关键词： 分子束外延   GaAs基   InGaAs量子阱   异变结构   边发射激光器  

摘要： 随着IT数据信息处理量逐年成倍增长，光纤通信、光互连以及光存储需要向更高速、更大容量发展。目前光通信系统(波分复用技术)中相关的发射、调制、放大、波导、接收等单元器件均采用的是InP基InGaAsP材料体系，它与Si基、GaAs基兼容性差-不易实现光电集成；导带偏移量小-注入型器件温度稳定性差；折射率差小-难以实现垂直腔型面阵功能集成。因此急需开发功能更强、性能稳定、易于光电集成的新一代光通信材料和器件。GaAs基GaInNAs(Sb)量子阱和InGaAs异变量子阱是近年来发展的新型材料体系，工作波长能覆盖0.9μm到2.0μm近红外波段，其器件工艺与GaAs基光电子、微电子器件工艺兼容，可以利用GaAs垂直腔面发射激光器工艺制作发光和探测阵列器件，并且预计其温度稳定性更好，因此可能为高速光网络提供高性能的新一代集成化器件。\n 本论文深入系统地开展了1.55μm波段GaInNAs(Sb)/GaAs量子阱材料和InGaAs异变量子阱材料的分子束外延生长优化研究，突破了GaInNAs(Sb)和异变InGaAs高质量量子阱材料的生长技术难关，大幅度提高了它们的室温发光效率，成功研制出了高性能的GaAs基1.55μm波段GaInNAs(Sb)和InGaAs异变量子阱激光器。本论文的主要研究内容包括：\n (1)深入研究了1.55μm高In组分GaInNAs/GaAs量子阱材料的分子束外延生长，优化了射频等离子体氮源使用参数及基本生长条件。研究了Sb辅助GaInNAs/GaAs量子阱的分子束外延生长，通过Sb辅助，发光波长在1.55μm波段的GaInNAs(Sb)/GaNAs量子阱材料的发光效率大幅度提高，其室温光荧光强度与1.3μm波段GaInNAs/GaAs量子阱可比拟。解释了Sb改善GaInNAs量子阱质量的机理。优化了GaInNAs(Sb)/GaNAs量子阱材料的退火技术参数，对退火引起的材料结构变化给出了热力学解释。最终成功实现了室温连续激射的GaAs基1.59μm GaInNAs(Sb)/GaNAs量子阱边发射激光器，阈值电流密度2.6KA/cm2。这是国际上首次将GaAs基激光器室温连续激射波长拓展到1.55μm以上的研究报道。\n (2)研究了InGaAs异变缓冲层结构，对利用源炉温度线性变化实现组分线性变化的方法进行了改进，更精确的实现了InGaAs异变缓冲层中In组分的线性渐变，大大降低了InGaAs异变缓冲层中的穿透位错密度。优化了InGaAs异变缓冲层的基本生长参数，获得了表面粗糙度(RMS)小于2nm的高质量InGaAs异变缓冲层。\n (3)优化了1.3μm InGaAs异变量子阱材料的生长条件和退火条件，获得了发光波长为1.3μm的高质量InGaAs异变量子阱结构，实现了1.3μm InGaAs异变量子阱边发射激光器的低阈值室温连续激射，激光器阈值电流密度205A/cm2。\n (4)通过提高InGaAs异变缓冲层和量子阱中的In组分，将InGaAs异变量子阱发光波长拓展到1.55μm以上。综合采用低温生长、引入GaAs应变补偿层和Sb辅助生长等措施，大幅降低了材料的表面粗糙度。优化其快速热退火条件，大幅提高了材料的室温发光效率，其室温PL谱强度及半宽与1.3μm InGaAs异变量子阱可比拟。在国际上首次成功实现了1.58μm InGaAs异变量子阱边发射激光器的室温激射，表明GaAs基InGaAs异变量子阱结构是制备1.55μm波段光电子器件的一种可行性新材料。

