关键词： 关联无序系统   声子输运   量子化热导   热导调控   纳米结构   共振频率  

摘要： 纳米结构中热输运是量子输运研究中一个重要领域。一方面相关研究有助于人们认识微小系统中的热力学过程,在基础研究方面具有重要意义;另一方面相关研究有可能为研制新型热导材料和器件提供科学依据。本论文从理论上研究了关联无序系统中声子的输运性质和量子化热导现象,研究内容包含以下几个方面:\n 第一,我们研究了random-dimer系统中声子的局域-退局域转变以及退局域声子对系统热导的影响。研究表明,在random-dimer系统中由于存在短程关联,某些特定频率的声子由局域态转变成扩展态,发生了局域-退局域转变。我们解析地得到退局域声子的频率(系统的共振频率)。同时发现在共振频率处,系统的透射率趋近单位1,而Lypunov指数趋于零,即局域长度趋向无穷,这都表明在共振频率处声子的确由局域态转变为扩展态。在此基础上,我们研究了退局域声子对系统热导的影响。研究表明,退局域声子为系统中的热导提供了输运通道,而且它对热导的贡献是量子化的。本工作首次揭示了random-dimer系统中存在声子的局域-退局域转变和量子化热导现象,拓展了人们对关联无序的低维系统声子传播规律的认识,并且揭示了该低维系统中热导具有丰富的特性。\n 第二,我们将random-dimer系统推广到random n-mer(RN)系统以及k元random n-mer(RKN)系统,首次揭示这些系统中存在多次声子的局域-退局域转变,从而导致系统中出现多模式的量子化热导。研究表明,在RN系统中存在(n-1)个共振频率,共振频率处的声子发生局域-退局域转变。在RKN系统中我们可以得到k·(n-1)个共振频率,这些共振频率处的声子同样发生了局域-退局域转变。我们分别利用转移矩阵方法和分子动力学方法等计算方法验证了共振频率处的声子由局域态转变为扩展态等性质。进一步的研究表明在RN和RKN系统中存在多模式的量子化热导。本工作首次在理论上实现了多模式的量子化热导,丰富了人们对热导量子化的认识,并且探讨了RN和RKN系统在实现可控的声子传播和热输运等方面可能的应用。\n 第三,我们研究了短程关联的非谐无序系统(NGRN)中声子输运与热导调控。我们将RN系统推广到一般的关联无序系统,并且在其中引入了非谐势,生成了NGRN系统。首先研究了NGRN系统的声子退局域现象,得到了退局域声子共振频率的解析表达式。进而我们研究了NGRN系统对外界拉力的响应,发现外界拉力可以改变NGRN系统共振频率的位置甚至个数,同时系统的热导对外界拉力的变化有敏感的响应。该工作为研制新型可控热导材料提供了思路。\n 第四,我们提出并理论实现了非谐的NMW系统中外场控制的多模式量子化热导。我们在RN系统中引入非谐势,生成NMW链。首先我们证明了非谐势对加在系统两端的外部拉伸有丰富的响应性质,外部力的作用可以改变系统的有效互作用力常数,从而可以改变系统的能带结构,进一步地实现对系统热导通道开闭的控制,从而实现了对系统热导的外场调控。该工作为发展多通道量子信息传递提供理论依据。\n 通过以上几个方面的研究,我们在几种线性和非谐的关联无序系统中发现了声子的局域-退局域转变以及多模式热导量子化现象,从理论上实现了外场控制下的多模式量子化热导。我们的研究拓展了人们对微小系统中声子传播和热输运规律的认识,提出了发展多通道量子信息传递的可能性;同时为研制新型热导材料和器件提供科学思路。

关键词： 原子结构理论   纳米晶体管   量子输运   平衡态统计   概念框架   输运过程   原子尺度   材料科学  

摘要： 本书详细阐述了基于物质的微观的或原子结构理论的量子输运过程的概念框架，重点介绍了原子尺度下的电流的性质及规律。它是当前材料科学许多不同领域都感兴趣的研究课题，特别是对纳米晶体管的研究有重要的意义。本书对于这一课题的基础给出了一种统一的描述，内容涉及非平衡态统计的很多高等概念。

