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： 单分子磁体   主方程方法  

摘要： 用主方程方法研究单分子磁体与两个铁磁电极耦合的自旋极化输运特性,对左右铁磁电极的自旋极化方向成任意角的情况,计算了单分子磁体量子态的占据率及通过系统的电流和隧穿磁阻(TMR).态的占据率随时间的变化表明单分子磁体的自旋翻转,当时间足够长时,占据率达到稳态,不同的夹角发生翻转现象的时间不同.这些结果为磁性分子器件的设计提供了理论依据.

关键词： 铁磁电极耦合   量子点   介观体系   格林函数   自旋极化输运   局域态密度  

摘要： 本论文对与铁磁电极耦合的量子点这个介观体系中的自旋极化输运现象做了系统和深入的理论研究，这对将来的电子器件的发展和应用具有重要价值和意义。其目的一方面在于揭示介观体系中新效应的物理机制和规律，另一方面为设计和实现具有更优良性能的量子器件提供物理模型和理论依据。本文第一章先介绍了介观体系和自旋电子学，又介绍了介观输运过程中常见的量子现象，回顾了低维介观体系研究中的一些重要实验和理论进展。第二章则较详细地介绍了本文所采用的理论工具--非平衡格林函数和求解格林函数所用的戴逊方程方法，研究了铁磁-量子点-铁磁结构的量子输运性质，给出了格林函数的定义式和计算方法，推导出的电流、电导、隧穿磁电阻的一般表达式。第三章着重研究了与两个铁磁电极耦合的单个磁自旋结构，探讨了这种结构的与自旋相关的输运性质，得到了局域态密度、电流、电导和隧穿磁电阻在各种条件下随外加偏压变化的特性。研究发现，输运特性不光依赖于电极的极化度和局域自旋与电子之间的自旋交换相互作用，还依赖于外部电极磁矩的相关取向。而在第四章中，论文探讨了自旋极化电流、自旋极化电导的特性，特别讨论了电流在非平行构型的磁矩下的行为，发现不同磁矩构型对自旋极化电流有很大的影响，研究还发现，自旋极化电流只有当某些参数取特定值时才能出现最大值。在反平行构型中，极化度p和量子点内电子的自旋翻转在整个电子输运过程中会扮演尤其重要的角色。在第五章对本论文工作进行了总结，并对以后可深入研究的工作提．出了一些展望和设想。

关键词： 量子输运   量子线   量子点   玻色化方法   本征泛函理论   拉廷格液体(Luttinger liquid)   费诺共振(Fano resonance)  

