纤锌矿半导体量子点量子阱核壳结构中的电子－声子相互作用及相关问题

针对纤锌矿半导体的单轴异性特点和半导体量子点量子阱电子－声子耦合对尺寸依赖所体现的特殊性质，研究纤锌矿半导体量子点量子阱核壳结构中多支长波光学声子模的传播特征及其与电子的耦合，利用连续介质模型和单轴晶体模型导出此类体系中电子－声子相互作用的哈密顿量，分析量子点、量子阱尺寸对电子－声子相互作用的影响。进而用行之有效的微扰法、中间耦合LLP变分方法，理论计算电子－声子作用下纤锌矿量子点量子阱结构中极化子、杂质态和激子态能级，讨论外电场、混晶组分效应对上述问题的影响，准确理解斯塔克移动等现象的极化子效应。拓展研究方法，实现对纤锌矿半导体量子点量子阱结构中电子－声子相互作用的分维描述，为相关问题的研究提供更简便的方法。研究有助于正确认识纤锌矿量子点量子阱半导体材料的电学、光学性质，理解相关实验现象，推动理论工作发展，为实验工作和新型微电子器件研制提供有参考意义的知识，是有应用背景的基础理论研究。

本项目从理论上研究了半导体量子点量子阱核壳结构中多支长波光学声子模的传播特征及其与电子的耦合，采用介电连续和单轴晶体模型探讨了此类体系中声子模的色散关系和电子-声子相互作用的Fröhlich哈密顿量，分析了量子点、量子阱尺寸对电子-声子相互作用的影响。理论计算了电子-声子作用下量子点量子阱核壳结构中极化子、杂质态和激子态能级，并讨论了混晶组分效应对上述问题的影响。对CdSe/ZnS/CdSe材料的计算结果显示，存在五支IO/SO声子模，其中频率较高的两支模为类ZnS之IO模，频率较低的三支模为类CdSe之IO/SO模，且五支模的频率均依赖于外层非极性材料的介电常数。同时发现，五支声子势的变化趋势各不相同，当外层非极性材料的介电常数较小时，类ZnS之IO模及类CdSe之SO模对电-声子相互作用的贡献起主要作用，当外层非极性材料的介电常数较大时，类CdSe之SO模转变为类CdSe之IO模，表面极化效应消失。对GaAs/AlxGa1-xAs/GaAs材料的计算结果表明，核壳量子点中存在特殊的混晶效应，在组分取不同值时，不仅类AlxGa1-xAs IO/SO声子模的频率变化范围明显不同，而且类GaAs IO声子模的频率在一定范围内也会受到组分的影响。同时发现，各支IO/SO声子模的静电势随混晶组分的不同呈现不同的分布形态，组分的变化对电-声子相互作用有重要影响。对AlN/GaN、AlN/InN椭球形半导体量子点量子阱核壳结构中的杂质态和自由极化子的研究结果表明，在阱宽相同时，杂质态的结合能随着椭球率的增加有所降低；在椭球率相同时，杂质态的结合能随着阱宽的增加迅速减小。在核半径一定的情况下，自由极化子基态能随椭球率的增加而略减少，而且随着核半径的不断增大，基态能减少的值也不断增大。声子对自由极化子基态能的贡献随阱宽的增加而减少，在阱宽一定的情况下，其基态能随椭球率的增加而减少。对CdS/HgS材料的数值结果显示，声子对激子束缚能的贡献随着阱宽的增加而增加，极化子效应不能忽略。激子的基态能量和束缚能明显依赖于核壳量子点结构的核半径和壳层厚度，核壳量子点结构的尺寸对激子-声子相互作用有重要的影响。研究结果为理解半导体量子点量子阱核壳结构中声子对电子行为的影响提供有实用价值的参考。