摘要

近几十年来，半导体低维量子结构因其新颖的物理性质和广泛的应用前景，已成为凝聚态物理和材料科学中的重要前沿领域。同时，分子束外延等超薄生长技术和精细束加工技术的日益完善和迅猛发展也为量子器件的不断推陈出新给予了重要的技术支持。本文对一种特殊的半导体低维量子结构——含结构缺陷超晶格中的电子态、声子态及电声子相互作用作了较深入的探索，取得了一些有意义的结果，以期能为相关量子器件的设计和制造提供理论依据。 在有效质量近似理论下，利用转移矩阵和有效垒高方法研究了有限磁场下含结构缺陷的多组分超晶格中局域电子态的性质。在考虑各组分层有效质量的失配时，外加磁场会导致磁耦合效应的出现。数值结果揭示，磁耦合效应不仅引起局域电子能级的量子化，并且随着朗道指数或磁场强弱的变化，局域能级及其局域程度都会发生显著移动，特别是对高能区域的局域电子态影响更大。此外，还利用散射矩阵计算了电子输运系数，详细讨论了含结构缺陷的三组分有限超晶格中局域电子能级与输运谱透射禁区中的共振透射峰的关系，发现两者之间有着很好的对应关系，为相应的实验研究提供了依据。由于多组分超晶格在多量子阱激光器、红外光电探测器等器件方面的独到用处，这些研究结果具有重要的参考意义。 在宏观介电连续近似下，采用转移矩阵方法，研究了含结构缺陷有限超晶格中局域界面光学声子模随结构参数的演变规律。在这种有限超晶格结构中，可以清楚地看到所有界面模的演化轨迹。结果表明：存在两类局域模，它们的宏观静电势波函数分别局域在缺陷层和表面层附近，且这些模随着超晶格组分层和缺陷层的相对厚度和介电常数的改变，其局域位置和特性发生显著变化。当缺陷层引入三元合金时，其两模行为导致局域模数目增加，且随着合金成分数的改变，局域模发生简并、分离、穿越等有趣现象。然而，在这些演变过程中，虽然能隙中局域模的数目不守恒，但所有界面模的总数是守恒的。 采用费密黄金规则和转移矩阵方法，计算了含包覆层半无限超晶格中的表面电声子跃迁率。在这种结构中，最低的两个表面电子能级分别存在于第一和第二微隙中。它们之间的电声子跃迁率依赖于电子的横向波矢的大小、半无限超晶格组分层的相对厚度以及基底层和包覆层的材料本质等。然而，从本质上来讲，这种表面电声子跃迁率的大小是由表面电子态及表面光学声子模的衰减长度决定的。这些结果表明，可以通过调整结构参数来人工控制表面电声子跃迁率的大小，这对于半导体超晶格激光器等光电器件的设计是有裨益的。

论文目录

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• 摘要
• ABSTRACT
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 半导体超晶格电子态理论
• 1.2.1 半导体超晶格简介
• 1.2.2 包络函数模型
• 1.3 半导体超晶格声子态理论
• 1.3.1 连续介质弹性模型与声学声子谱
• 1.3.2 介电连续模型与光学声子谱
• 1.4 半导体超晶格电声子互作用理论
• 1.5 本文的研究背景及意义
• 1.6 本文研究内容
• 第2章 磁场下含结构缺陷多组分超晶格中的局域电子态和电子输运
• 2.1 引言
• 2.2 模型与公式
• 2.2.1 含结构缺陷的阶梯形势垒基无限超晶格的局域电子态
• 2.2.2 含结构缺陷的阶梯形势垒基有限超晶格的电子输运系数
• 2.3 数值结果和分析
• 2.3.1 有限磁场对局域电子态的影响
• 2.3.2 磁场下有限超晶格的电子输运谱
• 2.4 本章小结
• 第3章 含结构缺陷超晶格量子波导中声学声子输运
• 3.1 引言
• 3.2 模型与公式
• 3.3 数值结果和分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 含结构缺陷有限超晶格中局域界面光学声子模的演变
• 4.1 引言
• 4.2 模型与公式
• 4.3 数值结果和分析
• 4.3.1 局域界面光学声子模随缺陷层厚度的演变特征
• 4.3.2 局域界面光学声子模随组分层厚度的演变特征
• 4.3.3 三元合金缺陷层对局域界面光学声子模的影响
• 4.3.4 局域界面光学声子模本质讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 含包覆层半无限超晶格的表面电声子互作用及其主导下的电子跃迁
• 5.1 引言
• 5.2 模型与公式
• 5.2.1 表面光学声子模
• 5.2.2 表面电子态
• 5.2.3 表面电声子互作用主导下的电子跃迁率
• 5.3 数值结果和分析
• 5.3.1 表面电子态和声子模的局域特征
• ‖及组分层厚度的变化'>5.3.2 表面电声子跃迁率随电子横向波数κ_‖及组分层厚度的变化
• 5.3.3 表面电声子跃迁率随基底层Al浓度的变化
• 5.3.4 表面电声子跃迁率随包覆层宽度和势函数的变化
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A （攻读学位期间发表与待发表的学术论文目录）
• 致谢