摘要： 近三十年来,伴随半导体CMOS(互补金属氧化物半导体)技术、微测技术的快速发展和超低温的实现,介观物理学迅速形成并发展成为凝聚态物理的一个重要组成部分,成为新的研究热点。在一维结构(如量子线)中,电子的传播在两个空间维度受到约束,相应的动量分量取分立值,电子的费米面变成两个分离的费米能级。在低温下,即使电子间有很小的相互作用,它都表现为很强的关联(量子涨落),因此,一维电子气(如量子线)中的电子有着完全不同于三维结构中的电子的低温物理性质。在准零维结构(如量子点)中,由于电子运动在所有的方向上都受到限制,量子点结构中的量子效应最为明显。因此,量子点结构已成为近年来的研究热点(Ferry D.K.等,***.P.等,1997)。从能量和电荷分立的角度来看量子点与原子具有紧密的相似性,因此量子点通常被称为人造原子(Kastner M.A.,*** R.C.,1996)。量子点结构所独有的库仑阻塞(Staring A.A.M等,1991),单电子隧穿(Meirav U.,1990)等电子输运特性为设计和制造量子效应原理性器件和纳米结构器件开辟了新的发展方向。此外,由于量子点参数易于调节,人们可以用量子点来研究以前难以触及的实验领域,更为重要的是量子点中的电子有着极强的关联,研究量子点中的电子输运有助于深化对电子强关联行为的理解。 本论文所使用的研究方法主要是玻色化方法和本征泛函理论(eigen functionaltheory)。本征泛函理论(eigen functional theory)是刘玉良教授于2002—2005年间建立的、一个可以统一处理弱关联和强关联量子多体系统的理论。在这个理论框架下,将自然地出现一个描述粒子间相互关联效应的参量,称为相场(phase field),它是隐藏于量子多体系统中的一个关键参量,是能够统一地描述强关联和弱关联量子多体系统的关键,而在目前的所有微扰理论中不存在这样的直接描述粒子间关联效应的参量。用本征泛函理论求解多粒子问题分两个步骤,首先是用路径积分公式通过变换将D维问题变化为(D+1)维有效的单粒子问题,然后通过解粒子的传播子本征方程得到基态能量的泛函和作用量。多粒子问题的解决最后归结为解相场方程,该方程由电子的相互作用所决定,可以比较方便地利用量子MonteCarlo方法进行数值模拟计算。在利用虚时代替实时后,本征泛函理论还可以应用于有限温度的情况。 利用玻色化方法和本征泛函理论(eigenfunctional theory),我们主要开展了以下两方面的研究。 1、一维互作用电子系统中单杂质对电子的背散射 在一维系统中严格处理电子在杂质上的背散射是很重要的,这是因为在Luttinger液体中的X射线吸收和杂质散射,在量子点接触上的分数量子霍耳效应的边缘态隧穿,一维周期势中粒子的量子布朗运动,所有这些均包含对背散射项的处理。Luttinger液体中单杂质散射的共性是电子在杂质上的背散射,它戏剧性地改变了系统的低能行为。当互作用是排斥力时,即使势很微弱,重正化后的势垒强度也将趋于无穷大。因此对于排斥互作用,电子在杂质上完全被反射。势垒强度的发散使得这一问题很难处理。 针对这一问题,利用玻色化方法和相移表示,我们严格处理了在零温条件下无自旋Luttinger液体中非磁性杂质引起的背散射问题。在相移表示中,系统在紫外和红外定点的行为是清晰的。我们明确展示了系统的输运性质,特别是隧穿电导。在低能区,电子被杂质完全反射,在高能区,电子全部穿透通过。明确给出隧穿电导的表达式,它是Landauer-B(u|¨)ttiker公式的变形。 2、朗道费米液体和拉廷格液体(Luttinger liquid)中的费诺共振 费诺效应(Fano effect)是费诺于1961年(Fano U.,1961)提出的,意指当原子或分子中的连续激发态能级与分离激发态能级重叠时,由于干涉作用,在激发谱中产生特殊的非对称线形的现象。这种特殊的非对称线形被称为费诺线形(Fano line shape)。费诺效应(Fano effect)是一个普遍存在的现象,已在许多实验中被观测到,如原子核散射、原子的光致电离、拉曼散射、光吸收实验等。对费诺效应(Fano effect)实现人工调控的实验最早是由Kobayashi K.等人于2002年实现的(Kobayashi K.等,2002)。显然,这一干涉效应会容易地受到外磁场或磁通的影响,并且费诺线形(Fano line shape)随外磁通的变化可以清楚地在实验中被观察到。 利用双通道模型,我们研究了温度,外电压和磁通对费诺线形(Fano line shape)的影

