1、 郑 州 轻 工 业 学 院研 究 生 课 程 考 试考 生 姓 名 考 生 学 号 系、 年级 科 目 类 别 考 试 科 目 考 试 日 期 河北科技师范学院学士学位论文文献综述 2 文 献 综 述一、低维量子结构的应用及其前景随着分子束外延(MBE)、新型人工材料、金属有机化合物气相沉积(MOCVD)等技术的发展人们已能制造出各种人工纳米结构，如量子点、量子线、量子棒、量子阱等量子结构。所谓低维量子结构指把粒子限制在有限的空间内，产生一些量子力学效应。拿电子举例，限制z轴电子的运动（即将电子限制在厚度和电子德布罗意波长相似的尺度内） ，则电子在Z轴方向的能级就分立了，就形成二维的量子阱；
2、限制两个轴，则在Z、X两个方向的能级分立，成了量子线；三维全限制了，则电子完全呈现类原子的能级分立结构，就是量子点，这些都属于低维量子结构。在这些微结构中已实现了用单个电子运动控制开闭状态的半导体器件, 通过巧妙的排列还可能制作微小的功能强大的计算机中央处理器。 其中量子点组成的点阵具有相干集体效应, 新的声子模式和光电性质以及不可估量的潜在应用前景, 因而量子点系统像半导体超晶格、半导体量子线一半导体物理、材料物理科学、微电子学和光电子领域得到广泛研究，有可能成为未来纳米级别上的双稳态器件、超微激光器的首选结构。下面就这些低维量子结构在各方面的应用及其前景作一简单介绍。1量子点在生命科学、半
3、导体器件的应用及前景很多现代发光材料和器件都由半导体量子结构所构成，材料形成的量子点尺寸都与过去常用的染料分子的尺寸接近，因而象荧光染料一样对生物医学研究有很大用途。量子点与传统的染料分子相比具有多种优势，量子点特殊的光学性质使得它在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中有极大的应用前景。 QD 最有前途的应用领域是在生物体系中作为荧光探针，与传统的荧光探针相比，纳米晶体的激光光谱宽，且连续分布，而发射光谱呈对称分布且宽度窄，颜色可调，并且光化学稳定性高，不易分解。如果能解决不同材料的量子点偶联问题，就可以用量子点代替很多荧光染料分子，从而
4、在细胞器定位、信号转导、原位杂交、胞内组分的运动和迁移等研究中发挥巨大作用。 QD有可能成为筛选药物的有利工具。将不同颜色的量子点与药物的不同靶分子结合，可一次性检测药物的作用靶分子。假如一种药物上只展示出兰色、浅绿色、绿色等药效所需作用的靶分子，同时不显示出橙色、黄色、红色这些代表副作用的靶分子，则说明已成功找到一种有效的药物。 QD还可应用与医学成像。由于可见光最多只能穿透毫米级厚度的组织，而红外光则可穿透厘米级厚度的组织，因此可将某些在红外区发光的量子点标记到组织或细胞内的特异组分上，并用红外光激发，就可以通过成像检测的方法来研究组织内部的情况，达到诊断的目的。 QD还可应用于溶液矩阵(
5、solution array)，即将不同的量子点或量子点微粒标记在每一种生物分子上，并置于溶液中,形成所谓溶液矩阵。生物分子在溶液状态下易于保持生物分子的正常三维构象，从而具有正常的生物功能,这是其优于平面芯片之处。量子点中低的态密度和能级的尖锐化，导致了量子点结构对其中的载流子产生三维量子限制效应，从而使其电学性能和光学性能发生变化，而且量子点在正入射情况下能发生明显的带内跃迁。这些性质使得半导体量子点在单电子器件、存贮器以及各种光电器件等方面具有极为广阔的应用前景。 河北科技师范学院学士学位论文文献综述 3 采用应变自组装方法直接生长量子点材料，可将量子点的横向尺寸缩小到几十纳米之内，接近
6、纵向尺寸，并可获得无损伤、无位借的量子点，现已成为量子点材料制备的重要手段之一；其不足之处是量子点的均匀性不易控制。 以量子点结构为有源区的量子点激光器理论上具有更低的阈值电流密度、更高的光增益、更高的特征温度和更宽的调制带宽等优点，将使半导体激光器的性能有一个大的飞跃，对未来半导体激光器市场的发展方向影响巨大。除了采用量子点材料研制边发射、面发射激光器外，在其他的光电子器件上量子点也得到了广泛的应用。2量子阱在半导体器件的应用及前景量子阱材料特别是应变量子阱的引入给半导体激光器的发展注入了新的活力，各波段低阈值大功率的 CW 半导体激光器相继研制成功，从而推动了相关应用领域的进一步发展。半导
