GaN-基纳米线/点结构极化子效应对光电子特性影响机理研究

具有高电子迁移率的宽禁带直接带隙氮化物半导体，被公认是从紫光到红光波段的理想发光及高温高频电子器件材料。由于氮化物通常结晶为各向异性纤锌矿结构，加之氮化物异质结存在强的内电场，它的声子谱更加复杂，载流子运动和光学特性具有新的特点。拟采用介电连续模型和Loudon单轴晶体模型，系统求解纤锌矿量子线/点体系中的光学声子模，导出各种声子模的色散方程、自由声子场及电子-声子相互作用类Fr?hlich哈密顿量，进一步研究氮化物量子线/点系统的极化子效应对杂质、激子发光特性的影响，这是本项目的特色和创新处之一。考虑到氮化物材料大的电-声子耦合常数及低维量子结构导致更有效的电-声子相互作用，研究极化子效应对纤锌矿量子线/点系统的光学非线性的影响机制，这是本项目又一特色和创新之处。本项目的研究内容不仅有助于认识氮化物纳米线/点结构的物理性质，而且还对相关光电子器件等新原理器件的研究与开发具有理论指导意义。

根据项目申报书提出的研究计划与目标，三年来项目组在纤锌矿准一维GaN-基纳米线、准零维量子点以及相关量子系统的极化光学声子态及其极化子效应方面，开展了一系列研究工作，取得了重要进展，较好完成了本项目提出的研究任务，主要研究成果可归纳为以下四点。一、系统研究了各向异性纤锌矿低维量子结构，包括准一维量子线、准零维量子点及准二维量子阱结构的各类极化光学声子模及相应电子-声子相互作用哈密顿。将这些不同受限维度体系中的声子态及电-声子耦合函数用统一的方程进行了描述，并综述了声子模的色散特点与电-声子耦合性质的一般性规律。丰富和发展了先前连续介质模型下各向同性立方晶体低维量子结构的极化光学声子模理论。二、研究了准二维纤锌矿复合基氮化物超晶格、准一维纤锌矿圆形与矩形截面氮化物量子线、准零维柱形与球形量子点结构的各类极化光学声子态及电子-声子相互作用函数，发现了一些重要特征。发现准二维纤锌矿氮化物超晶格中声子色散谱展宽为一系列频带，随着波数增加，这些带宽变窄。在准一维纤锌矿量子线中发现了四种色散声子模，即界/表面模、传播模、半空间模与准受限模，并发现了这些声子模明显的“退化”行为。在准零维纤锌矿柱形量子点中发现了四种极化混合声子模，它们的色散频率表现为波数或量子数的分立函数。三、基于得到的各类声子模及相应的电子-声子相互作用耦合函数，研究了极化子效应对纤锌矿氮化物纳米结构中杂质态、激子态及光吸收性质的影响。计算结果表明，GaN-基纳米线结构中的杂质束缚极化子与激子极化子结合能比相同结构尺寸的GaAs-基量子线结构的相应值大一个数量级，数值计算结果解释了实验观测数据。极化子效应使GaN-基纳米线体系的总吸收系数增强，使饱和吸收强度降低，这些发现对基于氮化物量子线结构的光电子器件研发具有重要意义。四、ZnO-基半导体与GaN-基材料同属宽带半导体，它与GaN-基材料有一些共性（宽的直接带隙）和并具特点（ZnMgO中Mg的含量不同晶体结构可为纤锌矿或闪锌矿结构），初步探讨了准一维ZnO-基量子线与准零维量子点体系的极化光学振动特性，并得到了一些有意义的结果。项目执行以来共在J. Appl. Phys等国内外重要期刊发表学术论文11篇，综述性评论1篇，被接收待发表2篇，发表论文全部被SCI或EI收录，到目前已被引用7次。发表教学讨论论文两篇，参加国内学术会议四人次，培养研究生一名。