关键词： 钴酸盐氧化物   掺杂体系   热电材料   量子化学计算  

摘要： 本文对热电效应、热电理论以及热电材料的研究进展作了较为详细的综述。以具有一维Co—O链的Ca3CO2O6钴酸盐氧化物和其掺杂体系作为研究对象，用量子化学的方法对它们进行计算研究。\n 对Ca3Co2O6钴酸盐氧化物和其掺杂体系的研究，采用的是密度泛涵理论中的离散变分方法。对它们的态密度、原子净电荷和共价键级进行计算。Ca3Co2O6钴酸盐氧化物是p型窄带半导体。通过计算发现它的总态密度的导带和价带主要是由Co原子和O原子作贡献，说明Ca3Co2O6的导电能力主要是沿着c轴方向的Co—O链引起的。Ca原子的贡献主要是在导带中比较高的能级上。Co原子作贡献的主要是它们的3d轨道，O原子作贡献的主要是它们的2p轨道。\n 分别对Ca3Co2O6进行了Ca原子和Co原子的取代研究。掺入Na原子和Sr原子取代部分的Ca原子，分别研究了掺杂原子与Ca原子比例是1比2和1比1时的态密度、净电荷和共价键级。计算发现，掺杂使体系的费米能级向低能级移动，体系的化学键强度降低。掺入的Na原子或Sr原子对总态密度的贡献主要在能级较高的导带。但是掺杂原子对于Co—O链上的原子的净电荷和共价键级却有影响，原子之间的相互作用减弱，从而使体系的化学键的强度减弱。\n 分别掺入Cr和Cu对Co—O链上的Co原子进行取代。每个掺杂原子分别取代位于Co—O链的Co（1）原子和Co（3）原子。掺杂原子的加入使体系的费米能级向低能级移动。Cr取代Co原子后，其对总态密度的贡献要小于原来的Co原子。Cr原子的净电荷小于被取代的Co原子的净电荷，Co—O链上的离子键强度减弱。而且掺入Cr原子后，Co—O链上的Co原子之间，以及Co原子和O原子的共价键强度减弱。Cu取代Co原子后，它对总态密度的贡献也要小于原来的Co原子，而且Cu原子的主要贡献在价带。Cu原子的净电荷小于被取代的Co原子的净电荷，掺入Cu取代部分Co原子后，Co—O链上的离子键强度和共价键强度都减弱。\n 通过对Ca3Co2O6中的Ca原子和Co原子的取代研究，表明通过掺杂可以提高Ca3Co2O6的热电性能。

关键词： 红外探测器   超晶格材料   量子点材料   分子束外延  

摘要： InAs/GaSb超晶格材料是目前国际上红外探测器研究领域的热点。与现有的红外探测器材料相比，InAs/GaSb超晶格材料具有更低的暗电流、更高的光电转换效率、更宽的探测波长范围、更好的均匀性等优点，是制备高像素、高帧频、大面阵焦平面红外光电探测器的理想选择之一。本论文深入系统研究了GaSb、GaAs衬底上GaSb缓冲层、InAs/GaSb超晶格、InAs/GaSb量子点材料的分子束外延生长，研究了其光电物理特性，探索了红外探测器的制备，主要内容包括：\n 1、通过优化GaSb基GaSb外延层分子束外延的生长温度、生长速率、Sb/Ga束流比等参数，消除了通常生长条件下GaSb基GaSb缓冲层表面容易出现的“金字塔包”形貌，使缓冲层质量得到改善。\n 2、研究了(4ML/8ML)短周期InAs/GaSb超晶格界面状态对外延材料的表面形貌、失配情况和光学质量的影响。发现若形成GaAs-like界面则导致外延层表面粗糙、光学质量降低；而形成InSb-like界面的厚度过厚也会使表面的“金字塔包”结构密度增加，失配增大，光学质量同样降低。研究了(8ML/8ML)短周期InAs/GaSb超晶格InAs-on-GaSb界面及GaSb-on-InAs界面状态，通过优化中断时间及快门开关顺序等，得到失配小的高质量超晶格。\n 3、采用GaAs衬底上先低温生长AlSb成核层再高温生长GaSb缓冲层的两步生长法，获得了高质量GaSb外延层。发现在450℃下生长2.1 nm的AlSb成核层后再生长的GaSb缓冲层质量较好。\n 4、研究了GaAs基InAs/GaSb异质结量子点的分子束外延生长和能带特性。发现随着GaSb淀积量的增加，量子点密度降低，光荧光发光峰向长波方向移动。当GaSb淀积量达到3.0单原子层时，发光峰波长超过1.5μm。光荧光谱分析表明：发光峰红移是因为量子点内电子空穴复合跃迁发光机制的变化一即由局限在InAs层内的电子和空穴间Ⅰ型跃迁发光转变为InAs层内电子到GaSb层空穴间的Ⅱ型跃迁发光一所致。

