分子束外延PbTe、PbSe窄带隙半导体量子结构的新型光电特性研究

研究Pb、Sn、Ge金属纳米结构表面等离子体与PbTe、PbSe窄带隙半导体量子结构的相互作用，理论上采用离散偶极子近似 (DDA)模型研究其耦合机制，为实验研究提供耦合体结构的优化参数，实验上利用我们IV-VI族半导体分子束外延技术生长Pb(Sn、Ge)纳米/PbTe量子结构，实现PbTe、PbSe量子结构的中红外发光增强，探索发光增强效应在中红外发光器件中的应用；研究分子束外延自组装生长PbTe、PbSe半导体量子点的光生载流子增殖效应（一个光子激发出多对电子-空穴），分析量子点中热电子的碰撞电离和电子-声子散射的竞争机制，研究量子点中光生载流子的转移途径，探索光生载流子增殖效应在红外光子探测中的应用。

该项目在半导体量子结构(量子点和量子阱)的构筑、物理特性的表征和光电子器件的研制等方面取得了较大进展和成果，在构筑方面，我们把物理外延和化学合成方法相结合，实现了多种有特色的半导体量子结构和金属纳米结构，包括提出了一种具有高度非对称的CdTe/PbTe/PbSrTe量子阱(QW)结构，理论预言了沿[110]生长的QWs其自旋-轨道分裂值高达13.7 meV；采用分子束外延（MBE）生长CdTe/PbTe异质结构和PbSe/PbSrSe多量子阱结构；采用化学方法制备出均匀性良好、小尺寸PbSe和CdSe量子点(QDs)；发展了一种独特的自组装生长Ag纳米结构的方法，上述半导体量子结构和金属纳米结构的实现为开展其光、电特性研究奠定了良好的基础。我们用DFT理论与实验相结合的方法研究了CdTe/PbTe(111)异质结的极性界面问题，发现了CdTe/PbTe(111)界面存在二维电子气的物理现象；CdTe表面等离子与PbTe中红外光子的强耦合导致了中红外发光的显著增强，用经典电磁理论对发光增强现象进行了解释。该项目系统研究了CdSe QDs与Ag纳米结构表面等离子耦合及其退火和紫外光辐照等物理调控过程对量子点发光特性的影响，从而获得了精确调谐量子点的带间发光和表面态发光的有效方法。我们采用紫外光电子谱确定了PbSe QDs/ZnO异质结的能带结构由I-型向II型转变的量子点临界尺寸。上述物理新现象和机理的发现为后续新型光电子器件研制奠定了良好基础。在半导体光电子器件研制方面，我们利用自主的材料生长技术和器件制备工艺制成CdSe量子点电致发光器件和In2O3/PbTe异质结中红外光伏探测器。