关键词： 薛定谔方程   泊松方程   QDAME   DG MOSFET   二维自洽求解  

摘要： 随着集成电路制造及设计技术的飞速发展,器件特征尺寸已减小到几十纳米,必须引入量子输运模型。此时,器件模拟面临着新的挑战,载流子的输运研究主要基于有效质量薛定谔(Schr?dinger)方程和量子波尔兹曼(Boltzmann)方程,一系列以此为基础的量子输运模型被提出并应用到器件的模拟中去。其中有效质量薛定谔方程和泊松方程的二维自洽求解从微观上可以较好地模拟特殊器件结构下载流子的量子波动特性,并导出宏观上器件的电学特性。本论文的目标就是在DG(double-gate) MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)中实现二维有效质量薛定谔方程和泊松方程的耦合自洽求解。 本论文先介绍求解二维有效质量薛定谔方程的QTBM(QuantumTransmitting Boundary Method)方法[i]的推导和思路。继而介绍了QDAME(Quantum Device Analysis by Modal Evaluation)方法[ii],主要涵盖了驻波边界条件的取样和本征方程的确定,载流行波的分解,漂移波矢的引入和态密度的计算,量子电流连续性方程的导出,以及加速收敛的Broyden算法的应用等一系列问题。基于上述方法,使用MATLAB平台进行程序设计,首先完成一维边界上的自洽求解,研究分析了不同边界宽度下量子波动特性带来的自建电势和载流子分布的变化,并验证了Broyden算法的收敛性能。其次,利用一维边界的解,采用有限元法离散微分方程,以QDAME方法实现了二维薛定谔方程和泊松方程的自洽求解,成功模拟了在室温300K下沟道长度为5-20nm的二维DG MOSFET,得到了器件的输出特性和内部电势以及载流子分布等数据,着重分析了量子输运机制下的短沟效应和高偏压下电中性难以满足等问题。最后为了进一步结合实际情况,引入高斯分布(Gaussian distribution)的浅掺杂区,分析了浅掺杂区和沟道长度对于阈值电压的控制作用。对比普渡(Purdue)大学nanoMOS程序的准二维模拟结果,本论文较好地反映了器件的量子输运特性。

关键词： AlxGa1-xAs/GaAs量子线   吸引杂质   THz电磁场   介观瞬态输运   台阶结构   Fano共振   Breit-Wigner共振  

摘要： 量子线（纳米线）等介观系统中的电子输运一直是人们非常关心的问题,它不仅是一个重要的基础物理问题,而且有着潜在的应用前景。量子线等介观体系将是今后纳米量子电路的重要物理器件。对量子线系统而言,杂质的存在是不可避免的,并会影响量子线的输运性质,对所制造的纳米器件的品质也会有一定的影响,所以人们对含杂质量子线的输运性质的研究产生了很大的兴趣。本文采用有效质量近似自由电子模型,用散射矩阵方法在Landauer-Buttiker框架下研究了含杂质量子线在横向极化太赫兹电磁场辐照下的电子输运性质,得到了一些有意义的新结果。 全文共分为四章。第一章简要介绍了AlxGa1-xAs/GaAs半导体异质结二维电子气系统及其形成的量子线、介观输运有关的基本理论及其发展历史和散射矩阵方法。第二章用含时模式匹配方法研究了含杂质直量子线在太赫兹电磁波部分辐照下的电子输运性质。研究结果表明:当外场频率与量子线横向能级间隔匹配时（即共振情况）,透射率呈现出一个反常的台阶结构;在非共振情况,当外场频率和电场强度取适当的值时,透射率出现一个有趣的dip结构,此时辐照区和非辐照区的第二个模式同时成为传播模式,即新的通道打开之前,有一个准束缚态与dip相对应;由于前进波和后退波的相干叠加,透射率出现Breit-Wigner共振。 第三章在第二章工作的基础上,具体分析了外场参量以及杂质势参量对输运性质的影响。理论计算结果表明,外场频率ω和强度ε都通过对辐照区的含时模式进行调制来影响系统的电子透射率。当外场频率和强度取适当值时,透射率不仅会出现反常的台阶结构,而且出现有趣的dip结构以及多个Fano共振结构。文中对这些现象的特点和形成机制进行了详细的分析。同时发现杂质势的长度只会影响电子波函数的相干叠加,而不改变透射率。但是,杂质势的宽度和势强度则通过调制辐照区内的两个含时模式来影响整个系统的透射率。 第四章我们对本文的工作进行了简要的总结,并对这一研究领域的发展前景作了简要的展望。

