声子散射下半导体核壳结构纳米线中的电子输运

Based on the force balance equation of Lei and Ding，this proposal aims theoretical investigation of transport properties of current carrier in semiconductor core-shell nanowires. Considering affection of strain due to mismatch of lattices adjacent to the interface on the energy band, effective mass of electron, dielectric function, lattice vibration eta physical parameter, a simple model is set up firstly, and better models taking more factors in real grown CSNW into account are proposed. By solving the Hamilton equation and Poisson equation self-consistently, the Eigen energies and distribution of electron in CSNW are studied. In the framework of the dielectric continuum model, lattice vibration are discussed; furthermore, the Hamiltonians of electron-phonon interactions are obtained. According to the force balance equation of Lei and Ding, the functions of electron mobility along and perpendicular axis of NW scattered by phonons varying with strain on the interface, composition, and scale of the system is calculated. And then the conductivity property of CSNW is indicated. It is expected to explain and predict the photoelectric properties of CSNW, to stimulate the development of experiments and theories in the related field, so as to provide guidance for exploring and design new functional structures of CSNW.

本项目拟从雷丁平衡方程方法出发，从理论上探讨声子散射机制影响下的半导体（特别是氮化物）核壳结构纳米线（CSNW）中载流子的输运性质. 考虑纳米线异质结构中，因界面附近晶格失配导致的应变对各层材料的能带、电子有效质量、介电函数以及晶格振动等物理参数的影响，首先建立简单模型，然后改进模型计入更多真实生长CSNW中的因素. 采用哈密顿方程和泊松方程自洽求解CSNW纳米线中的电子能级和分布. 在介电连续模型的框架内探讨CSNW中的晶格振动，并进一步获得电声子相互作用哈密顿量. 依据雷丁平衡方程方法，计算各类声子散射下CSNW中的电子沿纳米线轴向和径向的迁移率随体系界面应变、组分、尺寸的变化关系. 从而了解CSNW的电导和发光性质. 以期解释和预言CSNW中的光电性能，推动相关领域的实验和理论发展，指导CSNW体系的功能探索和设计.

纳米线（NW）场效应晶体管是突破层状晶体管尺寸限制的允许候选材料. 迁移率是晶体管的重要物理参数. 研究者通过制作核壳结构纳米线（CSNW），进行组分和尺寸调制等方法提升纳米线迁移率. 声子散射是影响迁移率的重要机制. 室温下光学声子对电子迁移率的影响强于声学声子. 然而较少有工作细致讨论核壳结构纳米线中各类光学声子对电子迁移率的贡献. . 本项目从雷丁平衡方程方法出发，从理论上探讨声子散射机制影响下的半导体（特别是氮化物）CSNW中电子的输运性质. 首先，在有效质量近似下求解CSNW中的电子态. 然后，在介电连续和Loudon单轴晶体模型下，求解含三元混晶CSNW中各类光学声子；进一步利用转移矩阵法获得含三元混晶多界面核壳结构纳米线中的界面光学声子. 最后，在雷丁平衡方程方法的理论框架内，计入各类可能存在的光学声子的散射作用，讨论纤锌矿核壳结构纳米线中电子沿轴向的迁移率. 此外，作为拓展工作，计算CSNW和导带子带间光吸收系数和折射率变化，计算不同主量子数满足跃迁定则的子带间光吸收及其组分和尺寸效应；并将有限元差分法推广至球形核壳结构量子点（CSQD）中的电子态求解及子带间光吸收系数性质. 获得以下结果（1）因束缚维度增加，CSNW和CSQD的电子趋向于分布在核内；（2）给出CSNW中的各类光学声子的存有频率和组分条件，获得色散关系及声子静电势；（3）多壳层-核纳米线（CMSNW）中界面光学声子色散关系，由各界面两侧材料所组成的CSNW的界面光学声子构成；（4）纤锌矿极化效应导致的内建电场增强对电子的束缚，使尺寸对光吸收系数有调节作用仅在一定范围内有效；而组分总是调节电子态和光吸收性质的有效手段；（5）第一类局域光学声子对电子的散射作用较界面声子和局域声子强，因界面光学声子和传播光学声子的相互转变，存在迁移率极值组分；（6）降低温度或增大电子线密度将显著增大电子迁移率. 本项目所获得的结果解释和预言了CSNW体系中部分光电性质，有望对CSNW光电器件研发提供理论参考.