关键词： 极端紫外   碱卤化物   光阴极   次级电子  

摘要： 为了满足极端紫外波段微通道位敏阳极光子计数探测器研究的需要,研究了碱卤化物光阴极材料的量子效率.由于光阴极材料的光电发射电流主要是由次级电子形成的,给出碱卤化物光阴极材料次级电子发射的理论模型,推导出次级电子产出的计算公式,针对光子能量30—250eV范围内,计算并分析了光阴极材料厚度和光入射角对次级电子产出的影响.分析结果显示,光阴极材料厚度大于100nm并且掠入射角大于临界角,是获得高次级电子产出的最佳条件.最后,应用推导的公式分析20种碱卤化物在能量30—250eV范围内次级电子产出的光谱响应特性,特性分析显示,次级电子产出的光谱响应峰值位置在材料的共振吸收波长位置.

关键词： 量子比特测量仪器   半导体量子点   单电子输运   量子测量   全计数统计  

摘要： 半导体量子点在库仑阻塞条件下输运电流的涨落性质，以及相关的器件应用，例如作为(单电子)电荷测量仪器，近年来受到了人们的极大关注，是半导体纳米器件和固态量子信息领域的研究热点。本论文利用粒子数分辨的量子主方程方法，研究了半导体量子点输运体系中的量子测量和全计数统计问题。\n 首先，我们提出了耦合双量子点输运系统(双量子点单电子晶体管)作为量子比特测量仪器的方案，并具体研究了其输出特性。基于对电流对比度的分析发现，增加相互作用强度Uαd并降低双量子点之间的耦合Ωd，可使对比度更容易趋向于理想值2，而且双量子点测量仪器与单量子点测量仪器相比更能适应温度的变化。进一步，我们还对此测量仪器的信噪比进行了研究，通过分析各种不同几何结构对输运系统信噪比的影响，我们发现，在强的反对称隧穿耦合和对称性电容耦合条件下，双量子点测量仪器的信噪比可以接近理想量子点接触探测器的上限4。最后我们对双量子点测量仪器的测量效率进行了研究，发现双量子点单电子晶体管在适当的参数范围内有可能接近量子测量极限。\n 其次，我们进一步做了用单量子点输运系统(单电子晶体管)作为量子比特测量仪器的相关研究工作。在这里我们考虑了两个模型，其中一个模型只能工作在强响应区，另一个模型通过连续调节可以从弱响应区过渡到强响应区。通过研究其输出特性，我们发现，增加隧穿耦合反对称性和提高电容耦合对称性都有助于提高信噪比，在完全对称的电容耦合和强的隧穿耦合反对称性条件下，其测量信噪比都可以超过理想线性响应探测器的信噪比Korotkov-Averin上限“4”。为了合理解释上述结果，我们把单量子点测量装置的两个结看作两个探测器，这样通过左右结的电流就会有交叉关联，进一步研究了其电流交叉关联谱，结果发现交叉关联谱自身有很强的信噪比，因此认为是交叉关联导致了总电流的信噪比超过”4”，此外交叉关联谱的研究也可用于探测相干振荡。\n 最后，我们基于全计数统计的方法研究了两路径库仑阻塞输运系统的各阶累积矩，特别研究了在相涨干涉和相消干涉这两种情况下系统的输运行为。我们发现在库仑阻塞区，随着耦合反对称性的增大，当两条路径是相涨干涉时，输运系统会出现超泊松噪声；当两条路径是相消干涉时，电流涨落则是亚泊松的。这里超泊松噪声可由表象变换后的有效快慢输运通道来解释。进一步，分析了退相干效应和温度效应，并对其进行了解释。

