关键词： 锑化物   分子束外延   高能电子衍射仪   扫描电子显微镜  

摘要： 本文从理论上分析了GaSb基锑化物半导体材料的基本性质,主要包括通过二元系和三元系材料参数的线性插值计算InGaAsSb,AlGaAsSb四元系材料的晶格常数、禁带宽度、折射率等。对InGaAsSb/AlGaAsSb应变量子阱的能带结构、激射波长进行理论分析,并采用力学平衡模型计算了此应变材料体系在生长时的临界厚度。通过这些理论分析,优化了激光器的结构和各层材料的组分、厚度等参数,为材料生长和器件制备提供了理论依据。 采用分子束外延(MBE)设备,在GaSb衬底上生长了单层InGaAsSb,AlGaAsSb材料。通过外延材料的表面形貌、界面特性、结构特性以及发光特性等进行了研究分析,结果表明适当的生长温度与合适的Ⅴ/Ⅲ束流比是制备高质量外延材料的首要条件。通过优化分子束外延的生长参数,生长出了质量较好的InGaAsSb,AlGaAsSb单晶体材料。

关键词： 半导体异质结量子线   自旋轨道耦合   散射矩阵   自旋积聚   自旋流   自旋相关电导  

摘要： 自旋电子学是物理学与信息学等多学科交叉而形成的新兴学科领域,它以电子自旋自由度为研究对象并以发展可替代传统电子器件的新型自旋电子器件为目标,具有重要的科学意义和应用背景,近十多年来取得了令人瞩目的进展. 本文采用散射矩阵方法,对半导体异质结自旋轨道耦合量子线中的自旋极化、自旋积聚、自旋流及其产生的电场、自旋极化输运等问题进行了较系统地研究.全文共分为六章,具体安排如下: 第一章为绪论部分.对自旋电子学及半导体自旋电子学的研究进展进行概述,并对论文的主要研究内容进行了扼要介绍. 第二章为论文的预备知识部分.首先介绍了半导体异质结以及一些典型的人工低维结构和散射矩阵方法;接着推导了异质结中Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合电子哈密顿量的表达式,并求解出相应的电子结构;最后对两种机制自旋轨道耦合效应的实验研究进行了概述. 第三章主要研究自旋轨道耦合量子线中的自旋极化及其形成的自旋积聚.首先利用微扰理论方法,计算得到了抛物势或硬壁势限制下Rashba和Dresselhaus耦合共同作用量子线中的电子横向波函数精确解;接着运用散射矩阵方法,求解出了加上电极后系统的电子透射和反射系数矩阵,得到了量子线中电子波函数的表达式;最后利用局域自旋极化的定义,计算了Rashba和Dresselhaus耦合各种组合情况下抛物势和硬壁势限制量子线中的自旋极化分量i>（i=x,y,z）.结果显示,沿两种不同限制势量子线的横向,当只有Rashba耦合存在时系统垂直于平面（out-ofplane）自旋极化i>呈现出内禀自旋积聚,当只有Dresselhaus耦合存在时z>为同向自旋极化而无自旋积聚形成.当硬壁势限制下两种耦合同时作用时,Rashba耦合对z>的影响要大于Dresselhaus耦合的影响,并且随着两种耦合强度系数之比的增大,z>将会从同向自旋极化逐渐演变成自旋积聚.此外,除抛物限制势下Rashba耦合情况的z>分量外,各自旋极化i>在两种耦合分别作用下沿量子线纵向存在内禀振荡,该振荡可用来区别内禀和外禀自旋积聚效应. 第四章主要研究Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合分别作用硬壁限制势量子线中的自旋流及自旋流产生的电场.利用横向波函数精确解,推导了Rashba和Dresselhaus耦合分别作用时量子线中的线自旋流和角自旋流密度的表达式,对各非零自旋流密度分量随量子线通道数以及自旋轨道耦合强度变化的规律进行了讨论.接着,对两种自旋轨道耦合分别作用下自旋流产生的电场进行了研究.结果显示,两种耦合分别作用下都存在两个非零线自旋流分量,Rashba耦合作用下自旋流及其产生电场的大小要大于Dresselhaus耦合情况.同时,两种情况的自旋流产生电场的大小在现代技术水平下可以被测量到,从而提供了一种有效检测自旋流的方法. 第五章运用散射矩阵方法和Landauer-B（u|¨）ttiker公式,分别计算了Rashba耦合、Dresselhaus耦合以及两种耦合同时存在时硬壁限制势量子线连接电极系统的自旋相关电导和自旋极化率Pz.结果表明,三种不同耦合情况下自旋相关电导及自旋极化率在不同通道过渡区附近存在着振荡结构,且电导量子化平台由系统两端电极的通道数所确定.当只存在一种自旋轨道耦合时,自旋向上和自旋向下电导平台发生分裂,产生了自旋极化,同时,随着相应耦合强度的增加,宽量子线情况的电导平台被破坏.当两种自旋耦合同时作用时,随着两种耦合强度系数之比的增大,自旋向上和自旋向下电导的相对大小发生变化,导致Pz的正负发生改变.以上结果表明自旋相关电导和自旋极化率对自旋轨道耦合强度具有强依赖陛,这一特性是提出自旋晶体管器件的重要基础. 第六章对本论文工作进行了总结和归纳,指出了论文的创新之处,并对这一研究领域的发展前景及后续研究工作作出展望.