关键词： 量子线   分裂门   线性电子浓度   钳断电压  

摘要： 通过在AlxGa1-xAs/GaAs异质结表面制作一对分裂门,获得了用于实现声表面波单电子输运的准一维量子线.实验研究了0.3 K时电子沿该量子线的输运性质.通过自洽求解二维薛定谔方程和泊松方程,分析了该量子线的导带能量和电子浓度的分布,并讨论了量子线宽度对分裂门方向形成限制势的影响.特别是对其线性电子浓度随温度及分裂门电压的变化关系进行了数值模拟,所得到的钳断电压与实验测量值符合较好.

关键词： 量子点   发光   表面修饰   电子器件   生物与医学  

摘要： 近年来,量子点材料以其独特的光学、物理化学特性引起科学家的广泛兴趣和研究。其中,生物与医学领域应用的高性能量子点材料的研究和开发已经成为相关领域的研究热点。介绍了提高量子点发光性能和生物应用性能的各种表面修饰技术,并在此基础上综述了量子点材料在光电子器件、生物与医学等方面的最新研究进展,最后总结了其在相关领域应用面临的挑战和研发方向。

关键词： 多边量子环   电子自旋   自旋输运   电子散射  

摘要： 本文从理论上研究了存在自旋轨道耦合的正多边形量子环中电子的自旋输运过程。通过求解相应的量子网络方程组,推导出在各种自旋轨道耦合情况下系统的反射波和透射波振幅的解析表达式,并由此探讨相应情形下系统的电导等相关的自旋输运特性。我们首先从相对论量子力学追溯了自旋轨道耦合的由来,同时给出了二维系统中描述自旋轨道耦合的哈密顿量。接着,我们建立了正多边形环的量子网络模型,并给出描述电子散射过程的基本公式和量子网络的普遍方程组。而后,我们将该方程组应用正多边形量子环的模型,推导出相应的反射波和透射波振幅的解析表达式,并考察了自旋轨道耦合强度,自旋轨道耦合机制和多边形几何形状等因素对系统的自旋输运特性的影响。通过应用Landauer公式,我们得到在Rashba耦合或Dresselhaus耦合下系统的电导的解析表达式。当正多边形环边数趋近无穷时,该表达式给出了与直接采用圆环模型计算一致的结果,从而证明正多边形环的网络模型也可以一致的描述圆环模型的自旋输运过程。

关键词： 等离子体辅助   分子束外延   p型ZnO薄膜   ZnO基量子阱   受激发射   电学输运性质  

摘要： ZnO是一种直接带隙的半导体材料，室温下禁带宽度为3.37 eV，激子束缚能高达60 meV。作为紫外发光和激光器件的候选材料，ZnO引起了广泛的研究热潮。本文针对目前ZnO发光器件中存在的关键问题，研究了氮掺杂p型ZnO薄膜的复合机制和电学输运性质、ZnO/MgZnO量子阱的自发发射和受激发射特性。主要取得以下结果：\n 1.利用等离子体辅助的分子束外延(P-MBE)技术，以激活的NO为掺杂源，制备了氮掺杂p型ZnO薄膜并研究了氮受主相关的辐射复合机制。通过对变温光谱和时间分辨光谱的分析，确认了位于3.26 eV的发光峰是来自施主受主对的跃迁，位于3.31 eV的发光峰是来源于自由电子到受主的跃迁，澄清了长期以来针对氮掺杂ZnO中3.31 eV发光峰来源的争议。通过光谱计算了氮受主的能级为120～145 meV。\n 2.通过变温霍尔效应的测量研究了p型ZnO薄膜的电学输运特性。对载流子浓度拟和得到氮受主的热激活能为75 meV，解释了它与光谱得到能级的差别是由价带空穴与离化受主之间的库仑作用引起的。针对目前p型ZnO迁移率很低的问题(～1 cm2/Vs)，计算了在离化杂质散射、压电散射、声学形变势散射、极化光学声子散射下空穴的迁移率，发现计算值远大于实验的测量值。通过原子力显微镜和X射线测量确认了p型ZnO薄膜是由柱状晶粒及品界组成。考虑这种微结构对迁移率的影响之后，计算的空穴迁移率和实验值得到很好吻合，证实了p型ZnO中空穴迁移率低的主要原因是由于晶粒及晶界组成的微结构造成的。\n 3.利用P-MBE技术在蓝宝石衬底上制备了ZnO/MgZnO量子阱结构并研究了其自发发射和受激发射特性。通过变温光谱测量，发现阱宽为1.5 nm的ZnO/Mg0.2Zn0.8O多量子阱中低温发光是来源于局域激子的复合而高温下是以自由激子的发射为主。在高激发密度下，观测到了量子阱中来源于P带的受激发射，计算出该量子阱中激子的束缚能为122 meV。这些研究为设计和制备ZnO基发光器件的有源层奠定了基础。