关键词： 量子线   Luttinger液体模型   自旋轨道耦合   交流输运   非平衡格林函数  

摘要： 关联(相互作用)和无序是凝聚态物理中的两个基本问题,在低维系统中更为重要。半导体异质结量子线(量子点)等介观系统考虑相互作用后的电子输运一直是人们感兴趣的问题,它不仅能展现一些重要的物理现象,而且有着潜在的技术应用背景。量子线、量子点等介观体系是今后纳米量子电路和量子信息存储、处理的重要物理器件。本学位论文用Luttinger液体模型和非平衡格林函数及其运动方程方法,研究了考虑相互作用的量子线在交流场驱动下的输运性质,得到了一些有意义的新结果,对进一步认识与理解低维体系中的相互作用问题有重要的启示。 全文共分为七章,安排如下: 第一章简要介绍了Luttinger液体模型的提出背景、主要特点、适用体系及研究意义。 第二章介绍了费米子玻色化技术,推导了哈密顿量及其他算符的玻色化表示。 第三章到第六章主要是介绍我们所做的工作。 第三章由两个部分组成。第一部分使用运动方程,研究了与费米液体电子库绝热耦合的单通道纯净Luttinger量子线的交流输运性质。对于单模量子线,在短程相互作用极限下,我们得到直流电导率是e/h,与电子相互作用无关;而交流电导率是一个振幅为e/h的谐振函数,谐振的周期与相互作用强度,频率和量子线中的测量位置都有关。第二部分研究了含有一个强度随时间变化点杂质的相互作用量子线的交流输运性质。使用Luttinger液体模型和Keldysh技术,计算并分析了在任意Luttinger电子相互作用强度和任意的杂质位置下系统的背散射直流部分以及散粒噪声。我们发现在强相互作用下量子线中强度随时间变化点杂质的出现使得系统总的电流增大,而且增大的效果与杂质势的频率和源极漏极电压V的等效频率有关。背散射电流的直流部分随杂质势的频率谐振,谐振的周期取决于Luttinger电子相互作用强度。谐振并不只是有限长度的效应,这一点与量子线中含静态点杂质的情形不同。 第四章研究了弱磁场下Rashba自旋轨道耦合(SOC)Luttinger量子线的输运性质。我们发现交流电导率是一个与电子相互作用强度、RashbaSOC强度、磁场强度、驱动频率以及量子线中的测量位置有关的谐振函数。电子相互作用对电导率的影响比Rashba SOC对电导率的影响要显著得多,而磁场对电导率的影响与Rashba SOC对电导率的影响十分相似。对于不考虑Rashba SOC的系统,自旋极化的电导率的比值σ/σ与电子相互作用的强度有关,而对于不考虑磁场的系统,自旋极化的电导率的比值与电子相互作用的强度无关。 第五章研究了与两个不考虑相互作用库(电极)相连的双通道纯净无自旋非手征和手征Luttinger量子线,在考虑通道间和通道内部的电子相互作用后的输运性质。使用玻色化技术和线性响应理论,我们发现这两个系统的交流电导率都是电子相互作用强度、两个通道的费米速度的比值、驱动频率以及库中测量位置的谐振函数。尽管这两类系统的物理机制不同,它们的交流电导率却具有相似的变化趋势。然而,非手征Luttinger量子线的直流电导率等于2e/h,手征Luttinger量子线的直流电导率与分数量子霍尔电导有关。 第六章研究了Luttinger液体与两个相同的玻色爱因斯坦凝聚库耦合系统的输运性质。使用格林函数的运动方程方法,我们发现两个共振的输运几率峰间的距离由玻色子相互作用强度决定,而共振峰的宽度主要由Rabi频率和玻色爱因斯坦凝聚库的相决定。 第七章对本论文的工作进行总结和归纳,并对这一研究领域的发展前景作了简要的展望。