关键词： 量子点   海马   钙稳态   电压门控钠通道   突触可塑性   树突   树突棘   GAP-43  

摘要： 量子点是一种有着特殊光学电学特性的生物纳米材料,已被广泛的应用于生物医学领域。由于纳米材料的应用日益增多,对环境和生物体的安全性及是否具有潜在的危害性,一直是人们密切关注的问题。本文以原代培养的海马神经元和Wistar大鼠的海马DG区作为模型,应用单细胞膜片钳,钙成像,免疫化学,免疫沉淀,树突（树突棘）形态学和在位场电位记录等技术,研究了离体和活体水平上量子点的神经毒性及作用机制。 实验结果: （1）量子点对原代培养海马神经元细胞内钙稳态的影响 我们发现,量子点能够浓度依赖的长时程提高细胞内钙水平。浓度在10nM以上未经包被的CdSe量子点能升高胞内钙水平长达15分钟以上。若用胞外无钙的胞外液和细胞内钙耗尽药物thapsigargin预处理细胞时,均不能完全阻断量子点引起的内钙浓度升高。这说明在量子点的暴露下,细胞内钙的升高既有细胞外钙的流入,也有细胞内钙库的钙释放。我们进一步用膜通道阻断剂验证,发现胞外钙的流入主要是通过N型钙通道和电压门控钠通道流入胞内的。而胞内的原因则更复杂一些。通过电压门控钠通道流入的同时还有一部分钠离子,它们可以激活线粒体上的MNCX,使一部分钙离子从线粒体里交换出来,这一部分钙离子和细胞外流入的钙离子可以进一步激活内质网上的ryanodine受体,使大量的钙离子从内质网里释放出来。这一过程可能就是熟知的钙诱导钙释放的过程。这些结果表明,量子点的应用可能会干扰到细胞的钙稳态,并带来相应的危害,同时,用量子点来标记蛋白受体时,也应考虑到其对内钙的影响。 （2）量子点对电压门控钠通道电生理特性的影响 既然在量子点引起的内钙升高当中,电压门控钠通道扮演了一个很重要的角色,于是,我们就用单细胞膜片钳技术检测了量子点对钠通道电生理特性的影响。当用不同浓度的量子点孵育细胞24小时后,我们观察了钠通道的激活,失活,复活等特性的变化。结果表明,10nM以上的未经包被的CdSe量子点能够使钠通道的激活曲线向去极化的方向移动,但延长了钠通道的激活时程;同时它使钠通道的失活曲线向超极化的方向移动,并减慢了钠通道的复活,减少了可被利用的钠通道的数目。这些看似矛盾的结果提示了量子点毒性的复杂性和广泛性。 （3）量子点对麻醉Wistar大鼠海马DG区突触传递和突触可塑性的影响 由于细胞内钙和电压门控钠通道都跟突触传递和突触可塑性密切相关,我们继而在麻醉的wistar大鼠上,用在位场电位记录的方法,比较了两种不同类型的量子点（分别为未经包被的裸核CdSe量子点和包被良好的strep-CdSe/ZnS量子点）的急性暴露对海马DG区突触传递和突触可塑性的影响。结果发现,这两种量子点都能提高基本的突触传递,例如能提高基线的fEPSP的斜率和PS的幅度,增强输入/输出功能,但同时他们却能损伤短时程和长时程的突触可塑性,比如压抑双脉冲反应和长时程增强。并且这两种量子点在对突触传递和可塑性上的影响并无显著性差异。这些结果提示,如果考虑将量子点应用到生物研究或临床上时,必须考虑量子点的的毒性问题。

