晶体电子态系中能级弥散及分数维度效应的理论与实验研究

The effects of energy-level dispersion (ELD) and the fractional dimensionality in electron-states-architectures (ESAs) of crystal materials were revealed by the leading applicant of this project during his chairing of the last international cooperation research project (completed just recently). A new theory, the Dispersive ESAs of Crystal Materials (or called as Fractional-Dimensionality ESAs of Crystal Materials) has been proposed and the understanding of the ESAs of crystal materials, especially of the ESAs of nanohereterostructures, has thus been deepened and extended. The purpose of this project is to improve and develop this theory and to make the theoretical and experimental advancements as follows: 1. Validating or negating the existence of the intrinsic ELDs, deepening the understanding of the classification, the causal interpretations and the properties of the ELDs, and improving the quantitative characterizations of different ELD effects; 2. Working out the quantitative theoretical description of the rules of the carrier transportation for the regime of 0 to 1 dimensionality according to the first typical experimental evidence of the concept of the fractional dimensionality and then generalizing the description to the whole regime of arbitrary fractional dimensionalities (0 to 3), and also improving the fundamental theory of the quantum tunneling effect; 3. Making important progresses in fabrication, characterizations and theoretical description of quantum-dots/quantum-wires hetero-dimensional complex structures and relevant nanoheterostructures, discovering and revealing relevant new phenomena, new mechanisms and new principles, and making further research advancements on the device physics based on these structures.

晶体电子态系中的能级弥散及分数维度效应是本项目申请人在已完成的国际合作项目中发现的一种新效应。申请人已据此提出了弥散化晶体电子态系理论（或称“分数维度晶体电子态系理论”）。该理论深化和拓展了对于晶体电子态系、特别是纳异质结构晶体电子态系的认识。本项目拟完善和发展该理论，并具体达致以下的理论与实验进展：1.对本征能级弥散的存在性加以证实或证伪，深化有关能级弥散种类、成因和性质的认识，完善对于各种能级弥散效应的定量表征。2.针对首例印证“分数维度”概念的典型实验，给出0维至1维分数维度电子态系中载流子输运规律的定量理论描述，并将其推广至任意分数维度（0~3维）的情形；同时对量子隧穿效应基本理论加以完善。3.在量子线/量子点等多种异维复合结构及相关纳异质结构的实验制备及其特性表征和理论描述方面取得重要进展，发现或揭示其中的新现象、新机制和新原理，并在基于这些结构的器件物理研究方面有所开拓。

本项目基于先前提出的能级弥散概念和分数维度半导体电子态系理论及弥聚子论，系统地开展了相关的原创性研究工作，经过数年执著艰辛的努力，不仅在半导体物理学领域、而且在基础物理学领域取得了重要的进展，主要包括：（1）提出了姗速不变原理和时空平等原理，建立了拓展爱因斯坦高速相对论的低速和全速域狭义相对论理论；（2）发现了量子隧穿过程中垒区波函数的少态前后向耦合机制，在挑战现有理论的量子隧穿新理论的构建方面取得突破；（3）形成了包括波函数的允率波诠释、海森堡“不确定性”原理的确定性本质、双缝干涉机理和“薛定谔的猫”的决定论诠释、基于反delta函数的平面波波函数的归一化等一系列颠覆现有量子力学理论基本认知的新见解；（4）完善了本征能级弥散存在性的逻辑学论证；（5）提出了挑战现有半导体物理学基本理论的广义费米-狄拉克分布公式；（6）在本征能级弥散函数的完备表达及相关问题的研究方面取得关键进展；（7）在维度相似度函数的定义和分数维度半导体电子态系理论的整体完善方面取得突破；（8）攻克了半导体低维结构中载流子输运机制难题；（9）给出了任意形状纳异质结构中本地电子态密度函数的定义方法；（10）在纳米线/量子点异维复合结构的制备与表征方面取得若干新进展；（11）在应用分数维度电子态系理论提升超辐射发光二极管性能方面取得阶段性进展并获国家发明专利。此外，还在数学方面提出了相关的新概念和新理论，其中包括终极大概念及相关运算规则的提出、无穷小和无穷大的过程数性质的揭示、反delta函数以及维度超越数概念的提出等。.在这些进展中，若干原创性研究成果的出现超出了预期，有的甚至有可能引发物理学领域新的变革。其中一项成果“分数维度晶体电子态系理论与新颖半导体纳异质结构及器件”获得了2017年中国电子学会自然科学奖三等奖。本项目负责人还应邀在《中国电子学会会员通讯》“会士观点”栏目发表《弥散能态半导体物理学与弥聚子论》一文。