关键词： 量子点   量子限域   Z-扫描   三阶光学非线性  

摘要： 光电材料非线性的大小和性质直接决定了它在非线性光电器件方面的应用。本文采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法制备的（nc-Si/SiO2）/SiO2和（nc-Si/a -Si:H）/ a -SiNx:H量子点镶嵌薄膜样品,研究了它们的非线性光学性质。 理论上,采用无限深势阱模型,分析了Si量子点中电子和激子的三阶非线性光学性质;实验上,采用Z-扫描方法研究了样品在波长532nm连续激光作用下的非线性光学性质。得到以下结论: 1、分析强受限情况下的电子三阶非线性光学性质,结果表明:随着入射光子能量的变化,三阶极化率发生显著的变化;随着量子点半径的增大,三阶极化率逐渐变大;随着弛豫相的减小,三阶极化率逐渐变大。 2、分析强受限和弱受限情况下的激子三阶非线性光学性质,结果表明:在激子强受限的情况下,量子点半径越小三阶极化率越大;在激子弱受限的情况下,量子点半径越大,三阶极化率越大。同时半导体材料的自聚焦和自散焦的特性与光子能量和禁带宽度存在一定的依赖关系。 3、通过Z-扫描实验结果表明:（nc-Si/SiO2）/SiO2和（nc-Si/a -Si:H）/ a -SiNx:H样品存在明显的非线性折射和吸收。（nc-Si/SiO2）/SiO2样品三阶极化率的实部和虚部分别为? 8.12×10-3esu、8.77×10-4esu,（nc-Si/ a -Si:H）/ a -SiNx:H样品三阶极化率的实部和虚部分别为2.00×10-3esu、-5.51×10-4esu;（nc-Si/SiO2）/SiO2样品表现反饱和吸收的性质,为自散焦介质;（nc-Si/a-Si:H）/a-SiNx:H样品表现饱和吸收的性质,为自聚焦介质。量子限域效应和介电限域效应使它们具备了新颖的非线性光学特性。前者可用于激光防护或光限幅器件,后者可用于调Q、锁模激光和光学双稳器件。

关键词： 磁量子结构   自旋极化   自旋过滤   共振劈裂  

摘要： 电子同时具有电荷和自旋两种属性,电子的电荷属性在半导体材料中获得了极大的应用,推动了电子技术、计算机技术和信息技术的飞速发展。电子的自旋属性具有广泛的应用前景,已成为目前凝聚态物理中的研究热点,受到人们越来越多的关注。为揭示磁量子结构中的电子自旋极化输运现象的物理机制和规律,并希望为基于这些磁量子结构的自旋电子器件设计提供物理模型和理论依据,本文针对具有重要应用价值和基础研究意义的磁量子结构中的电子自旋极化输运性质做了较为系统和深入的理论研究,并取得了一些有意义的结果。 运用散射矩阵方法,研究了台阶磁势垒量子结构中二维电子气的隧穿输运性质。结果表明:(1)在零偏压下,电子传输概率的自旋极化度曲线随入射能量的增加而振荡衰减;(2)随着磁台阶数的增加,电子传输概率的自旋极化度最大值减小,同时电子传输概率的自旋极化度曲线振荡衰减也越来越慢;(3)随着磁台阶的总宽度增加,电子的传输概率的自旋极化度曲线出现更明显的振荡,电子隧穿磁台阶势垒表现出明显的量子尺寸效应;(4)在偏置电压的作用下,电子传输概率的自旋极化度曲线在宽广的入射能量区出现明显的振荡增大,电子隧穿磁台阶势垒表现出更明显的自旋过滤效应。 利用散射矩阵方法和δ函数近似研究了有限单元的反平行磁超晶格结构中二维电子气的自旋极化输运性质。研究结果表明:(1)电子隧穿磁超晶格结构传输概率随入射电子能量和单个磁场大小变化均表现出明显的共振劈裂特性;(2)由于不同自旋取向的电子共振劈裂程度出现交替变化,导致电子传输概率的自旋极化度曲线也出现了共振劈裂;(3)随着偏置电压的增大,电子隧穿磁超晶格结构的传输概率曲线共振劈裂更加明显,电子传输概率的自旋极化度也明显增大,电子隧穿磁超晶格结构表现出更加明显的自旋过滤效应。磁超晶格结构中的电子传输概率和电子传输概率的自旋极化度曲线的共振劈裂具有普遍性。

