纤锌矿三元混晶多层异质材料中电-声子相互作用及其相关问题

Based on lattice dynamics and microscopic atomic model, this proposal aims theoretical investigation of different kinds of lattice vibrations (i.e., phonons, including optical and acoustic phonons) in multilayered heterostructure materials consisting of wurtzite ternary mixed crystals (the keystones are nitrides) to obtain the Hamiltonians of electron-phonon interactions. The material parameters such as dielectric properties, lattice vibrations, energy bands and electronic effective masses, etc., as functions of mixed crystal compositions and the effect of interfaces are discussed in detail. Optical polaron effects on impurity states and excitons states in these systems are further studied, meanwhile, the optical absorption of carrier subband transitions and assistant transition due to optical phonons are also studied. The effects of scattering from optical and acoustic phonons on properties of electron transport parallel and perpendicular to interfaces are investigated. The modifications by stress and strain are included in the above contents. Furthermore, the influences on electron states mentioned above from electric fields (including the built-in electric field induced by spontaneous and piezoelectric polarizations and external fields) and magnetic fields are discussed as well. It is expected to explain and predict novel physical phenomena, to stimulate the development of experiments and theories in the related fields so as to provide useful guidance for exploring new materials and fabricating devices.

本项目拟从晶格动力学和微观原子模型出发，探讨纤锌矿三元混晶(重点为氮化物)多层异质结构材料中各类晶格振动（即声子，包括光学和声学声子）模式，获得电-声子相互作用哈密顿量，细致讨论材料的介电性质、晶格振动、能带及电子有效质量等物理参数随混晶组分的变化关系乃至界面的影响。进而研究系统中杂质态和激子态的光学极化子效应，电子子带跃迁和光学声子辅助跃迁的光学吸收过程，光学和声学声子对载流子平行、垂直界面方向输运的散射作用，以及应力和应变的调制作用；探讨电场（含自发极化、压电极化效应导致的内建电场及外场）、磁场对上述电子态的影响。以期解释和预言新物理现象，推动本领域的实验和理论发展，指导新材料的探索和器件研制。

纤锌矿三元混晶Al(In)GaN 和MgZnO 等多层半导体异质材料在发光二极管、高电子迁移率晶体管、激光器、光电探测器等电子-光电子器件方面有重要应用, 可通过改变混晶组分在大范围内调节其光电性质, 器件可能在特定组分下表现出优良性能。电-声子相互作用对材料和器件的性质有重要影响，但现有理论对上述多层材料中晶格振动（声子）模式、电-声子相互作用等研究尚显不足，理论指导实验作用发挥不够。. 本项目从晶格动力学和微观原子模型出发，探讨上述纤锌矿三元混晶多层异质结构材料中各类晶格振动（即声子，包括光学和声学声子）模式特征和色散关系，讨论各种声子模存在的条件及模式转变的临界组分。改进数值计算方法，求解其电子（空穴）态。改进理论模型，获得电-声子相互作用的组分依赖关系。细致讨论材料的介电性质、晶格振动、能带及电子有效质量等物理参数随混晶组分的变化关系乃至界面的影响。进而研究系统中杂质态、激子态的性质、电子子带跃迁的光学吸收过程，探讨光学和声学声子对载流子平行界面方向输运的散射作用，以及应力和应变的调制作用。探讨电场（含自发极化、压电极化效应导致的内建电场及外场）、磁场对上述电子态的影响。所得重要结论有：1.我们的定量结果显示，纤锌矿AlGaN 中横光学声子双模性对电-声子相互作用及电子的输运过程的影响甚为显著，在以后的相关研究中需考虑之; 2. 各层材料的厚度、界面和混晶组分对声子模式、电子（空穴）态和电-声子相互作用影响显著，我们给出了调制和优化材料及器件性质的方向; 3. 我们的初步研究显示，上述性质在非对称结构中可显示出不同于对称结构中的新现象，此方面的工作有待深入。我们的研究结果解释和预言了部分新物理现象，对推动本领域的实验和理论发展，指导新电子、光电子材料的探索和器件研制有重要意义。