关键词： 层次性   抽象性   结合性   计算平均   计算极限  

摘要： 新技术革命离不开新材料的发展。无论是新型的结构材料还是功能材料,它们的性质和性能都取决于其组成结构和结合方式,并且是在原子以上的层次作为研究对象。用历史性、层次性和抽象性的方法论述了新材料的发展过程,也讨论了量子力学与其它有关科学的关系。得出结论:要深刻地研究材料的本质,应从揭示微观粒子运动的量子力学理论中去寻求答案,材料的各种性质几乎都可以通过量子力学的平均操作、极限操作及一些数学方法推导出来。

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： 量子线   电子输运特性   传递矩阵方法   透射系数  

摘要： 量子线是继超晶格和量子阱之后,于上个世纪80年代中后期和量子点同时发展起来的一种新型低维量子结构。是低维半导体结构家族中的一个代表性成员。 介观器件的工作原理主要依赖于电子的隧穿,在很多情况下量子线又是信息传输的主要载体。由于空间受限,电子的行为可能受多方面的影响。例如杂质、量子线的界面材质不均匀等不理想因素会明显影响其传输特性,进而影响器件的性能。因此研究不理想因素对电子在量子线中的输运特性的的影响,既具有重要的理论价值,也具有重要的实际应用背景。为此我们对于材料GaAs和AlδGa1-δAs组成的量子线的输运性质进行了理论研究。 对于准一维介观结构的量子线,其中的电子不能再被视为经典的粒子,运动的电子具有波粒二象性。这样量子相干自然地包括在Landauer-Büttiker理论中。Landauer-Büttiker输运理论是在介观体系中最为广泛使用的量子输运理论。在本论文中我们利用Landauer-Büttiker公式和传递矩阵方法来研究由两种不同材料组成的量子线中的电子输运性质。获得了一些创新性的研究成果。 首先我们对于GaAs-AlδGa1-δAs型量子线的输运性质进行理论研究。我们采用有效质量近似的框架,通过解量子线体系的三维薛定谔方程,得到波函数与能量的表达式。应用适当的边界条件和传递矩阵方法得到体系的传递矩阵,并且给出矩阵元的具体表达式。结果表明传递矩阵的矩阵元与电子在不同材料中的有效质量相关。这体现了材料对于量子线中电子输运性质的影响。我们通过传递矩阵元进一步给出透射系数的表达式。结果表明量子线体系的透射系数与入射电子能量,量子线宽度,材料的选取等因素密切相关。利用Landauer-Büttiker公式,由透射系数得到了量子线体系的电导。运用数值运算我们给出了透射系数与电导随着入射电子能量的变化曲线。清晰的反映了由两种不同材料组成的量子线的电子输运性质。结果表明透射系数与电导随着入射电子能量的增加而增大,最终趋近于定值1。我们还研究了量子线宽度对于电子输运性质的影响。结果表明随着量子线宽度的增加,透射系数逐渐减小。 进一步,我们对于GaAs-AlδGa1-δAs-GaAs型量子线的输运性质进行理论研究。我们应用传递矩阵方法得到分区的传递矩阵,总的传递矩阵为分区的传递矩阵之积。这样我们得到了透射系数与电导的表达式。通过数值计算我们得到了这样的结论,势垒的宽度越大,透射系数越小。δ越小,透射系数和电导的取值越大。透射系数与电导的变化趋势基本一致。 总之,我们运用传递矩阵的方法对不同材料组成的量子线的输运性质进行了理论研究,结果表明其输运性质受到多方面因素的影响,例如势垒的情况,量子线的宽度,入射电子的能量,材料的选取。 以上成果有一定的理论价值和潜在的实际应用的价值。