关键词： 双杂质模型   电子输运   束缚态   透射系数   态密度   分子器件  

摘要： 本论文对含双杂质的一维量子导线的电子输运问题做了较系统的研究,并得出了一些重要的结论,对量子器件的设计提供了重要的理论指导。 首先,我们介绍了这个含双杂质的一维量子导线模型,并借助于一系列能量参数来表征这个模型的特征,这些参数分别为:链中主原子和杂质原子的在位能,杂质与两端链间的耦合强度,链中主原子间和两杂质间的耦合强度。基于这个模型的特点,采用了单通道散射理论,而且在紧束缚近似下,采用了转移矩阵法,从而求得了该模型的几个重要物理量的解析解:束缚态,透射系数和态密度的变化量。 其次,为了能更好地理解这种含双杂质的一维量子链的输运性质,我们先回顾了一下更简单的单杂质模型的输运性质。然后,我们对杂质与两端的耦合对称的双杂质模犁进行了详细的研究,先对双杂质模型细分为对称双杂质模型(两杂质的在位能相等)和反对称双杂质模型(两杂质的在位能相反),我们对两模型都作了以下几方面的研究:束缚态,透射系数,态密度变化量随杂质间耦合强度和杂质—链间耦合强度的变化情况,重点讨论了束缚态和透射系数最大值之间的密切联系,态密度的变化量与透射系数之间的联系。其中,束缚态和态密度的变化量的研究主要是为了更好的理解透射系数的变化过程,从而对模型的输运性质有更好的认识。具体的研究结果表明,双杂质模型的某些结果与单杂质模型差异很大,如束缚态与透射系数最大值间的联系。根据透射系数最大值随杂质—链间耦合强度变化过程中出现的一些急剧跳变结构,我们提出了一种新的设计量子开关的机理。这也是本论文的最重要的部分。 最后,我们对所作的研究进行了总结,得出了一些重要的结论,并对分子器件的设计提出了一点构想。

关键词： 介观环   持续流   自旋极化流   杂质   AB效应   AC效应   量子波导理论  

摘要： 本论文主要针对介观环中的输运现象做了较为系统的理论研究。其目的在于揭示介观环中输运特性的物理机制,并为设计和实现具有优良性能的量子器件提供物理模型和理论研究依据。 介观系统是介于宏观和微观之间的系统,其确切的尺寸范围应视所研究的物性和所处的温度而定。在20世纪50年代初期,对于直径为微米量级的圆柱薄膜和小线圈的电导研究,观察到一系列反映电子波相干性的引人注目的新效应,从而建立了介观系统物理学。二十世纪八十年代以来,介观系统的研究已逐步成为凝聚态物理学的一个新领域。 本论文首先简单地回顾了介观环理论和实验方面的研究进展,介绍了介观系统的特征长度、基本概念以及AB效应和AC效应。然后利用修正的SSH模型研究了中心置有无限长线电荷和磁通Ф的介观聚乙炔环中的几何相位和持续流。发现如果AC通量和AB通量的和为磁通量子单位Ф。的整数倍时,持续流为零。如果AC通量和AB通量之和偏离磁通量子单位Ф时,就会在介观聚乙炔环中产生周期变化的持续流。接着我们利用量子波导理论方法分别研究了外加柱对称电场的单AB环和含有磁性杂质原子的双AB环的量子输运特性。发现电场可以改变自旋极化流的振荡周期和幅度以及杂质散射可引起电子输运的部分退相干。最后我们研究了N个周期连接的AB环结构,其中每个单环的上下臂各含有一个杂质原子。利用散射矩阵方法求出了该结构的透射系数,并分析