关键词： InAs量子点   InGaAs渐变层   光致发光   分子束外延   红外探测器  

摘要： 半导体超晶格、量子阱概念的提出,开创了人工设计和制备低维量子结构材料的新领域。在三个维度上都受到约束的量子点结构具有独特的量子效应,受到人们越来越多的重视,是当今国际上研究的热点。生长在GaAs衬底上的InAs/InGaAs量子点在激光及红外探测器等方面有着巨大的潜在应用优势,受到科研人员的广大关注。本文利用分子束外延技术(MBE),在GaAs(001)衬底上自组织生长了覆盖有InGaAs层的不同结构的InAs量子点样品,并制备了量子点红外探测器件。 对样品的结构和器件的性能进行了系统的分析和研究后,得出了如下结论: 1.量子点的表面形貌及光学性能方面: 选择了合适的生长温度,As压以及较慢的沉积速率和生长中断,使得量子点的大小、分布以及密度得到优化。原子力图像(AFM)表明量子点大小和分布均匀,密度变大,高宽比变大,PL谱半峰宽变窄,强度增加。 2.量子点红外探测器件的光电性能方面: 在量子点有源层顶部插入生长In组分渐变的应变hGaAs层,渐变InGaAs层的插入有效的释放了InAs量子点所受的应力,抑制了量子点中In组分的偏析,提高了外延层的生长质量,降低了势垒高度,使InAs量子点荧光波长红移。伏安特性曲线和光电流谱(PC)结果表明,生长条件的优化提高了器件的红外响应,具有组分渐变的InGaAs层的探测器响应波长发生明显红移。 此研究结果达到了我们的研究目的,对于提高InAs量子点红外探测器的光电性能具有非常重要的意义。

关键词： 光子晶体   左手介质   R矩阵   介观环   自旋轨道耦合  

摘要： 本文主要用R矩阵法研究了二维光子晶体量子阱的输运特性,为设计和实现具有优良性能的多频道滤波器提供了理论依据。此外,还用S矩阵研究了电子在AB环中的量子输运特性,发现含Rashba自旋轨道耦合的三端AB环可以实现自旋极化和反转。本文的研究内容概括为: 光子晶体由于具有光子禁带特性,阻止了特定频率的光的传播,可以用作光子势垒。因此,在两个光子晶体层中间插入均匀传输介质可以构造出一个光子晶体量子阱结构,其中均匀传输介质起到光子势阱的作用。我们用R矩阵法研究了用此方法构造的双光量子阱的输运特性,发现该双光量子阱的共振频率可以通过调节阱宽、势垒宽度和阱中介质来控制。该双量子阱结构可用来制作多频道滤波器。 在上述工作的基础上,我们进一步研究了不同阱介质的多个光子晶体量子阱的共振隧穿效应。研究发现:在阱宽和阱中介质完全一样的多阱系统中,光子禁带区域,由于共振隧穿效应,共振峰劈裂的数目与光量子阱的数目相等;并且随着阱中介质介电常数的增大,共振峰的位置移向了低频区;当阱中引入左手介质后,发现在介电常数绝对值相等的条件下,左手介质阱的共振峰数目明显要比右手介质阱的共振峰数目少;进一步对一维光子晶体量子阱进行理论分析后得到,由介质不同和阱宽不同分别产生的共振劈裂消失不一样,前者是由光在左右手介质中传播的能流方向相反产生干涉相消而引起的,而后者是由阱宽不同,阱的本征模也不同而引起的;并且由左右手介质构成的多光量子阱的共振频率可以通过改变阱中介质的排列顺序来控制。 最后,对于含自旋轨道耦合的AB环系统,我们用S矩阵研究了电子通过该环的自旋极化输运特性。由于自旋反转透射率与Rashba自旋轨道耦合强度和磁通有关,因此可以通过调节它们来实现自旋极化和反转,为设计和实现自旋极化器和反转器提供了理论依据。