关键词： 分子束外延   量子阱   自旋驰豫   砷化镓  

摘要： 本文首先详细介绍了分子束外延设备的原理和构造。采用原子力显微镜研究了InAs/GaAs量子点的生长特点。采用室温光荧光谱、低温光荧光谱对在GaAs (111)衬底上生长高Al组分的AlGaAs材料进行了研究。然后本文利用不同工艺条件下在GaAs(111)衬底上生长GaAs时反射高能电子衍射强度振荡呈现单双周期变化的特点,找到了一种在GaAs(111)衬底上生长高质量量子阱的可行方法,运用时间分辨Kerr旋转谱、室温荧光光谱、低温荧光光谱、原子力显微镜等测量手段研究了不同生长条件对量子阱内电子的自旋驰豫的影响。主要研究内容和结果如下: 1.在GaAs (111)衬底上生长高Al组分的Al0.3Ga0.7As时,生长温度,生长速率和As2/Ga束流等效压强比对材料晶体质量和光学性能有重要的影响。本文采用分子束外延技术在GaAs (111)衬底上生长了一系列生长温度和As2/Ga束流等效压强比不同的样品,通过室温光荧光谱、低温光荧光谱对这些样品进行了分析,找到了在GaAs (111)衬底上生长高质量高Al组分的Al0.3Ga0.7As生长条件。 2. GaAs (111)衬底上生长GaAs外延层时,不同生长条件下存在单层和双层两种生长模式,对应反射高能电子衍射RHEED强度振荡呈现出单双周期的变化。透射电子显微镜和室温光荧光谱测量结果表明:在双层生长模式下量子阱样品光学性能较差,而在单层生长模式下量子阱光学性能较好,但是界面会变粗糙。利用这一特点,我们采用反射高能电子衍射强度振荡技术,找到了一种在GaAs(111)衬底上生长高质量量子阱的可行方法。 3.通过时间分辨Kerr旋转谱研究了界面生长中断对量子阱内电子自旋寿命τ的影响。研究表明在量子阱双转界面(AlGaAs上生长GaAs和GaAs上生长AlGaAs的界面)的中断比在反转界面(AlGaAs上生长GaAs的界面)的中断对自旋寿命有更大的影响。我们生长了一系列在双转界面上中断不同时间的量子阱样品。对样品进行了室温荧光的研究,室温荧光光谱结果显示量子阱的粗糙度随中断时间增加而减小。室温下时间分辨克尔旋转谱的测试表明合适的界面生长中断时间可以显著地提高自旋寿命。我们认为这主要是因为生长中断减少了界面粗糙度,抑制了D'yakonov-Perel'相互作用,从而提高了自旋寿命。

关键词： 低维系统   傅立叶定律   一维链   热传导  

摘要： 傅立叶定律描述了宏观物体的热传导规律，低维系统热传递的研究是理解微观材料性质的基础。傅立叶定律是否主宰低维系统中的热传导性质?围绕这个问题，我们做了一系列的研究，推广了量子Ford-Kac-Mazur（FKM）公式处理一维Fermi-Pasta-Ulam（FPU）非谐振链的热传导特性。探讨了耦合系数、非线性、尺寸效应和质量无序效应对热传导的影响。采用四阶龙格-库塔算法模拟了具有Frenkel-Kontorova（FK）在位势的一维FPU链的热传导特性。结论是一维FPU非谐振链以及FPU-FK链的热传导不满足傅立叶定律。本文的创新点和主要结论如下： 1．推广量子FKM公式处理一维FPU非谐振链的热传导特性。 一维链与热源的耦合强度对中心链声子的传输有较大的影响。一维链与热源的耦合越强，声子谱越连续，声子越容易穿越中心链，更多的声子模参与热流的传导；当耦合越弱，热源与一维链边界的声子模局域化，声子谱不连续。 一维链与Landauer热源连接时，热流与系统尺寸的指数关系近似为J∝1／N1／2。而在Langevin热源情况下，当N＜10时，热流随着系统尺寸的增加而呈线性增加的趋势。当N＞10时，热流则随着系统尺寸的增加而减小。我们的计算结果表明在非谐振链中热流与系统尺寸有关，并且非谐振作用导致局部声子的局域化，并最终对热流能量产生散射作用。 一维链粒子的局域温度分布在不同系统尺寸下呈现“奇偶效应”。当满足两个条件，即系统尺寸为偶数以及两端热源温度相同，这时一维链的中心部分出现局域动能的稳定平台；在奇数粒子系统中不存在这种稳定平台。根据奇偶效应，当系统尺寸为偶数并且左右两个热源温度相同时，一维链的中心粒子的局域动能可以用来描述链的局域温度。随着系统尺寸奇偶性的变化，质量无序链中的局域动能分布有较大的不同。这种无序链的条件下，因系统尺寸奇偶性不一样导致的粒子的局域动能具有较大差别的现象，可以称为无序链的“奇偶效应”。当系统尺寸是偶数的时候，粒子的局域动能的涨落较小，但其分布受无序效应的影响很大，呈现无序分布，特别是一维链的中心不再有稳定平台。当系统尺寸是奇数的时候，粒子的局域动能的涨落较大，但其分布情况很规则，受无序效应影响比较小。 2．采用四阶龙格-库塔算法模拟了一维FPU-FK链的热传导特性。 我们构造的一维FPU-FK链同时考虑了最近邻粒子间的相互作用以及外加周期势场对系统热传导的影响，并与Nos（?）-Hoover（NH）热源相连。研究发现在一维FPU-FK链中，热传导达到了很好的局域平衡状态，晶格内部粒子间的温度梯度均匀。由于构成热源与一维链的材料不同，一维链边界附近的局域动能出现了较大的跳跃。热导率随系统尺寸的关系为κ∝JN∝Nα，其中α=0．44±0．01。