关键词： GaAs/AlGaAs   量子阱红外探测器   光学性质   能带结构   椭偏光谱法   CBN  

摘要： GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器（QWIF）的研制,是目前红外材料和器件研究方面的一个热点。量子阱红外探测器的发展历程,实际上就是,通过不断改进量子阱材料阱宽、垒宽以及AlGaAs中Al组分含量等参数,从而改变材料的能带结构,以满足探测需要的过程。 本论文主要对GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的光电性质进行了理论模拟和实验研究,同时还研究了GaAs/AlGaAs量子阱材料的光学性质和新型红外晶体铌酸钙钡单晶的光学性质。主要内容如下: （1）采用K—P模型和量子干涉模型研究了量子阱材料结构参数和器件性能的关系。结果表明随着势垒宽度的增加,材料结构从超晶格逐渐过渡到量子阱;探测器的峰值波长随阱宽和势垒中铝组分的增加而减小。 （2）采用椭圆偏振光谱法对掺铬的半绝缘GaAs衬底和GaAs/AlGaAs量子阱材料的光学性质进行了研究。通过选取不同的模型,计算获得了两种材料的光学参数如折射率,消光系数和介电函数等随入射光子能量的变化关系曲线。从衬底的曲线中,观察到掺铬后GaAs的光学参数与本征GaAs相比没有太大变化,只是折射率和介电常数有所下降。从量子阱材料曲线中,观察到反映量子限制效应的带间跃迁,即对应电子从重空穴态到电子态的跃迁。此外与体材料相比,量子阱材料的折射率和消光系数减小了。 （3）根据量子阱红外探测器探测波长的要求,选择了符合要求的材料的结构参数如AlGaAs/GaAs量子阱的阱宽,垒宽、铝的组分以及阱层的掺杂浓度等并利用分子束外延技术生长了符合设计要求的材料。测量了GaAs/AlGaAs量子阱材料的红外吸收光谱和光电流谱,比较了理论计算和实验测量的器件的峰值响应波长,分析了器件暗电流的形成原因,模拟了器件的暗电流特性,为材料结构的优化设计,改善器件性能奠定了基础。 （4）我们将GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器与目前用的最多的HgCdTe红外探测器的性能进行了比较,分析了两种不同类型探测器的工作原理,限制性因素,给出了两种探测器在制作大面积红外焦平面器件方面的长处和不足。 （5）对室温下铌酸钙钡单晶的光学性质进行了研究。分别用分光光度计和椭

关键词： 第一原理   电荷分布   态密度   偏态密度  

摘要： 类钙钛矿有机-无机分子组装材料是一类具有特殊晶体结构的新型材料。虽然这种材料有机、无机部分存在组分和结构的多种变化,材料在性能上也具有很强的设计性,但是从晶体结构上看,始终是有机层与无机层有规律的交替排列。 本文采用基于第一原理的Dmol3和Castep程序计算这类材料的电子学性能,正是利用了这类材料的结构相对稳定性和性能可设计性相统一的特性,通过建立能够反映这类材料一般性结构的模型来计算其电子学性能,并进行比较、分析,找出其中的规律。 具体来说,全文分为两大部分:第一部分是研究无机部分金属元素的变化对材料性能的影响。在这一部分中第四主族元素Ge、Sn、Pb被用作研究对象,且分别建立了它们相应的分子团簇模型和晶体模型。Dmol3程序被用来计算模型中的电荷分布,Castep程序则被用来计算模型的态密度和偏态密度;第二部分是研究有机部分铵阳离子的变化对材料性能的影响,分别建立了有机组元为丁铵阳离子、戊铵阳离子、已铵阳离子的分子团簇模型,Dmol3程序被用来计算模型中电荷分布。 在第一部分的研究中,通过对电荷分布数据的分析,可以找到有机层与无机层间电荷转移,以及无机层中电荷分布随金属元素的不同而变化的规律。文中还较详细地分析了这些规律背后的原因。在第一部分对模型态密度和偏态密度的分析中,可以得到关于模型禁带宽度、能带结构、成键情况随金属元素不同而变化的规律。 在第二部分的研究中,通过对电荷分布数据的分析,可找到有机层与无机层间、有机层内部包括-NH、-CH上电荷的分布随着有机铵阳离子的不同而变化的规律,从中可以得到关于有机铵阳离子排列的一些推测。 密立根布居分析、分子轨道理论、周期性结构中态密度与能带结构,以及分子轨道的关系在文中被广泛应用。