关键词： 纳米材料   量子线物理   模板法   电化学沉积   溶胶凝胶法  

摘要： 低维材料，如纳米点和纳米线具有宏观材料所不具备的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和量子隧道效应，它们在微电子、纳电子、量子信息存储、量子光电器件等方面具有广阔的应用前景。模板法是制备低维纳米阵列材料的一种重要的方法，本论文通过研究纳米孔氧化铝阵列模板(以下简称AAO模板)和硅基AAO模板的制备，并电化学沉积和溶胶凝胶方法，研制了几种不同材料的纳米线阵列；研究了稳态条件下半导体纳米线的半径与电子能态的关系。本文主要研究以下几方面内容：\n (1)通过实验研究得到了优化的实验参数。结果表明，高压、低温、低浓度的实验参数有利于制备出高质量有序的AAO膜板，为应用AAO作模板研制Ag和TiO2纳米线阵列材料奠定了基础。\n (2)基于上述的优化实验参数，研究了硅基的高质量有序AAO膜板的制备。为应用硅基AAO作模板研制ZnSe半导体纳米线阵列材料奠定了基础。\n (3)在硅基AAO模板中，用模板一直流电沉积方法制备ZnSe半导体纳米线阵列材料。在AAO模板中，用溶胶凝胶法制备了Ag纳米线和TiO2纳米线阵列。\n (4)扫描探针显微镜(SPM)的观察结果表明，所制备的AAO模板和硅基AAO模板的孔径尺寸、孔深一致、可控、孔径排列高度有序。用硅基AAO模板—电化学沉积方法，成功地制备出有序的ZnSe纳米线阵列。用AAO模板-溶胶凝胶法成功地制各出有序的Ag和TiO2纳米线阵列。\n (5)从薛定谔方程出发，用一维势阱波函数的方法计算，在稳态条件下，得到量子线中电子的能态和波函数；由于量子线的柱对称性，将三维的贝塞尔方程方程化为一维的径向的贝塞尔方程，解一维的贝塞尔方程得到量子线中电子的能态和能级图。建立了纳米线的物理模型，并用Synopsys TCAD微电子器件仿真软件，模拟分析了纳米线的直径和长度分别随电导和电压的变化关系。

