自組織量子點與量子環(huán)物理性質的理論研究.pdf

1、自從20世紀后半葉以來，在電子信息技術飛速發(fā)展的推動下，半導體制備技術也在突飛猛進的發(fā)展，制備的極限尺寸從最初的微米量級逐漸發(fā)展到現(xiàn)今的納米尺度。在這種技術背景下，人們開始關心納米尺度下材料的性質及其應用。
　　 量子點，作為一種納米材料，由于其獨特的電子結構以及類似原子的光學特性，使得它已經在醫(yī)學、光電子學器件、量子計算機、信息存儲等方面顯露出了巨大的應用潛能。
　　 繼量子點之后，另外一種新型的納米結構-量子環(huán)在實驗

2、中制備了出來。
　　 量子環(huán)展現(xiàn)出了更加獨特的物理性質，其中很多是量子點所不具備的，比如：Aharonov-Bohm效應，激子復合子熒光譜的溫度效應等。這些不同于量子點的效應，主要是由于量子環(huán)特有的非簡單聯(lián)通的拓撲結構所決定的。
　　 在本篇論文里我將介紹我們在量子點與量子環(huán)的電學、光學性質方面所做的理論計算研究。本篇論文的主要內容包括以下幾個部分：
　　 1.外加單軸應力對量子點單激子光譜精細結構劈裂的調節(jié)。<

3、br>　　 我們研究了在量子點上施加單軸應力對量子點中單激子發(fā)光精細結構劈裂(FSS)的影響，發(fā)現(xiàn)xy平面內的單軸應力可以把FSS顯著減小。但有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)只有純量子點中FSS可以減小到01eV，而在合金量子點中，F(xiàn)SS的減小存在一個下限，對于合金量子點這個下限是普遍存在的，不同尺寸、形狀或者成分的合金量子點，這個下限的大小會有所不同，但大部分的下限都處在11eV之上，使得雙激子發(fā)光的量子糾纏無法實現(xiàn)。鑒于此，我們通過構建簡單模型

4、，解析地分析了外加應力下，量子點FSS下降時下限產生的機理，同時提出了如何更優(yōu)的選擇量子點以產生糾纏光子對。
　　 2.量子環(huán)的單粒子能級結構以及單激子發(fā)光獨特的各向異性。
　　 我們對量子環(huán)這種有著特殊拓撲結構的納米體系進行了研究，我們的結果顯示量子環(huán)有著與量子點很不一樣的能級結構和應變分布特性。更獨特的是，量子環(huán)中單激子的發(fā)光具有很強的各向異性：在量子點中，單激子的發(fā)光在[110]和[1110]偏振方向的強度基本上相

5、等(定義λ=I[110]-I[11(1)0]/I[110]+I[1(1)10]，量子點中λ≈1)；但在量子環(huán)中，這兩個偏振方向的光強相差很大（λ＜1，有的量子環(huán)中甚至會小到0.3），即表現(xiàn)出很強的各向異性。這種量子環(huán)所特有的光學性質在納米材料的結構探測以及光學器件設計方面，有潛在的應用價值。
　　 3.量子環(huán)中各種激子復合子獨特的光譜性質。
　　 我們進一步對量子環(huán)中激子復合子的熒光譜進行了研究，同時考察了該光譜對環(huán)境溫

6、度的依賴性，我們發(fā)現(xiàn)，即使在很低的溫度，比如液氦溫區(qū)，正單充電激子(X1+)以及雙激子(XX)的熒光譜中也會出現(xiàn)兩個或以上的峰；同時這些光譜還顯現(xiàn)出很強的溫度依賴效應。這種效應的發(fā)現(xiàn)有助于我們理解實驗中觀測到的納米體系中復雜的熒光光譜。
　　 4.量子點和量子環(huán)中的隱藏關聯(lián)能的獨特性質。
　　 我們在研究量子點與量子環(huán)光譜的過程中發(fā)現(xiàn)一個非常有趣的規(guī)律，單激子(X)與雙激子XX的基態(tài)躍遷能量之和總是大于負單充電激子(X?

7、)與正單充電激子X+的基態(tài)躍遷能量之和：EX+EXX>EX++EX-。而我們通過解析推導發(fā)現(xiàn)，在Hatree-Fock近似下，上式兩邊是相等的。而Hatree-Fock近似下的能量值和能量精確值之間的差別就在于關聯(lián)能，于是我們定義一個新的物理量，“隱藏關聯(lián)能”(△)，用來度量納米體系中四種激子復合子的基態(tài)發(fā)光能量間的關系，這是一種可以在實驗上通過光譜觀測得到的量。我們的計算顯示，隱藏關聯(lián)能在量子點和量子環(huán)體系中有著非常獨特的性質：(1)