关键词： 量子结构   散射矩阵方法   弹道声子输运   热导   热整流  

摘要： 以硅和其他无机半导体材料为基础的微电子器件的尺度逐渐的逼近其物理极限,纳米尺度的量子结构和器件由于具有新颖的物理性质和广泛的应用前景已成为当前材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。本文较为系统的研究了几何形状、结构参数、衰减模对纳米尺度量子结构中的声子弹道输运和热导的影响,对量子结构中非均匀温度下声子热输运做了有益的探讨,获得了一些有意义的结果。 应用散射矩阵方法,研究了低温下双缝量子结构和法布里-帕罗量子结构中的声学声子弹道输运和热导性质,计算结果表明:由于声子在输运过程中经过多重反射,这两种量子结构中的透射系数和热导都很小。在双缝量子结构中,通过调控结构参数我们可以调控声子的透射和热导,在结构的中心处将出现透射系数和热导的极大值或极小值。法布里-帕罗量子结构中透射系数随几何参数成周期性变化,反射壁为硬壁边界,因此量子化热导现象没有出现。文中对声子和电子在这两种结构中的输运性质与光学实验进行了对比。 研究了低温下衰减模对量子结构中声学声子输运和热导性质的影响,详细揭示了衰减模影响体系声子传输和热导的作用机理。在窄-宽-窄和宽-窄-宽这两种不同的量子结构中,衰减模对声子透射和热导的作用不一致,对于窄-宽-窄结构,衰减模与传播模的相互作用将抑制声子模的传输,使结构的透射和热导都减少;然而,对于宽-窄-宽结构,衰减模将为声子模的传播提供通道,从而有利于声子的输运。不同模指数的衰减模衰减长度不同,低阶衰减模具有较大衰减长度,对声子传播模的输运起主要作用。 研究了有限厚度下双弯曲量子结构中声子的透射系数和热导性质,并与二维结构的结果进行了对比。当量子结构为一理想的直量子线时,透射曲线为一系列的量子化平台,但与二维结构量子化平台和电导量子化平台显著不同。二维结构中,在每个约化频率处激发一支声子模,量子化平台为一个单位的垂直跳跃,在考虑有限厚度的结构中,声子模的激发显著地依赖于结构参数,每一支新模的激发位置不再是在约化频率的整数倍处,量子化平台为一个或两个单位的跳跃。观察到了显著的共振输运现象。结果表明通过调控结构参数来调控声子输运以满足器件的设计需要是一种有效的方法。 研究了考虑有限厚度的不对称三终端量子结构中的声子输运和热导性质,发现声子模在结构中具有选择性输运行为,不同指数的声子模选择性的从不同的通道中透射,通过调控结构参数和入射频率,我们可以控制声子模的输运通道并且从特定的通道中分离出不同能量的声子模或禁止某些频率的声子模传播,基于声子的输运特性,我们得到了模分离条件并从理论上设计了模分离仪和声子模开关。在低温下,我们还观察到了非整数量子化热导现象,声子热导显著的依赖于结构参数,随着结构参数的改变,不同通道的热导表现出不同的变化特征。 研究了处于非均匀温度下对称和非对称三端口量子器件中的声子热输运性质,研究表明,当左右端口的热库间存在有限的温度差时,在局域热平衡下,对称三端口量子结构中心端口的温度总是高于左右端口的平均温度,而非对称三端口量子结构,中心端口的温度也总是偏离平均温度。左右端口平均温度越低,中心端口的温度对平均温度的偏离越显著。中心端口热库温度处在极低温区域时结构中出现了负热导现象,这表明三端口量子结构具有热整流效应。

