InGaN/GaN纳米线异质结构的受限激子态及带间光跃迁

InGaN合金具有高熔点、高热导率与高电子迁移率等优异性能，其直接带隙涵盖整个可见光范围，是理想的固态发光与光电转换材料。近年来，人们成功合成高质量的InGaN纳米线、InGaN/GaN量子点纳米线及GaN/InGaN共轴纳米线，它们表现出比InGaN/GaN量子阱更优越的发光特性，能克服高In组分InGaN/GaN量子阱发光的"死亡谷"现象，在整个可见光范围内均可发出耀眼的光。因此，InGaN基纳米线是理想的固态发光材料，对其发光性能的机理研究是关键问题之一。然而，强的量子受限势和由于自发和压电极化导致的强压电场（MV/cm量级）显著影响激子态和带间光跃迁及纳米线的光学性质，考虑到这些因素的影响，我们将采用变分法，瞄准InGaN基纳米线的受限激子态展开研究，期望阐明InGaN基纳米线异常发光的机理，并尝试发现新规律，解释和预言新的现象，为进一步改进纳米线基固态发光器件的性能提供理论依据。

本项目中，我们主要开展了七个方面的研究工作：(1) 内建电场对纤锌矿InxGa1-xN/GaN量子点纳米线异质结构中激子态的影响；(2) 量子点结构参数和介电失配对于纤锌矿InxGa1-xN/GaN应变量子点纳米线异质结构中激子态和带间光跃迁的影响；(3) 流体静压力、压电极化和自发极化等对[0001]取向的纤锌矿InxGa1-xN/GaN应变耦合量子点纳米线异质结构中激子态和带间光跃迁的影响；(4) 研究了纤锌矿InxGa1-xN/GaN量子点纳米线异质结构中的施主束缚激子态；(5) 基于密度泛函理论研究了InxGa1-xN合金的电子结构和光学性质；(6)研究了单壁GaN纳米管中掺杂的过渡金属元素的电子结构和磁性；(7) 石墨烯电子结构和磁学性质的研究。.我们的主要结论如下：（1）强内建电场显著降低量子点的有效带隙导致了明显的电子-空穴空间分离，激子结合能被显著降低；(2)随着量子点高度和半径的增加，激子结合能降低；若量子点高度增加，激子的振子强度迅速减小。考虑介电失配，结合能明显增大；(3) 对于给定的量子点纳米线异质结构，激子态结合能随压力增加呈近线性增加。若流体静压力（量子点高度和势垒厚度）增加，发射波长呈现蓝移(红移)；(4) 当施主位置从左界面向右界面改变时，施主束缚激子结合能显著增加。内建电场使激子结合能和振子强度减小。随着In组分的增加，施主束缚激子结合能增加。随着量子点高度和半径增加，发射波长单调递增。(5) InxGa1-xN形成自由合金，几个原子的In–N团簇和In–N链可以高浓度稳定存在，并作为辐射复合中心。而且，几个原子的In–N团簇可以有效改善其发光性能。(6) 过渡金属的束缚是稳定的且结合能在6-16eV。Sc和V掺杂的GaN纳米管表现为非磁性。局域磁矩主要集中在过渡金属元素和与之相连接的N原子周围。(7) Klein边界可以诱导石墨烯纳米带的三个新的特性：(a) Klein边界的局域边缘态有一个铁磁耦合；(b) zigzag石墨烯纳米带边界的随机碳吸附原子能够破坏它附近的边缘态；(c) 石墨烯纳米带的复杂边界重构可以从Klein边界诱导出来。