关键词： 并联双量子点干涉仪   库仑阻塞条件   量子相干输运  

摘要： 半导体量子点在库仑阻塞条件下的输运，特别是电流的涨落性质，是半导体纳米器件和固态量子信息领域的研究热点。本论文较为系统和深入地研究了库仑阻塞条件下并联双量子点Aharonov-Bohm(以下简称AB)干涉仪的量子相干输运问题。\n 首先，利用本组发展的粒子数分辨的量子主方程方法，研究了在封闭路径条件下，该输运系统的电流特性。我们发现在特定的参数条件下(相关耦合系数成特定比例、两量子点能级差为零)，会出现奇异的电流开关效应(当磁通φ=2nπ时存在电流；φ≠2nπ时，电流为零)。为了解释这种现象，我们引进了一个幺正的表象变换，使原本纠缠在一起并互相竞争的库仑关联、量子相干两个因素得以分别考虑。在变换表象下，我们对开关效应的产生机制做出了直观的物理解释。并且根据对输运电流演化模拟所得出的不同磁通下电流瞬态行为，验证了这种解释的合理性。\n 然后，我们利用同样的粒子数分辨的主方程方法，研究了该输运系统的电流涨落特性。我们发现，在特定的参数条件下(相关耦合系数成特定比例、磁通为零)，当能级差趋于零时，会出现巨涨落效应，以致Fano因子可以出现发散。在变换表象中，我们对此给出了清晰的物理解释。\n 进一步，我们将该AB干涉系统与著名的杨氏双缝干涉仪做对比研究，发现了许多非平庸现象。由于光的双缝干涉本质上是一个开放构形(geometry)，即光子不会从一个缝(slit)处反射再进入到另一个缝，而是或者通过缝后到达干涉屏，或者散射出去不再返回。与此相似，我们将该电子系统拓展至开放构形，即传输路径并非完全封闭，电子有机会逃逸到外界环境中去，且让其极限情况完全等价于光的双缝干涉。同时，我们还在量子点旁边设置了一个量子点接触(QPC)，作为which-way探测器用来研究退相干效应。通过研究这样一个开放干涉仪的输运问题，我们清晰的展示了当系统从完全封闭到完全开放的过程中，干涉图样如何从位相锁定破缺到位相锁定恢复的逐渐转变。在非完全开放情况下，我们对位相锁定破缺的干涉图样做了谐波分析(即多重路径分析)，得到了非同寻常的分波(单条高阶路径)相移和退相干特性。进一步，我们还发现，无论是退相干还是开放性，都会导致电流开关效应的消失，并使原先超泊松(super-Poisson)噪声变为泊松(Poisson)类型。\n 最后，为了使我们的主方程方法能用于更广泛的条件，特别是极低温和任意电压(小偏压)情况，我们初步发展了一套基于自洽波恩近似的量子主方程方案，它以无穷部分求和的方式包含了高阶隧穿过程。对单能级量子点输运，结果与严格的单粒子波函数方法符合良好。对上面的双量子点输运，研究还在进行中，是我们近期的一个重要研究课题。

关键词： 太赫兹   量子级联激光器   分子束外延   X射线衍射  

摘要： 采用气态源分子束外延方法生长了束缚态到连续态跃迁太赫兹量子级联激光器(terahertz quantum-cascade laser,简称THzQCL)有源区结构,并且采用电化学CV仪、霍尔测试仪以及高分辨X射线衍射对材料的质量进行表征,得出THzQCL有源区具有很高的晶体质量.另外,采用蒙特卡罗方法模拟了共振声子THzQCL器件的I-V曲线,分析了在不同偏压下子能级的对齐状况和电子的输运特征.

