极性半导体三元混晶量子线和量子点系统的表面和界面声子极化激元及其相关问题

Surface and interface phonon-polaritons have been shown to offer applications in the optical effect surface enhancement, optical sensors, high-density date storage, and sub-wavelength scale phonon photonics. For unique physical properties of lattice vibrations of ternary mixed crystals, surface and interface phonon-polaritons in quantum wires, quantum well wires, quantum dots, and quantum dot quantum wells of ternary mixed crystals of polar semiconductors are studied with the modified random-element-isodisplacement model and the Born-Huang approximation, base on the Maxwell’s equations with the boundary conditions, to investigate the characteristics of phonon-polaritons and their propagation properties, and to obtain the corresponding dispersion relations. The effects of the “two-mode” and “one-mode” behaviors, compositions, structures and sizes of quantum wires/dots of ternary mixed crystals on the phonon-polaritons are analyzed. Dispersion relations, local state densities, space distributions of the electromagnetic energies, propagation lengths, reflectivities, and related problems of surface and interface phonon-polaritons are computed theoretically. Some new knowledge is given for the optical properties in nano-low-dimensional systems of ternary mixed crystals to predict and to understand new physical phenomena. It is helpful to understand the effect of surface and interface phonon-polaritons on the nano-materials and nano-devices research and manufacture. There are not only theoretical significance but also potential application background in this work。

针对表面和界面声子极化激元在光学效应表面增强、光学传感器、高密度数据存储、亚波长声子光子学等方面的重要应用，以及三元混晶晶格振动方面的特殊性质，采用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似，结合电磁场的麦克斯韦方程和边界条件，集中研究极性半导体三元混晶量子线、量子阱线、量子点、量子点量子阱等系统的表面和界面声子极化激元的色散特点及其传播特性，导出相应而实用的声子极化激元的色散关系，分析三元混晶的“单双模”性、混晶的组分、以及纳米量子线/点的结构形状和尺寸效应对声子极化激元的影响，理论计算表面和界面声子极化激元的色散关系、定域态密度、电磁场能量的空间分布、以及在表面和界面处的传播长度和反射率等相关问题。对极性半导体三元混晶纳米低维系统的光学性质给出新的认识。力求解释和预言实验，为表面和界面声子极化激元在纳米材料、纳米器件的研制方面起的关键作用提供理论依据，是既有理论意义，亦有应用背景的研究.

极性半导体三元混晶材料由于具有一些二元晶体所没有的独特的物理性质，例如其有两套长波横、纵光学声子，且这些光学声子的频率随混晶组分是连续变化的，从而被广泛地应用于半导体低维纳米结构，如异质结、量子阱、超晶格、量子线和量子点等系统，成为了用于制造许多新型的电子设备和光电器件的重要材料。.本项目主要研究了极性半导体三元混晶量子线和量子点系统的表面和界面光学声子模，以及这些表面模和界面模与电磁波耦合生成的表面和界面声子极化激元的色散特征和传播特性。此外，还对氮化物量子点核-壳结构杂质态的结合能，外场作用下椭球形量子点中束缚激子的光学性质、以及施主和受主杂质的结合能进行了探讨。通过采用改进的无规元素等位移模型和玻恩-黄近似，结合介电连续模型和麦克斯韦方程及其边界条件，经过研究发现，表面和界面光学声子模以及表面和界面声子极化激元模明显依赖于传播的波矢、混晶的组分，以及量子线和量子点的结构形状，其中不同系统的表面和界面模的数量是不同的。此外，量子点核-壳结构中杂质态结合能是随核尺寸、壳尺寸、Al组分以及杂质态位置而变化的。外场作用下椭球形量子点中受主杂质的结合能要大于施主杂质，并且二者在不同杂质位置和椭球形状下呈现出非单调变化，且外加磁场会有效增强杂质的光致电离截面。量子点的形状和尺寸对吸收系数和折射率的峰值强度和位置也会产生重要的影响。.研究结果显示，极性半导体三元混晶量子线和量子点系统中表面和界面声子极化激元的研究不仅在理论上是有意义的，而且在预言新物理现象、推动本领域的实验和理论发展及指导新材料的探索、器件研发等方面也有着重要意义。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。