应变纤锌矿半导体量子点异质结中电子-声子相互作用及光学性质

Based on the lattice dynamics combines with actual structure of materials, this proposal aims to construct more reasonable strain model for strained wurtzite quantum dot heterostructure systems, theoretical investigation of multi-branched optical phonon modes induced by uniaxial anisotropy in strained wurtzite quantum dot heterostructures as well as its coupling with electron, to obtain the corresponding electron-phonon interaction Hamiltonians, and then the optical properties of corresponding systems are studied. The influence of strain on the physical properties of materials in the systems such as lattice vibrations, dielectric properties, energy band structures and electronic effective masses, etc, and the size, shape and structure of quantum dot heterostructures dependence of the anisotropic optical phonon-electron coupling are discussed in detail. The polaron effects of impurity and exciton states, and optical absorption process of electron transition and assistant transition due to optical phonons under the influence of strain are calculated. The influence and modification of built-in electric field induced by spontaneous and piezoelectric polarizations and the applied electric, magnetic fields and pressure on the optical properties of the systems mentioned above are discussed. It is expected to quantitatively or half-quantitatively understand the influence of multi-branched optical phonon and strain on the electronic states, optical absorption coefficients and refractive indexs of the systems, and strive to explain and predict novel physical phenomena, to develop the experiments and theories in the related fields, so as to provide references for the new photoelectronic device research.

本项目拟从晶格动力学结合材料实际结构出发，针对应变纤锌矿半导体量子点异质结体系建立更为合理的应变模型，理论研究应变纤锌矿半导体量子点异质结中单轴异性产生的多支光学声子模式及其与电子的耦合，获得相应的电子-声子相互作用哈密顿量，进而研究相应体系的光学性质。细致讨论应变效应对体系中材料的晶格振动、介电性质、能带结构及电子有效质量等物理性质产生的影响，以及异性光学声子与电子耦合对量子点异质结尺寸、形状、结构的依赖关系。计算应变影响下体系中杂质态以及激子态的极化子效应、电子跃迁及光学声子辅助跃迁的光学吸收过程。探讨由于材料内部自发极化、压电极化效应导致的内建电场以及外加电场、磁场、压力对于上述体系光学性质的影响及调制作用。以期定量或半定量了解多支光学声子和应变对该结构电子态和光学吸收系数、折射率等的影响，力求解释和预言新的物理现象，推动相关领域的理论和实验发展，为新型光电子器件的研发提供参考。

氮化物半导体材料因其特殊的物理性质，在光电子和光探测器件、高频大功率激光器件等有着极为广阔的应用前景。氮化物半导体量子点的理论和实验研究已成为近年来凝聚态物理和纳米器件中的研究热点。.本项目主要研究了外场作用下应变半导体量子点中的电子态及电子-声子相互作用，以及该结构中的线性和非线性光学性质。此外，还针对三元混晶下量子阱/量子线中的表面和界面声子极化激元进行了探讨。通过采用我们提出的多变分参数波函数的方法，经过研究发现椭球形量子点中的杂质态、束缚激子态明显依赖于量子点的尺寸、椭球率以及外场。其中，束缚激子态在重空穴和轻空穴状态下对于椭球率以及电场的响应也有明显的不同。在电子-声子相互作用的研究中考虑杂质与电子的作用是十分重要的，否者会导致完全相反的结论。此外，当加入外电场的影响后，由于杂质处于中心处消失的表面/界面声子会再次与电子产生作用，且电场对于各支声子的影响明显不同。在对于该体系光学性质问题的研究中，我们发现杂质态的线性和非线性光吸收系数以及折射率强烈依赖于量子点的尺寸、形状以及外场。随电场强度和量子点尺寸的增加，吸收峰产生红移现象，同时其总吸收峰强度降低；随着势垒的升高其吸收峰发生蓝移，同时总吸收峰强度升高；随着压力的增加，总吸收峰强度有所降低。通过对于量子阱/量子线系统中的表面和界面声子极化激元的研究，获得了表面和界面声子极化激元模的色散关系以及表面模和界面模的频率随混晶组分和薄膜厚度的变化关系，由此发现三元混晶的“单模” 和“双模” 性。.研究结果显示，应变氮化物半导体量子点中电子-声子相互作用、外场和压力的影响是显著的，且对已有的一些实验现象作出了较为合理的理论解释，并在预言新物理现象、推动本领域的实验和理论发展及指导新材料的探索、器件研制等方面有着重要意义。该研究对于半导体光电器件的开发和应用起到了很好的参考和指导作用，并填补了该方面理论研究的一些不足。