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。

关键词： 异质外延   量子点   应变   应力   有限元   弛豫  

摘要： 本论文的资助来源为:国家“973”重点基础研究发展计划“单片集成光电子器件的异质兼容理论与重要结构工艺创新”和国家自然科学基金“基于应变机制长波长GaAs基量子异质结构材料的研究”。 半导体异质外延材料和量子点材料在纳米电子学、光电子学中具有广泛的应用前景。对异质外延材料应变场与量子点材料弛豫度的研究将对进一步研究这些材料的生长和制备产生重要意义。本论文中紧密围绕光电子材料和与器件相关的理论和技术进行展开,运用有限元方法研究了半导体异质外延材料的应变场和半导体量子点材料的弛豫度问题。 首先,运用有限元方法对半导体异质外延材料进行分析,通过有限元计算,结合文献中的模型得到了异质外延材料的应力、应变分布。进一步具体分析了InGaAs/GaAs体系中应力、应变在外延层和衬底中的分布,并且比较了不同衬底高度和不同In含量下InxGa1-xAs/GaAs体系中应变场的分布。 其次,运用有限元方法研究不同形状的量子点的应变能量分布和弛豫度随着高宽比变化的规律,分析了量子点间距和量子点形状对量子点应变弛豫的影响,定量的讨论了量子点的弛豫度与量子点形状之间的关系。计算结果表明,在不考虑表面能的情况下,当量子点高宽比增加时,弛豫度上升,并且发现平顶金字塔形量子点最先达到稳定;岛间距增大时,量子点内应变能下降,其中立方体形量子点应变能下降最快。计算结果表明,研究量子点弛豫度将对研究量子点成岛过程具有重要意义。 最后,对所做的工作做了总结与展望。

关键词： Bose-Einstein condensation of magnons   spontaneous magnetization   specific heat for magnetic materials  

摘要： The temperature dependence of spontaneous magnetization and specific heat for a system of magnons are investigated systematically. The correspondence of this system with the Bose-Einstein condensation phenomenon is used. Calculations are performed for both crystalline bulk materials and thin films. The calculated results are consistent with the available experimental data, indicating that our suggested approach is a suitable one for describing the thermodynamic properties for the magnon system. The thermodynamical parameters for magnons system have many similarities with the thermodynamical parameters for boson atomic gas. Results for crystalline bulk material can be used as a zeroth order approximation in any perturbative treatment of thin film. In contrast to a previous study, our method involves only analytic calculations.

关键词： 太赫兹   量子阱   探测器   蒙特卡洛   散射   电子输运  

摘要： 本论文主要研究了低温低场下太赫兹波段量子阱光探测器内部电子的输运特性。运用蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟方法,本文对常规的GaAs/Al0.03Ga0.97As量子阱光探测器内部的电子输运过程,利用Visual Fortran软件进行建模。在建模的过程中,采用非抛物线型能带结构,着重考虑了激发电子的各种散射机制,并对激发电子的输运特性进行模拟。考察了激发电子在不同时刻的浓度分布、电子的漂移速度和迁移率特性,以及器件的电流响应。并在这个基础上,对太赫兹波段下GaAs/Al0.03Ga0.97As量子阱光探测器的性能做了一些探讨。研究结果对于目前广泛进行的太赫兹探测器的设计制作具有一定的指导意义。主要内容如下: 1.通过模拟太赫兹波段GaAs/Al0.03Ga0.97As量子阱光探测器的激发电子在不同时刻的浓度分布,以及在不同能谷中的浓度分布,观察到太赫兹波段量子阱光探测器内部激发电子绝大多数在低能谷,即Γ能谷中输运,很少发生向高能谷的跃迁。在这个基础上,我们探讨了太赫兹波段GaAs/Al0.03Ga0.97As量子阱光探测器内部激发电子的漂移速度特性以及迁移率特性。同时,在分析电子漂移速度特性的时候,发现了电子的平均漂移速度随着温度的升高而有所升高,针对这个与红外量子阱探测器不一样的特点,结合模拟得到的结果进行了解释和讨论。 2.模拟了太赫兹波段GaAs/Al0.03Ga0.97As量子阱光探测器的电流特性。一方面,本文中模拟了太赫兹波段GaAs/Al0.03Ga0.97As量子阱光探测器的瞬态光电流响应,并与红外探测器的瞬态响应做了比较,结果在本文得到的结果中,没有发现红外探测器中存在的速度过冲现象,反而得到了比较平稳的瞬态光电流曲线。针对产生这个现象的原因,我们进行了理论上的分析和讨论。之后,对太赫兹波段GaAs/Al0.03Ga0.97As量子阱光探测器的稳态光电流进行模拟,并分析了稳态光电流与外加偏置电压之间的关系。 3.结合模拟得到的太赫兹波段GaAs/Al0.03Ga0.97As量子阱光探测器内部的电子输运特性,探讨了太赫兹量子阱探测器的宏观特性,比如太赫兹量子阱探测器具有较高光电导增益、较高的探测灵敏度以及较低的噪声水平。对几种噪声中最主要的暗电流噪声进行了着重的分析讨论。并对目前太赫兹量子阱探测器中存在的主要问题以及未来可能的发展趋势给出了自己的看法。