关键词： 多能级原子系统   量子相干   相位控制   克尔非线性   光学特性   负折射率材料  

摘要： 负折射率材料及其光学特性研究是近年来光学和材料科学等交叉前沿领域的重要研究内容。其研究成果不仅推动了光学学科的发展，丰富了物理学的内容，而且对于实现新材料具有重要的现实意义。由于负折射率材料所特有的反常光学效应，使得其在超分辨成像、空间滤波、光束整形和光学存储等方面有重要应用价值，成为当今研究的热点之一。　　 本论文主要就量子相干诱导多能级原子系统中负折射率材料的产生及其光学特性进行了研究，取得了一些创新性研究成果。这些成果主要包括：　　 1.利用量子干涉和原子相干原理，分别在类人型和V型四能级原子系统中电磁诱导产生了光频波段的负折射率。研究发现负折射的频带宽度和介质的吸收完全由外加的控制场决定，通过调节场的强度和失谐量可以实现低损耗甚至于无吸收的负折射材料。通过比较两种原子系统发现V型四能级原子系统方案更容易诱导产生较宽频带的低吸收负折射率材料。　　 2.探讨了场的相对相位对原子介质折射率的调制作用。在环型四能级原予系统中，由于电磁交叉耦合引起了电磁感应手征性。研究发现外加光场的相对相位对手征性系数具有周期性的调制作用，由此导致了介质的折射率可以从正值变为负值或者由负值变为正值，从而实现了右手材料与左手材料的相互转变。　　 3.首次研究了原子系统负折射介质的克尔非线性特性。研究结果表明，由于量子相干作用，调节控制场和泵浦场可以实现无吸收的巨克尔非线性。这种左手材料即可以实现很强的聚焦或者散焦的效应又起到对于传输波的相位补偿作用和倏逝波的振幅补偿作用。

关键词： 耦合量子点   相干输运   动态局域化   Fano共振  

摘要： 本论文研究了耦合量子点等半导体纳米结构的含时输运特性。采用理论推导和数值计算相结合的方法,我们分析了耦合量子点链系统中动态局域化效应对输运性质的影响,发现了串联耦合三量子点系统中的光子辅助Fano共振,揭示了对称的∧型耦合三量子点系统中的动态局域化效应及其对Fano共振的调控。 第一章介绍了量子点和耦合量子点系统的主要特性,概述了耦合量子点系统中含时输运问题的研究进展,以及本论文的主要研究结果。 第二章研究了耦合量子点链系统在外场驱动下的动态局域化效应对输运性质的影响。我们发现当驱动电场的振幅和频率之比为零阶贝赛尔函的根时,系统的准能谱出现塌缩,平均电流出现极小值,初始局域的电子发生了动态局域化效应;并且动态局域化的效果随着系统量子点数目的增多而增强,随着量子点和电子库之间的跃迁概率的增加而减弱。 第三章研究了串联耦合三量子点系统中的光子辅助Fano共振。运用有效质量框架下的二维限制势模型,通过求解体系的广义本征值,我们获得了∧型三能级结构。该能级结构对系统中的电子输运性质有着重要的影响:当结构不对称时,由于光子辅助隧穿系统发生了对称的Breit-Wigner共振。当结构对称时,由于电子受陷暗态的形成,在共振条件下系统发生了不对称的Fano共振. 第四章研究了对称的∧型耦合三量子点系统中动态局域化效应及其对F&no共振的调控.在适当的条件下,由于量子干涉效应,动态局域化和Fano共振能够同时发生。但是由于隧穿的干涉破坏和超交换作用之间的竞争,动态局域化和Fano共振之间发生了激烈的竞争。这两种电子受陷现象是控制电子行为的两种不同方式,为量子开关的制作提供了有效的方法。

关键词： 量子点   格林函数   自旋极化电导   自旋流  

摘要： 自旋电子学的主要目标是能动地控制固态系统的自旋自由度。如何有效地使系统产生自旋极化是自旋电子学领域的基本问题之一。自旋极化输运在自旋器件的制作和应用上有重要意义。相对于传统的铁磁隧穿结,对量子点等半导体纳米结构的研究已经成为了自旋电子学领域中的热点。本文主要运用格林函数方法研究了如何在量子点系统中产生电导极化和自旋电流,以及如何对其进行控制,主要内容如下: 首先简要介绍了半导体自旋电子学中自旋的注入与输运,控制与操纵方面的发展。接着介绍了处理介观系统电子输运问题的格林函数方法。 运用格林函数方法,我们研究了理想量子线通过量子点与铁磁导线侧向耦合系统的电导自旋极化特性。由于量子线上的弹道通道与通过量子点的共振通道间的Fano类干涉,系统的电导出现两个反共振峰。铁磁导线可以控制不同自旋的电导振幅,产生自旋极化。电导极化率在共振区有两个峰值,且与非共振区的极化方向相反。因此通过控制量子点上的电压可以实现量子线上的自旋输运反转。调整量子点和铁磁导线的耦合强度参数可以使电导极化率达到极值。 我们还研究了在电子自旋共振(ESR)场作用下,考虑相互作用的量子点与导线耦合系统的自旋抽运电流。在Büttiker方法中考虑了量子点上的自旋退相干效应。通过非平衡格林函数方法的计算发现,由ESR所引发的自旋翻转会产生自旋电流,但是不伴随有电荷流。库仑相互作用和自旋退相干效应都会减小自旋电流的振幅。本文还讨论了自旋抽运电流随ESR场的密度和频率以及自旋退相干强度的变化关系。

