CdS和ZnO纳米线中激子-声子、激子-激子相互作用理论

随着纳米科技的发展人们开始关注一维半导体纳米结构的受激激光现象。目前一维纳米结构受激发射的研究主要为实验结果，理论研究很少，受激发射产生机制还不明确。实验上主要通过发光谱、吸收谱和拉曼谱对一维纳米结构中元激发进行研究，由于包括很强的相干效应，只能测出所有元激发的综合动力学和发光性质，很难分辨出各种载流子的数目及每种元激发对受激发射的贡献。理论方面，由于一维纳米结构的量子限域和晶格取向等效应的共同作用，半导体块体材料受激发射的研究方法并不能直接应用于半导体纳米线。本项目拟发展理论计算和模拟方法，研究高密度激发下纳米线中激子-声子、激子-激子相互作用对受激发射的影响，探讨低温和室温下纳米线发光和受激发射的物理本质，最后结合实验给出纳米线受激发射的产生机制。我们选择纤锌矿型CdS和ZnO纳米线作为典型研究对象，相关结果可推广到其他材料中。这方面的研究对设计高效、低阈值的纳米激光器具有重要意义。

本项目主要研究了纤锌矿型CdS和ZnO纳米线中的激子-声子相互作用和激子-激子相互作用。纤锌矿结构CdS和ZnO属于极性半导体，由于Fröhlich 带间极性散射，极性半导体中存在很强的激子-LO声子相互作用，并且伴随着激子再结合会发生声子辅助的激子发射。由于纳米线中激子和声子在横向受限，使得它们间的散射作用增强。声子可以束缚激子，并且与激子相互耦合实现相干传播。纳米线中激子-声子散射线宽随纳米线尺寸下降而增加了量子限域作用下激子-声子相互作用增强。我们计算了量子线中激子-声子散射的弛豫时间与量子线尺寸的关系。计算结果表明弛豫时间随着纳米线尺寸减小而变短，达到最小值后将随纳米线尺寸减小而变长。即对CdS和ZnO纳米线，都存在一个临界的量子限域尺寸。弛豫时间最小值的位置依赖于空穴有效质量，轻空穴激子比重空穴激子具有更大的阱宽度。同时发现弛豫时间随温度升高迅速下降。原因是温度越高，纳米线中产生的声子数目越多，从而导致激子-声子快速弛豫达到热平衡。低温（<10K）时，弛豫时间随纳米线尺寸变化较缓。在同一温度，轻空穴激子与声子的弛豫时间长于重空穴激子。.为了验证理论结果我们采用化学气相沉积的方法生长了CdS纳米线，并对其发光特性进行了研究。实验上观察到了随激发功率增长发光峰半高宽窄化、发光强度非线性增长的现象，即发生了受激发射。通过拉曼光谱测试观察到了CdS纳米线中1LO和2LO声子。证明了受激发射是由于激子-声子相互作用而导致激子寿命增长，从而实现粒子数反转而发生的。这方面的研究对研制高效、低阈值激光器是至关重要的。