7、体激光器由于具有体积小，价格低，可以直接调制等优点，已成为光纤通信系统重要组成部分，大容量光纤通信的发展对半导体激光器提出了更高的要求，而量子阱（特别是应变量子阱）半导体激光器具有好的动态特性，低的阈值电流，再引入光栅进行分布反馈，成为目前高速通信中最为理想的激光源。半导体光放大器（SLA）无论是在光通信还是在光信息处理技术中都是非常重要的器件，其发展曾经一度受到 EDFA 的挑战，但应变量子阱材料的出现使 SLA 具有宽且平的增益谱，易集成，低损耗，体积小，价格便宜等优点，使其重新具有了竞争力。量子阱特别是应变量子阱材料极大的提高了半导体激光器的性能，拓宽了半导体激光器的应用范围，相信今后随
8、着新技术新材料的不断发展，量子阱激光器及正在研究的量子线和量子点激光器将会推动相关应用领域的进一步发展，在社会和科技的进步中起到更加重要的作用。3量子线和量子箱激光器采用量子线或量子阱结构作为激光器的有源层，有可能实现比量子阱激光器更为优越的性能。在这种多维量子化结构中，电子运动的自由度可能减少到1或0。态密度分布尖锐化，能量分布更为集中，特别是在量子箱中，电子能量完全离散化，呈现被原子捕获的电子相同的状态。态密度的尖锐化，会使增益谱变窄，注入载流子对增益的贡献增大，而且由于体积效应，使实现反转分布所需的载流子数目显著减少，故能大幅度改善激光器的阈值。 对于光通信应用来说，激光器的调制带宽和谱
9、线宽度等动态特性也是很重要的。由于多维量子化结构对电子的限定作用，也会使之得到改善。实现量子线和量子箱激光器的关键之一，在于精确控制量子结构的尺寸，其偏差对激光器的特性有重大影响，随着尺寸的减少，这个因素也变得越来越重要。尺寸偏差与增益分布的非均匀展宽是等效的，这将降低微分增益。二、低维量子结构的研究现状由于量子点具有新颖的物理特性及其潜在的应用前景而越来越受到人们的重视。在过去的十几年里，人们对不同物理环境中的低维半导体结构的量子尺寸效应从理论 1-3和实验 4-7上进行了广泛的研究。随着半导体生长技术的发展，人们已能够制造出各种各样的量子点，由于量子点具有许多的新的光电性质和输运特性及其广
10、泛的应用前景，已成为量子功能器件研究领域中的一个热点。量子点中束缚磁极化子的声子平均数的性质的研究已经引起国内外许多学者的极大兴趣，人们采用各种方法从理河北科技师范学院学士学位论文文献综述 4 论和实验形的不同角度研究了量子点中磁极化子的性质。薛惠杰等 8-9采用变分法、幺正变换和拉格朗日乘子法,研究了有限温度下纯二维晶体中表面磁极化子的性质。李亚利等 10采用线性组合算符和改进的线性组合算符法导出了二维极性晶体中强弱耦合极化子光学声子平均数,并讨论了光学声子平均数与温度的关系。于毅夫、尹辑文等 11采用线性组合算符和幺正变换方法研究强弱耦合情形下,库仑场中束缚光学极化子的基态能量、振动频率和
11、平均声子数与温度的关系。宝日玛等 12采用 Larsen 方法研究了半导体量子点中磁极化子基态能量的温度效应。张鹏等 13采用 Huybrechts 线性组合算符法、幺正变换法和变分法,得到了晶体中电子- 体纵光学(LO) 声子相互作用系统的有效哈密顿量、振动频率和基态能量,并对磁场的两种极限情况进行了讨论。丁朝华等 14采用 Tokuda 改进的线性组合算符法和有效质量下的变分法,研究在抛物势作用下,同时考虑电子与LO 声子相互作用时,温度对量子线中强耦合极化子特性的影响。丁朝华、赵翠兰等 15采用改进的线性组合算符法、Lagrange 乘子和变分法,在考虑电子与 LO 声子相互作用情况下,
12、分别研究了抛物量子线中强耦合和弱耦合两种情况下极化子的有效质量和光学声子平均数的温度依赖性。王立国等 16采用线组合算符和么正变换研究了磁场对半导体量子点中强耦合磁极化子基态的影响。陈英杰等 17采用线性组合算符和么正变换方法计算了强弱耦合情形束缚光学极化子的基态和第一激发态能量。于毅夫、尹辑文等 18采用改进的线性组合算符方法研究了束缚磁极化子的振动频率和有效质量的温度依赖性。丁朝华、肖景林等 19采用线性组合算符和幺正变换方法研究了抛物形量子点中弱耦合极化子的基态能量和束缚能。陈时华等 20采用 Pekar 类型的变分方法研究了抛物量子点中强耦合磁极化子的基态和激发态的性质。额尔敦朝鲁等
