《磁场下量子环中两电子和激子的能态及光学性质研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁场下量子环中两电子和激子的能态及光学性质研究（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、河北师范大学 硕士学位论文 磁场下量子环中两电子和激子的能态及光学性质研究 姓名：朱会彩 申请学位级别：硕士 专业：凝聚态物理 指导教师：孔小均 20100401 III 摘 要 近年来，在低维半导体结构中，量子环以其独特的物理特性和广阔的应用前景备受 关注，在理论和实验上人们进行了广泛的研究。 目前，在研究量子环的诸多理论模型中，偏心抛物势模型（ECPP）是应用比较普 遍的一种模型，但是 E C P P模型在描述量子环的内外半径对环内电子态的影响和中心势 垒高度等参数的调节方面存在困难。后来人们又提出了“精细环状”势模型，而它的可 调参数太多，不便于对量子环理论研究的进行。因此本文采用了邢永
2、丽等人提出的有限 深偏心抛物势模型（FECPP），此模型不仅避免了上述两种模型出现的困难，而且能合 理的体现出量子环约束势的环形结构。本文在此模型下利用对角化方法计算了磁场下 InGaAs量子环中两电子体系和激子的能态以及光学性质。 首先，研究了磁场下量子环中两电子体系的电子态和 FIR 吸收谱。随着磁场的变 化体系电子态的基态出现了自旋单态和自旋三重态之间的振荡现象，而且体系的FIR吸 收谱共振峰能量与实验值吻合的较好。因此该模型能较好的描述量子环中两电子体系电 子态和FIR吸收谱的物理特性。 其次，还研究了磁场下量子环中激子的束缚能和PL谱。FECPP 模型下计算所得 的激子的发光峰能量随
3、磁场的变化趋势和实验测得的结果是一致的，并且在高磁场 高能区域，比 ECPP 模型计算的结果更接近实验值，还得到了利用 ECPP 模型并没有 得到的与标记的实验点相应的能级归属，并与实验值吻合的很好。这说明该模型也适 用于对量子环中激子的束缚能和PL谱等物理性质的研究。 与 ECPP 模型相比，FECPP 模型既能够给出合理的势阱宽度和足够高的中心势垒 高度并体现出量子环约束势的环形结构，又能很好的反映出量子环成分的实际变化情 况。而且我们所采用的模型更适用于高磁场、高能级情况下相关问题的研究。 关键词： 量子环 电子 FIR 谱 激子 PL 谱 IV Abstract In recent y
4、ears, quantum rings of the low- dimensional semiconductor system have attracted much attention because of their unique physical property and wide prospect of application. Accordingly, much work (experimental and theoretical) has also been done in this field. Among many theoretical models, the eccent
5、ric circular parabolic potential (ECPP) model is widely adopted for the study of quantum rings. However, ECPP model has difficulty in describing the effect of quantum ring s inner and outer radius on electronic states in a quantum ring and adjusting the parameter of center- potential- barrier height
6、 of the quantum ring. Afterward, the fine circular potential model is put forward, but carrying through theoretical analysis of quantum rings under this model is inconvenient because it has too many parameters. Thus we adopt the finite eccentric circular parabolic potential (FECPP) model put forward
7、 by Yong- Li Xing et al. This model not only can avoid difficulties in applying the two models above but also can reasonably describe the ringlike confinement potential of the quantum ring. Under this model, using the exact diagonalization method, we study energy states and optical properties of two
8、 electrons and excitons in aInGaAsquantum ring in a magnetic field. Firstly, we research electronic states and FIR spectroscopy of two electrons in quantum rings in a magnetic field. With the increase of magnetic field the ground state presents oscillation between the singlet and triplet state. And
9、FIR absorption resonance energies have a fair agreement with experimental results. Consequently, this model is suitable to describe the physical property of electronic states and FIR spectroscopy of two electrons in quantum rings. Secondly, we also research binding energies and PL spectroscopy of ex
10、citons in quantum rings in a magnetic field. According to the FECPP model we calculate emission peak energies of excitons as a function of magnetic field, and the results agree with experimental ones. Moreover, in a high magnetic field and a high- energy level our results are much closer to experime
11、ntal ones than under the FECPP model. Besides, we obtain ascription of the energy levels corresponding to experimental results signed by “ cross” modes that was not obtained V under ECPP model. It demonstrates that the FECPP model is also suitable to describe the physical property of binding energie
12、s and PL spectroscopy of excitons in quantum rings. Compared with the ECPP model, the FECPP model not only can give an appropriate width and center- potential- barrier height of potential and can describe the ringlike confinement potential of the quantum ring reasonably but also can describe the pra
13、ctical fabrication course of a quantum ring. Furthermore, this model is more suitable for researching the problems with a high magnetic field and a high- energy level. Key Words: quantum ring electron far- infrared spectroscopy excitons photoluminescence spectroscopy II 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文磁场下量子环中两电
14、子和激子的能态及光学性质研究 ， 是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者（签名） ： 指导教师（签名） ： 年 月 日 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文
15、。 （保密的学位论文在 年解密后适用本授权书） 论文作者（签名） ： 指导教师（签名） ： 年 月 日 年 月 日 1 第一章 绪 论 1.1 量子环 近年来， 低维半导体材料和纳米电子器件成为目前半导体科学研究中最前沿和最具 有生命力的研究领域之一。 由于低维半导体材料中电子的运动受到限制从而使材料中电 子态密度的分布发生了很大的变化，这使低维半导体材料具有了其他材料没有的、内涵 更为丰富的物理效应，例如库伦阻塞效应等1- 13。这些新效应为新型量子器件的研制和 进一步发展奠定了基础。目前，许多具有优异性能的纳米电子器件已经被研发出来并运 用到实际当中14- 27。 随着纳米电子器件不断被研
16、发出来， 纳米电子器件的尺寸逐渐减小， 低维半导体材料也被推入到了一个越来越广泛的研究阶段。目前，量子环就是备受关注 的低维半导体结构28- 41之一。 量子环（Quantum ring）是一种三个维度都受到限制的纳米结构，它的态密度函数也 明显与量子线和量子阱不同，因而量子环具有许多独特的效应如 AB 效应等等42- 46。量 子环所具有的这些独特的特性使其成为演绎量子现象首选的低维纳米结构49。 量子环这 一新型纳米结构的出现和成功制备，不仅大力推进了相关理论研究的进展，而且为新型 纳米电子器件提供了新的发展平台。 1 . 1 . 1 量子环的实验制备介绍 1997年，J.M.Garcia等人采用分子束外延技术第一次成功制备出了自相似环形量子 点50。 目前，量子环的实验制备方法主要有两种方法，一个是较为复杂的光刻技术51- 53。 光刻技术在制备过程中工艺比较复杂，成本很高，且引入了缺陷。另外一个方法是自组 织方法制备技术54- 55，与光刻技术方法相比，自组织方法比较简单，很大地降低了量子 环中的缺陷，而且可