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： 全光开关   量子点   布拉格   光学斯塔克效应  

摘要： 近年来,光通讯技术的迅猛发展,通讯速率的大幅度提高,对网间交换节点中的高速光开关的需求越来越迫切。而各种物理机制下的全光开关由于其快速的响应速率及良好的光学特性,越来越受到广泛的关注。 在本论文中,我们提出了一种量子点材料为有源区的一维光子晶体结构偏振光开关。这种开关由于量子点材料的特性,使室温下的激子效应明显,同时采用非共振激发下的光学斯塔克效应为驱动光开关的非线性物理机制,避免了载流子的累积效应并实现了泵浦光脉冲时间范围内的开关响应。量子点层间周期满足入射光波长的布拉格条件,并且量子点中激子共振频率与布拉格频率相等时,这种结构显现出一维光子晶体的特性。由泵浦光引起的量子点激子频率的微小变动,就会引起此光子晶体的禁带发生较大塌陷,而且这一塌陷在泵浦光撤离后能够快速恢复,具有ps量级的恢复时间。 通过计算量子点材料的能级结构,分别讨论了单量子点及量子点群的光学特性;利用传输矩阵法建立了光开关的数学模型,研究了这种光开关的性能参数,并与相同周期结构的布拉格间隔量子阱型全光开关做了对比。从理论计算看出,这种光开关室温下的泵浦光功率较大减小,对比度明显增强,插入损耗有所减小,显示了极大的优越性。最后我们阐述了基于量子点半导体光放大器及光子晶体中马赫-则德干涉仪结构的全光开关的物理概念,以及这种光开关的独特优势。希望我们的理论研究及计算结果对后来的实用光开关的设计及理论建模有参考意义。

关键词： 单分子磁体   量子主方程方法   量子输运  

摘要： 近年来,分子磁体中的量子现象研究进一步推动了人们对磁性系统的认识,成为磁学领域的一个热点课题。本文首先回顾了几种常见的单分子磁体及宏观量子效应,特别是单分子磁体Mn12、Fe8的实验研究结果,如量子隧穿、量子相干、量子化磁滞回线、磁共振等,以及近年来单分子磁体量子输运研究在实验和理论方面的研究现状;接着在宽带近似下,应用量子主方程方法研究了单分子磁体耦合铁磁电极的量子输运,考虑了单分子磁体内电子-电子库仑相互作用,磁各向异性能,自旋交换相互作用等;最后研究了沿分子磁体易轴方向加磁场时,单分子磁体的输运特性。数值计算结果表明:当两电极部分极化时,系统的稳态电流随偏压变化过程中出现台阶,可解释为库仑阻塞效应;电流减小的区域为负微分电导,可解释为自旋阻塞效应;通过调节左右电极极化方向的夹角可调节系统的电流和隧穿磁阻的大小;当两铁磁电极处于反平行结构时,可得电流最小值和TMR最大值;态的占据率随时间的变化可见单分子磁体的自旋翻转;当时间足够长时,占据率达到稳态,不同的夹角发生反转现象的时间不同;不同的电极极化率也影响自旋反转发生的时间;当两电极接近完全极化时,稳态电流出现完全抑制现象,可用自旋阻塞效应来解释;另外当沿易轴方向加磁场时,由于塞曼效应破坏了自旋简并,导致稳态电流中的台阶增加。单分子磁体耦合铁磁电极的量子输运研究为灵敏的电流计、磁性分子晶体管,磁随机存储器（RMAM）等分子器件的设计和制作提供了理论依据。