压力下应变氮化物半导体量子点电子-声子相互作用及相关问题

针对氮化物半导体具有较强的压电极化和自发极化效应，在发光方面和单轴异性的特殊性质，以及半导体量子点电子-声子耦合对尺寸依赖关系所体现的低维性质，集中研究压力下应变氮化物半导体量子点及异质结构中多支长波光学声子模及其与电子的耦合，导出相应而实用的电子-声子相互作用哈密顿量，分析压力及应变对电子-声子相互作用的影响。用行之有效的微扰法、改进的中间耦合LLP变分方法，还将发展新的方法，理论计算声子作用下应变氮化物半导体量子点体系中极化子、杂质态和激子态能级及相关问题的压力效应，讨论压力、应变的影响，并考虑外场、温度等效应。对氮化物半导体量子点电学、光学性质给出新的认识。力求解释和预言实验，指出压力下应变氮化物半导体在实验中的特性，能推动本领域的理论发展，为光吸收与发射提供依据，以期定量或半定量了解光学声子对电子行为，有利于深入认识微观世界和新型电子器件的研制，是既有理论意义，亦有应用背景的研究。

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。.本项目对压力下应变氮化物半导体量子点光学振动模的传播特征、电子-声子相互作用、外场下电子态及相关理论问题进行了系统研究。研究了外电场、压力下应变纤锌矿氮化物半导体球形、椭球形、柱形量子点杂质态、束缚极化子、激子态问题，获得束缚能以及电子-声子耦合强度对尺寸依赖关系所体现的低维性质以及外场的影响。对纤锌矿结构，利用我们导出的电子与两支异常声子（LO-Like和TO-Like）相互作用哈密顿量，考虑内建电场、应变效应研究了量子点杂质态、激子态问题，获得了两支异常声子对结合能影响的定量结果。理论计算声子作用下应变氮化物半导体量子点体系中杂质态、束缚极化子、和激子态能级及相关问题的压力效应，讨论压力、应变的影响，并考虑外场、温度等效应。数值计算结果表明，纤锌矿结构中的TO-like声子对结合能表现为正贡献而LO-like声子表现为负贡献，且LO-like声子的贡献起主导作用，总声子的影响使得杂质态的结合能明显降低．此外，还发现杂质和声子间的相互作用强于电子和声子间的相互作用。当施加外电场后，电场明显地引起了束缚极化子能量的移动并且降低了声子对于结合能的影响，而且电场的影响对于较大尺寸的量子点而言更为明显。我们还发现声子的影响对于量子点形状以及纤锌矿结构中异性效应的依赖较强。通过对压力下应变纤锌矿柱形量子点和应变闪锌矿椭球形量子点中激子态问题的研究，我们发现当量子点长度较小时应变效应略微升高了激子态的结合能，但随着量子点长度的不断增加，由于纤锌矿结构具有压点极化和自发极化，应变效应则较大幅度地降低了激子态的结合能．对于应变闪锌矿椭球形量子点，由于没有内建电场的影响所以应变效应总是略微升高了激子态的结合能．此外，无论量子点形状如何，考虑流体静压力后结合能随着压力的增加而增加，而且压力对于较小尺寸量子点下激子态结合能的影响更为明显．.研究结果显示，应变氮化物半导体量子点中单轴异性及电子-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。