关键词： 固态量子比特   量子主方程   量子测量   量子轨道   量子反馈控制   全计数统计   超泊松噪声  

摘要： 本论文分固态量子测量和介观输运的全计数统计两个方面。固态量子测量方面，研究了耦合双量子点量子比特-量子点接触(DQD-QPC)系统，从考虑了测量仪器和量子比特之间的能量交换(即满足细致平衡关系)的条件量子主方程出发，发展了有限温有限电压下的非Lindblad主方程的高效的蒙特卡罗模拟方案，不同于以往纯数学的随机分拆，该方案具有明确的物理解释，即测量结果条件下的量子比特演化，与量子光学中的量子轨道的物理意义一致。基于该方案，研究了连续弱测量的单次实现下量子比特演化的基本特征：逐步塌缩，初始混合态的逐步纯化，强的测量仪器-量子比特耦合下的Zeno效应。进一步应用于测量影响下的量子比特相干振荡的反馈控制，采用贝叶斯态估计亚优化反馈算法，发现反馈控制可以很好的消除测量仪器反作用导致的退相干，发现了反馈强度相对较小时控制效果的电压优化，并提出反馈控制下探测器噪声谱中尖锐的峰源于几乎理想的Rabi振荡，可以作为判断反馈控制效果的依据。\n 全计数统计方面，发展了基于电子数分辨的量子输运主方程的全计数统计方法，与Nazarov的半经典方案相比，我们的方法不仅能计入强的库仑相互作用，而且还包括了不同输运通道之间的量子干涉。应用于具体的系统，发现了一个新的出现超泊松噪声的体系。在库仑阻塞的Aharonov-Bohm平行双量子点系统(AB-DQD)中两个输运通道之间相涨的干涉导致超泊松噪声，其原因归结为相涨干涉导致有效的快慢通道的形成，而强的库仑相互作用使慢通道的占据阻塞快通道的输运，即动力学的通道阻塞效应。而退相干导致从超泊松到亚泊松过程的转变，相消干涉及没有库仑阻塞时噪声是亚泊松的。

关键词： Foster能量转移   量子点   共轭聚合物  

摘要： 关于聚合物/量子点复合材料与器件的研究是当今纳米科学技术领域的研究热点之一。本文的目的是研究聚合物/量子点复合材料体系中的载流子动力学，为如何提高器件的性能提供物理依据。\n 我们从理论上仔细研究了聚合物/量子点复合材料体系中的Forster能量转移过程。目前，人们通常使用光谱积分的方法来计算Forster能量转移半径，但这种方法有一定的局限性，必须在刚性溶液的条件下才能使用。正是基于这方面考虑，我们从速率方程出发，严格的推导出载流子浓度随时间变化的函数，从而得到Forster能量转移半径的计算公式。并用这种方法来计算PDFC与CdSe/ZnS复合材料的能量转移半径，得到的结果和用光谱积分方法得到的结果基本吻合。另外，我们从量子力学的角度严格证明了导电聚合物的最低激发态和量子点基态之间的能量转移是允许跃迁。能量转移是通过聚合物和量子点中电偶极矩的相互作用来实现的。我们利用半经典电动力学推导出导电聚合物与量子点之间Forster能量转移的速率公式。采用MEH-PPV/PbS材料的特征参数，即聚合物中共轭链的长度和相互作用激子间的距离，计算出能量转移的时间在10ps到100Ps之间，比纯共轭聚合物MEH-PPV中激子的辐射寿命（1ns左右）短得多，这说明了复合材料中的能量转移过程的高效性。该结论从理论上证明了实现高性能的聚合物/量子点器件是可行的，本研究为开发和研究新复合材料提供了理论依据。