关键词： 分子束外延   锑化物   高能电子衍射仪   扫描电子显微镜   X射线光电子能谱   X射线衍射仪  

摘要： 本论文从理论上分析了InP基砷化物和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线性插值计算InGaAlAs,InGaAsSb四元系材料的晶格常数、禁带宽度等,并在禁带宽度的计算中考虑了能带弯曲引起的修正量(bow)。在此基础上采用有效质量模型下的4×4 Luttinger-Kohn哈密顿量矩阵对InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱的能带结构、激射波长进行理论分析和设计优化讨论,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。 众所周知,InP为衬底的半导体激光器作为光纤通信用光源起着重要作用,并在1.3μm和1.55μm光纤通信波段已经有高性能的单模激光器得到了实用化。InP基InGaAlAs/InGaAsSb应变量子阱材料虽然波长范围相对较窄(1.6-2.5μm),但它与GaSb基AlGaAsSb/InGaAsSb材料相比,在衬底质量和器件工艺等方面体现出来的优势而引起人们的关注。采用InP衬底对锑化物材料的外延生长和结构进行研究,一方面可以借鉴InP基材料的外延生长以及器件工艺方面的成功经验,另外将会在未来的光电子集成方面发挥重要作用。因此,本论文重点研究InP衬底上,InGaAs、InAlAs、InGaAlAs、InGaAsSb材料和结构的制备和特性。 采用固态源分子束外延(SSMBE)设备,在InP衬底上生长了单层InGaAs、InAlAs、InGaAlAs、InGaAsSb材料。通过外延材料的表面形貌、界面特性、晶格质量以及发光特性等进行了研究分析,结果表明良好的衬底表面状态和适当生长温度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及工艺技术,生长出了质量较高的InGaAs、InAlAs、InGaAlAs、InGaAsSb单晶体材料。 在以上工作基础上,初步生长了InGaAlAs/InGaAsSb单量子阱结构,并研究了其发光特性,为制备高性能的激光器打下了基础。

关键词： Fano-Kondo效应   自旋极化   持续电流   Anderson模型   量子点  

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,由于纳米技术的进步,使人们能够在人为控制的条件下,使用量子点系统研究Fano和Kondo共振各个方面的性质,这极大地增加了人们在介观系统中研究这两个效应的兴趣。同时,T型双量子点结构在凝聚态物理学中也引起了比较大的关注和研究。对比于传统的串型和并型双量子点结构来说,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臂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(一是直接通过连续能态,或者是通过共振能态)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,(1)当我们忽略边耦合量子点的库仑排斥,其中的一个量子点处于Kondo控制区时,我们的结果表明双量子点之间的耦合强度和边耦合量子点的相对位置对这个中心量子点的态密度和系统的线形电导都有较大的影响;而且在平衡和非平衡状态下,Kondo和Fano效应都会受到自旋极化强度的影响。(2)当我们同时考虑两个量子点的库仑排斥势时,这个系统在平衡和非平衡情况下的强弱耦合下的态密度都随着铁磁电极的自旋极化强度的变化而发生变化;此外我们还对系统的电流和微分电导是否受到自旋极化强度的变化的变化规律做了描述。我们得出的这些性质为我们研究此类T型双量子点系统提供了更多的传输性质,并且这些性质归结为系统共同存在的Fano和Kondo相互作用。T型双量子点系统是一个非常良好的双量子点结构模型,这样的一个可以包含单个和双个量子点的系统也能为研究强关联相互效应提供帮助,当然能为将来更多的自旋阀实验提供更多的可供参考的的方法。