关键词： 量子主方程   量子输运   自洽玻恩近似   介观系统  

摘要： 用量子输运主方程理论研究了介观系统的量子输运问题。量子输运主方程是非Lindblad形式的主方程，相比Lindblad形式的主方程，该主方程适用范围更广，可用于有限温度和有限电压情况下的输运过程。　　为了更好地描述量子点的输运情况，引入了自洽玻恩近似的方法，对标准二阶主方程理论加以修正，发展了自洽玻恩近似下的量子主方程理论。利用发展的自洽玻恩近似的量子主方程理论，分别研究了并联双量子点和串联双量子点的输运情况。在研究并联双量子点的量子输运过程中，突出强调了干涉图像的位相平移、干涉图像的谐波分解，位相锁定破缺，退相干和耗散效应也做了很好的研究;在研究串联双量子点的量子输运过程中，把自洽玻恩近似修正的量子主方程理论与单粒子波函数方法所得的结果作了比较，同时给出了有库仑阻塞情况下的电流-电压关系，结果表明，自洽玻恩近似修正的量子主方程理论与单粒子波函数方法是一致的，并且用自洽玻恩近似修正的量子主方程理论得到了通常的量子主方程不能得到的库仑台阶的量子展宽效应。由于单粒子波函数方法不便描述有多体相互作用的量子输运问题，因此自洽玻恩近似修正的量子主方程理论是解决输运问题的一种有效的理论方法。

关键词： 图案衬底   量子点   变程跳跃   负磁阻  

摘要： 利用分子束外延(MBE)在刻有一维沟道的p型Si(100)图案衬底上,制备出一维有序排列的量子点。在此基础上,通过在样品表面蒸镀铝电极,寻找合适退火条件使电极与样品形成欧姆接触,进而通过综合物性测量系统(PPMS)的四探针法研究了低温下样品的电阻,磁阻性质。实验表明当温度低于22 K左右,沿一维沟道的纵向电阻明显低于沿垂直沟道的横向电阻。通过分析发现,这是由于低温下样品中同时存在两个导电层,硼掺杂的δ层和量子点层,而后者只对纵向电导有贡献。通过导电层的电阻与温度的函数关系分析,证明低温下两个导电层中载流子的输运均遵从二维体系的Mott变程跳跃(VRH)机制。在VRH机制下,样品电阻随磁场呈现出先增大后减小的现象,并且电阻最大值随温度降低而增大,对应的磁场也更靠近低场区。这种现象可以认为是由于两个导电层具有不同的磁阻效应引起的,即在磁场中6层的波函数收缩导致的正磁阻效应与量子点层中由于Zeeman效应引起的能级移动效应导致的负磁阻效应。

关键词： Rashba超晶格   自旋轨道耦合   自旋极化   局域带隙  

摘要： 自旋电子学起始于1988年Fert和Gruenberg分别独立发现的巨磁阻效应（GMR）。自旋电子学是最近几年在凝聚态物理中发展起来的新学科分支,它研究在固体中自旋自由度的有效控制。在半导体自旋电子学中,自旋轨道耦合（SOI）提供了操纵电子自旋的电学途径。 在本文第一章介绍低维纳米电子结构、巨磁电阻效应、自旋电子学的发展、自旋轨道耦合效应、自旋注入及自旋电子器件的应用。 在论文第二章中我们针对单通道的平面电子波导,研究电子在周期性的Rashba自旋轨道耦合和弱平面磁场Bin的共同调制下表现出的自旋输运特性。对二端口的自旋轨道耦合调制的量子线体系,在单通道输运区,仅由自旋轨道耦合不能在输出流中产生自旋极化。当采用一个适当的弱磁场破坏时间反演对称性时,理论上可以实现显著的自旋极化。Rashba自旋轨道耦合强度的空间周期变化导致具有完全带隙的能带结构。施加一个弱平面磁场Bin会改变Rashba超晶格的能带特征。当Bin与电子传播方向的夹角θ取适当值时会产生局域带隙。电子能量位于局域带隙中时体系只存在两个传播模（一个向前传播,一个往后传播）。对应于此,在周期单位足够多的有限超晶格中产生的自旋极化大小和极化方向都强烈依赖于θ角。对于给定的费米能（高于塞曼劈裂能）,可能在某些θ角的区间内获得最佳的自旋极化。