关键词： 量子尺寸效应   原子层   量子阱态   超导转变温度   超导临界温度  

关键词： 铁磁学   交换磁力矩   磁畴分裂   磁化机理  

摘要： 交换作用是电子之间的一种相互作用形式,它也是磁性材料产生自发磁化的理论基础。对于技术磁化而言,磁畴理论为磁性材料的磁化机理提供了理论依据。磁畴的形成是磁畴理论的重要研究领域,而铁磁体内电子交换作用又是磁畴形成的重要基础之一。因此,通过对交换作用微观本质的研究,可以提高人们对宏观物体所表现出的铁磁性、反铁磁性及亚铁磁性等客观实验事实本源的认识。 本论文首先介绍传统磁性材料的各种宏观表现,综述铁磁性材料所具有的各种物理现象以及经典物理学对这些磁性来源的解释;然后分析“分子场”理论对这些磁性物理现象的处理方法和主要结果。最后提出了磁畴分裂的新概念。 在本论文中,我们分别讨论了铁磁体间量子交换作用的三种典型基础模型,直接交换、间接交换和RKKY交换作用模型。对直接交换作用模型,采用氢分子的海特勒—伦敦法引入交换作用的概念。在此基础上,又对海森堡交换作用模型进行了理论分析。对材料产生铁磁性和反铁磁性的物理根源进行解释。对间接交换作用,着重分析三中心四电子模型,因为它能够很好地解释过渡族金属硫族化合物、氟族化合物以及铁氧体材料亚铁磁序和反铁磁序的来源问题。讨论RKKY交换作用,是为了帮助理解稀土金属的磁结构。这三种模型有助于我们更加深入地理解交换作用的概念。 在现有理论基础之上,本文从铁磁体中磁矩转动的分析出发,通过对交换因子在外磁场作用下变化规律的分析,提出由交换作用引起的交换阻力矩可能是一个含有正负项的多项式,从而得到在某一介观空间δv内影响磁矩转动的合阻力矩LR在外磁场变化过程中有可能是一个含有正负项的多项式。根据这个假设,推论并预告了铁磁体磁化过程中可能出现磁畴分裂现象。为了说明磁畴分裂现象的客观性,本文提供了2套磁畴分裂的显微照片。这些照片说明了磁畴分裂是铁磁体中磁化过程的新机理。这一新概念和新机理的提出将有助于推动铁磁学理论和磁化技术的发展。 本课题研究所得主要成果为:首次对磁畴转动中合阻力矩的多项式进行了分析;预告了一种新的磁化现象;提出磁畴分裂的新概念。给出了磁畴分裂的试验结果,验证了磁畴分裂概念的客观性。

关键词： 奇异   德布罗意波   可控   超导性   量子阱   费米能级   耦合强度   硅衬底   电声   薄膜  

摘要： 我们在硅衬底上制备出厚度在原子尺度上可控、宏观尺度上均匀的铅薄膜。观察到随着厚度一个原子层一个原子层增加时薄膜超导转变温度的振荡现象。我们证明,这种振荡行为是量子尺寸效应的结果。在这种薄膜中,电子德布罗意波的干涉行为类同于光的法布里 玻罗干涉,会导致量子阱态的形成。量子阱态的形成改变了费米能级附近的电子态密度和电声子耦合强度,从而最后导致了超导转变温度的变化。研究结果表明:通过精确控制这种厚度敏感的量子尺寸效应,可以调制材料的物理和化学性质。

关键词： 硝基   爆速   高能量密度材料   氮杂环   爆压   分子设计   分子几何构型   量子化学计算   基数   量子化学方法  

摘要： 基于量子化学方法全优化分子几何构型，求得分子平均摩尔体积(V^-)和化合物的理论密度(ρ)以及生成热(△Hf)，进而可按Kamlet方程估算炸药的爆速(D)和爆压(p)。以氮杂环和有机笼状化合物为例，证实了该理论方法的可靠性。发现随环增大和羰基的引入，氮杂环类的ρ、D和p值增加。对于系列多硝基金刚烷，含相等硝基数(n)的同分异构体的ρ、D和P值相差不大；随硝基数n的增加，其ρ、D和p明显增大；当n≥7时，可能成为高能量密度化合物。