关键词： 太赫兹   量子级联激光器   分子束外延   I-V特性   电极接触性能   金键合  

摘要： 太赫兹(THz)技术是近年来一个十分热门的领域，其中，THz辐射源是THz技术应用的关键器件。THz量子级联激光器(QCL)是一种全固态、相干的THz辐射源，具有能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点。本论文主要研究了AlGaAs/GaAs基THz QCL有源区的分子束外延(MBE)材料生长与表征、器件制备工艺及其电流-电压(I-V)特性分析，研究了THz QCL电极接触的制作工艺等。本论文的主要研究结果如下：\n 1.采用气态源分子束外延(GSMBE)方法生长了束缚态到连续态跃迁THz QCL有源区结构，并且采用电化学CV仪、霍尔测试仪以及高分辨X射线衍射对材料的质量进行了表征。结果表明，GaAs速率的偏移是引起厚度偏差的主要原因，因此精确控制GaAs速率是生长高质量THz QCL有源区的重要条件。\n 2.采用THz QCL光电测试系统测试了单面金属波导THz QCL器件的Ⅳ特性，热沉温度范围在10～150 K之间。同时，采用蒙特卡洛方法模拟了共振声子THzQCL器件的I-V曲线，分析了在不同偏压下子能级的对齐状况和电子的输运特征。结果表明，注入能级和下激光能级对准是共振声子THz QCL器件中最重要的寄生电流机制。\n 3.针对双面金属波导THz QCL中的金-金键合工艺，研究了Ti/Au与n型GaAs衬底的电极接触工艺，并且讨论了退火对THz QCL电极接触性能的影响。实验结果表明，与无退火样品相比，在400℃退火之后，电极接触性能退化。

关键词： 量子力学   自旋轨道耦合   正多边形量子环   圆形量子环   量子环模型  

摘要： 本文比较系统地研究了有关存在Rashba自旋轨道耦合相互作用的任意正多边形量子环的自旋输运特性。首先，简单介绍了自旋电子学的主要内容和发展历史，并讨论了自旋轨道耦合相互作用的相对论量子力学起源，以及固体材料和器件中Rashba自旋轨道耦合哈密顿量的物理意义。接着，我们建立了正多边形量子环的网络模型，并根据Griffth边界条件建立了相应的本征方程（组）；然后采用算符代数的典型方法严格求解了电子通过量子环的散射问题。通过将该普遍的方程组应用到正多边形量子环的各种模型中，我们具体计算并分析了以下三种情况：（1）出射节点m≠0或者N的一般情形；（2）出射节点m=O或者N的特殊情形，即同一节点出射与入射的情形；（3）圆形量子环非对称的情形。通过建立各种情形下的量子环模型，并建立相应的方程组，我们严格计算并得到了三种情形下系统的反射波和透射波振幅的解析表达式以及Landauer电导的严格表达式。并重新验证了迄今为至关于正多边形量子环以及圆形量子环自旋输运的几乎所有重要结果，并对个别结果做了必要的修正。同时我们对相应散射问题的结果采用数值计算的方法具体研究了电导随Rashba自旋轨道耦合与电子波矢的周期变化特性和零点分布。而后我们经过对比分析发现第（1）种情形下的结果同样适合第（2）种情形下的结果，并且当正多边形量子环边数趋近于无穷大（N→∞）时，第（1）种情形下的结果同样可以得到第（3）种情形下的结果，因此，可以认为第（1）种情形下得到的有关散射问题的相应结果为存在Rashba自旋轨道耦合的任意正多边形量子环以及边数趋近无穷大时形成圆形量子环的普遍解析表达式。

关键词： 量子点   量子输运   Aharonov-Bohm效应  

摘要： 采用修正速率方法研究了环状耦合三量子点系统的瞬态和稳态输运性质.推导了环状耦合三量子点系统的约化密度矩阵运动方程和流经系统的电流.数值计算结果表明:系统处在各状态的几率和流经系统的电流随时间呈现振荡行为.当时间足够长时,它们都趋于稳定值,表明系统达到了稳定状态.在外加磁场的作用下,稳定电流呈现以2π为周期的Aharonov-Bohm振荡.

关键词： 红外   QWIP   暗电流   光荧光谱  

摘要： 在多量子阱红外探测器外延材料制备中,由于器件响应波长对量子阱的阱宽和垒高变化敏感,因此对外延材料的制备有很高的要求。本文中我们利用光致荧光谱(PL)对GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测器材料进行了测量和计算,从而在器件工艺前,快速确定器件的探测波长。以光致荧光光谱对GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测器材料进行测试,通过理论计算,得到多量子阱红外探测器探测波长。计算得到的理论响应波长与实际器件的响应波长有良好的一致性,证明用光荧光谱对外延材料进行测量并计算,能够更加有效地开展器件研究工作。同时,我们在低温下测量了外加偏压下器件暗电流情况,以及液氮温度下,500K黑体辐射情况时,信号噪声比达到235.3。