关键词： 计算微电子学   量子输运   非平衡格林函数   Anderson混合   预估-矫正法   递归格林函数法   电极块约简法   纳米器件模拟  

摘要： 随着半导体技术的快速发展,MOSFET器件的特征尺寸已经缩小到纳米尺度,与载流子的平均自由程和退相干长度相比拟,因而对器件进行的模拟中,需要利用量子弹道输运理论来实现。非平衡格林函数(NEGF)理论为量子模拟提供了深刻的微观图景和强大的计算框架,基于NEGF对器件进行数值模拟,这种研究方法被学术界和工业界的研究者采用,用于深入理解器件物理,探索器件工程问题。本论文实现了纳米双栅MOS器件的数值模拟,对流程进行了改良,对不同的方法进行了评估。 由于对器件进行量子模拟的计算量十分庞大,为减小计算量,提高模拟效率,需要实现科学计算方法和物理建模技巧的综合应用。论文在器件的模拟流程中,引入了非线性数学中一种快速迭代方法,Anderson混合法,对当前广泛应用的预估-矫正法起到了明显的加速作用。 为了在MOSFET中研究栅极泄漏电流,需要实现对器件的二维实空间量子模拟,基于递归格林函数法(RGF)这种格林函数的快速算法,论文实现了对双栅MOSFET的二维实空间量子模拟,并用于研究栅极载流子注入效应和栅氧层电介质材料的选取问题。 在RGF方法之外的另一种格林函数快速算法是电极块约简法(CBR),这两者都是当前器件模拟中的主流算法,以双栅MOSFET为载体,论文实现了这两种算法,对它们进行了比较,研究了RGF算法中忽略高阶项带来的影响,并对这两种方法的效率、精度、适用性进行了探讨。 总之,本论文针对纳米尺度MOS器件量子模型的数值模拟方法,进行了一些探索,得到了一些有益的结果。

关键词： 量子点   Kondo效应   Fano效应   自旋极化   Anderson模型  

摘要： 作为展现低维介观体系量子效应的典型代表,量子点结构成为近年来的研究热点,特别是在量子点的隧穿电导中发现了非常明显的Kondo现象后,使Kondo现象成为在凝聚态物理学中一个非常著名和被广泛研究的现象。Kondo效应最初起源于稀磁合金中的低温物理反常现象。 在最近几十年里,由于纳米技术的发展与进步,人们已经能够使用量子点系统来研究Fano和Kondo共振各个方面的性质,这极大地增强了人们在介观系统中研究这两个效应的兴趣。与稀磁合金中Kondo效应导致低温电阻增加不同的是,在量子点系统中,由于在费米能级处的Kondo共振为电流提供了一个新的通道,因而介观Kondo效应导致了系统电导的增加。最近,许多努力用于研究耦合于铁磁电极的量子点系统的性质,基于这一点我们利用隶玻色平均场近似,以及运动方程等理论通过求解格林函数的方法:一方面,研究了耦合于铁磁电极平行双量子点系统中的自旋极化输运现象,研究结果表明:该系统在费米能级处的Kondo共振峰与自旋极化强度和磁通量的取值有关。与此同时,当磁电极磁矩反平行时,自旋向上和自旋向下的Kondo共振峰出现在同一位置,并且这种重合完全不受铁磁电极中极化强度以及磁通量取值的影响。而当磁电极磁矩平行时,自旋向上和自旋向下的Kondo共振峰发生了偏移,即出现了明显的分裂。另一方面,我们研究了通过耦合于铁磁电极的T型双量子点系统中的Fano-Kondo效应。对比于传统的串型和并型量子点结构来说,T型双量子点结构显示了一些独特的性质。一方面,T型双量子点为实验有限条件下研究双杂质系统提供了可行性;另一方面,T型双量子点系统又是一个研究关联效应的模型,因为其特殊的量子点结构使得电子有了两条传输通道。一条是通过中心电子,另外一条是通过边耦合电子。此外,由于Kondo效应起源于低温稀磁合金中的磁杂质与传导电子之间的相互作用,使得Kondo效应为研究量子点局域自旋和自由电极之间的相互关联提供了一个方式。同时,Fano效应发生于电子从任意初态的两种跃迁方式的互相干涉。因此很有意思研究一下Fano-Kondo效应如何影响T型双量子点的传输性质。通过我们的研究结果发现,(ⅰ)当磁电极磁矩反平行时,自旋向上和自旋向下的Kondo峰出现在同一位置,并且这种重合完全不受铁磁电极中自旋极化强度取值的影响。(ⅱ)当磁电极磁矩平行时,自旋向上和自旋向下的Kondo峰出现了明显的分裂。随着极化强度的增大,自旋向上的近藤峰峰值被抑制,并且近藤峰不再出现在费米能级处,而是向低能级方向移动;与之相反,自旋向下的近藤峰被加强且向高能级方向移动。(ⅲ)由于边耦合量子点的影响,系统产生了Fano效应。而量子点之间的耦合强度对Fano效应和Kondo效应都有很大影响.这些新的结果有望在研究自旋电子学中的电子相关性方面起到指导意义。