关键词： InAs/GaAs量子点   共振隧穿   透射几率   隧穿寿命  

摘要： 低维半导体材料制备和性质研究，是目前新型半导体功能材料与器件领域前沿课题之一，也是国际上研究热点和重点。隧穿注入量子点结构具有非常诱人的器件应用前景，不论在实验上还是理论上都受到人们普遍关注。本文就InAs/GaAs量子点体系建立理论模型，利用矩阵传递法求解含时薛定谔方程，研究AlxGa1-x As-GaAs-AlxGa1-xAs双势垒单势阱结构隧穿特性，包括其透射特性，隧穿时间、均匀电磁场作用下隧穿特性、J-V特性及InAs/GaAs量子点体系动力学过程等，通过理论计算及结果分析，取得主要研究成果如下：\n （一）结构对称性是影响隧穿结构透射特性的重要因素；双势垒抛物势阱结构的改变受透射率影响更加灵敏，且抛物阱结构的不同能级透射峰间距大于方势阱结构的对应间距。\n （二）磁场对抛物阱透射特性影响的研究中发现，随磁场增加，共振峰向高能方向移动，说明磁场使阱内束缚能级提高。同时就回旋中心在入射垒边、阱中心和出射垒边三种情况，利用Easki模型计算隧穿电流，研究得知，回旋中心在阱中心位置体现平均效果，更能代表实验情况。磁场将阻碍电子隧穿，使电流峰值下降且向高偏压位置移动，这些理论结果与实验一致。\n （三）电子波包隧穿双势垒单量子阱结构动力过程研究中，发现抛物量子阱结构隧穿寿命大于方阱结构，分析认为，这是由于抛物阱结构较方阱结构有更强量子限域效应所致。\n （四）扩散注入自组织量子点结构中，温度达到一定值，量子点光致发光谱积分强度和峰值强度发生热淬灭：温度低于一定值（<100K），光致发光光谱半高宽（FWHM）随温度升高减小；达到最小值后，随温度进一步升高，谱线半高宽逐渐增大，最后基本恢复低温下的值，并伴随载流子在不同能量量子点间转移；隧穿量子点结构中，温度一定，隧穿几率增加，量子点光荧光积分强度线性增加，半高宽减小，且隧穿几率越大，半高宽稳定性越好；隧穿几率为1时，温度对半高宽影响很小；较高温度下，量子阱中载流子能级不能与量子点光荧光峰值同步变化，低温下，峰值漂移和能级误差相对较小。

关键词： 半导体量子点   聚氨酯   复合材料   光学性质   纳米材料  

摘要： II-VI族半导体量子点及其聚合物纳米复合材料在光学或光电器件、光催化剂以及生物传感器等方面都有优异的表现,因此具有很高的实际与潜在的应用价值。半导体量子点的制备方法主要由有机金属前驱体分解法、直接水相合成法、反相微胶束法等。相对于其它方法,水相合成法具有简易,环境友好等优点。而量子点/聚合物纳米复合材料的制备方法则从本质上主要有原位聚合法、原位粒子生成法、铸膜法。其中,铸膜法具有所用聚合物可多样化、简便等优点。一般来说,高质量的量子点具有尺寸单分散性窄、量子产率高、耐光氧化、结晶性好、表面缺陷少等特点。但是有学者指出,利用简便的水相法并控制反应条件,也可获得量子产率高的ZnS量子点水溶液,尽管这时的发光带是受限态发光,发光带也比较宽。\n 利用水相合成法,通过控制回流温度,合成出了尺寸和发光性能可控的ZnS量子点水溶液。并用3-巯基丙酸(MPA)将该ZnS量子点的表面钝化,MPA分子有效地阻碍了ZnS纳米晶体的生长与团聚。然后进一步利用沉淀分离技术对此ZnS量子点进行了纯化处理,最终得到了较为纯净的ZnS量子点水溶液。热重分析、红外光谱以及X射线衍射的分析结果都证实了这种立方晶结构的经MPA表面改性的ZnS量子点的形成。在此基础之上,合成了离子型聚氨酯的水性分散体,并利用铸膜法得到了ZnS量子点/聚氨酯纳米复合材料。结合有效质量模型(Brus模型)和TEM的分析结果,水溶液中的ZnS量子点尺寸为4-6 nm。\n 用紫外可见吸收光谱和光致发光光谱对ZnS水溶液和ZnS量子点/离子型聚氨酯复合材料的光学性质进行了研究。吸收光谱表明,回流温度升高(0℃,30℃,70℃)时,激子吸收峰的位置和吸收边都发生了红移,ZnS量子点表现出明显的量子尺寸效应；根据Brus模型,70℃下未纯化的ZnS量子点的尺寸约为3.0 nm,经纯化后的ZnS量子点的尺寸为3.2 nm,尺寸略微增加；聚氨酯内的ZnS仍呈现出量子点的吸收特性。ZnS含量从0.07％增加到0.