关键词： 分子印迹   固相萃取   高效液相色谱   荧光量子点   纳米分子印迹材料  

摘要： 随着生命科学、生物工程和环境科学等学科的迅速发展，以及各种工业生产过程中污染物排放日益增加，分析科学同时面临着新的机遇和挑战。分析对象日益复杂多样，对复杂基体中痕量和超痕量组分的分离和检测成为突出的问题。对于成分比较复杂的环境样品和生物样品，需要经过一定的分离及富集以后才能进入分析仪器进行准确的测定。而样品的富集分离通常需要借助选择性高、吸附容量大的各种吸附材料和合适的分离手段。因此，本论文针对成分复杂的环境样品，以建立痕量组分的富集分离及分析为目的，合成了几种功能化吸附分离材料，并对材料的选择性吸附性能开展了系统研究，主要进行了以下几方面的创新性研究工作。 1．以环境雌激素污染物双酚A为模板分子，以SiO2颗粒为载体，以3-氨基丙基-三乙氧基硅烷为功能单体合成了表面分子印迹材料，并使用了FT-IR和静态吸附实验对材料进行了表征。将制备的印迹材料应用到固相萃取技术中，研究了分子印迹固相萃取柱与商品C8固相萃取柱富集分离双酚A分子的优劣性。并将分子印迹固相萃取与高效液相色谱仪器联用，分析了水样中的痕量双酚A。 2．以环境雌激素污染物己烯雌酚（DES）为模板分子，以SiO2颗粒为载体，以3-氨基丙基-三乙氧基硅烷为功能单体合成了表面分子印迹材料，并使用了FT-IR和静态吸附试验对材料进行了表征。制备的己烯雌酚分子印迹材料对DES的最大静态吸附值达到62．58mg g-1。当溶液中DES和干扰物的浓度为50 mg L-1时，该材料对DES的选择因子达到61．7。吸附动力学实验显示，DES印迹材料对DES的吸附在10min内完成。将制备的分子印迹材料应用到固相萃取技术中，并与高效液相色谱仪器联用，测定了鱼肉样品中DES的含量。 3．以己烯雌酚（DES）为模板分子，以甲基丙烯酸为功能单体，以EGDMA为交联剂，分别以块聚合成方法和微乳聚合的方法合成了印迹块状材料（MIBs）和纳米印迹材料（MINs）。MINs材料的颗粒直接约在100nm左右。通过透射电镜和静态吸附试验显示，与传统块聚合方法制备的MIPs材料相比，乳液聚合不但实验方法简便，而且MINs材料具有更好的形貌和更高的吸附容量。 4．使用水相合成法、以巯基乙酸为稳定剂制备了三种不同发光的水溶性CdTe量子点溶液，分别使用透射电镜（TEM）、荧光光谱（FL）和紫外光谱（UV）技术对该量子点进行了表征。选取其中一种量子点与胰岛素分子的相互作用体系为研究对象，采用了荧光光谱技术对量子点和生物分子之间的相互作用进行了探讨。通过对胰岛素对CdTe的淬灭常数的计算，判断出胰岛素对CdTe的淬灭属于静态淬灭行为。另外，通过对不同盐浓度和酸度环境下淬灭效率的实验，得出以巯基乙酸为稳定剂的CdTe量子点和胰岛素之间的相互作用以静电作用为主。

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。