13、21采用线性组合算符和改进的 LLP 变分法研究了磁场中无限势垒量子阱内电子与界面光学声子强耦合、与体纵光学声子弱耦合系统的基态。陈英杰、肖景林 22采用组合算符线性和幺正变换方法研究了抛物量子点中弱耦合束缚磁极化子的振动频率和基态能量。乌云其木格等 23采用线性组合算符和么正变换方法研究了抛物量子点中强耦合极化子基态的束缚能和电子周围的光学声子平均数。肖景林 24采用线性组合算符和么正变换方法研究了抛物量子点中强耦合极化子基态的束缚能和电子周围的光学声子平均数。从现状可知，近年来人们对量子点中束缚磁极化子的声子平均数的性质的研究工作在量子阱、量子点领域已经做了很多，但迄今为止，磁场对量子棒中
14、强耦合磁极化子的回旋共振频率和声子平均数的研究却未受到人们的广泛关注。本文将研究量子棒中强耦合磁极化子的回旋共振频率和平均声子数的磁场特性，为探索和设计新颖的纳米量子结构，发掘其潜在的应用价值，为器件的设计提供理论模型和物理根据。三、本文的主要工作由于半导体量棒系统新奇的物理化学特性，将对新一代量子功能器件的制造和量子信息学的发展具有深刻的影响，使其在半低维物理的研究中具有重要的基础理论意义和潜在的、巨大的应用价值，并已成为当前凝聚态物理学中一个十分活跃的研究热点。本文将在有效质量近似下，采用 Huybrechts的线性组合算符法和 LLP 变分法，研究磁场对量子棒中强耦合极化子的回旋频率和平
15、均声子数的影响。为探索和设计新颖的量子结构，发掘其潜在的应用价值，为器件的设计提供理论模型和物理根据。河北科技师范学院学士学位论文文献综述 5 参 考 文 献1 J.L.Marin, R.Rosas, A.Uribe, Am.J.phys.1995, 63:460.2 K.R.Brownstein, Phys.Rec. Lett, 1993,71:1427.3 F.A.P.Osorio,M.H.Degani, O.HIpolito.Phys. Rev.B, 1988, 37:1402. 4 P.Ramvall,S.Tanaka,S.Nomnra,P.Riblet,Y.Aoyagi, Appl.
16、phys.Lett,1998,73:1104.J.5 J.A.Yater, K.Kash,W.K.Chan,T.S.Ravi,T.J.Gmitter,L.T.Florez,J.P.Harbison. Appl.phys.Lett,1998,65:460.6 M.Kohl,D.Heitmann, P.Grambow, K.Ploog. Phys.Rev.Lett,1989,63:2164.7W.Hansen,T.P.SmithIII,K.Y.Lee,J.A.Brum,C.M.Knoedler,J.M.Hong,D.P.Kern.Phys.Rev.Lett,1989,62:2168.8薛惠杰,刘伟
17、华,肖景林.有限温度下表面磁极化子的光学声子平均数 J.内蒙古民族大学学报(自然科学版),2004,(01).9薛惠杰,刘伟华,肖景林.表面极化子光学声子平均数的磁场和温度依赖性 J.发光学报,2004,(01).10李亚利,陈 时华,肖景林.表面极化子光学声子平均数的温度效应J. 内蒙古民族大学学报(自然科学版),2004,(01).11于毅夫,尹辑文,肖景林.库仑场中束缚光学极化子的温度效应J.发光学报,2004,(02).12宝日玛,王秀清,肖景林.半导体量子点中磁极化子基态能修正的温度效应J. 内蒙古民族大学学报（自然科学版）,2004,(05).13张鹏,贾金萍.磁场中光学极化子的性
18、质研究J. 石油大学学报（自然科 学版） ，2005,(02).14丁朝华,许杰,赵翠兰,肖景林.量子线中强耦合极化子的温度效应J. 发光学报,2008,(02).15丁朝华,赵翠兰,肖景林.抛物量子线中极化子的温度依赖性J.半导体学报,2006,(21).16王立国,肖景林,李树深.半导体量子 点中强 耦合磁极化子的性质J.半导体报,2004,25(8 ):937.17陈英杰,肖景林.库仑场中的束缚光学极化子J.内蒙古民族大学学报(自然科学版), 2003,(03).18于毅夫,尹辑文,陈时华,肖景林.磁场和温度对束缚磁极化子有效质量的影响J.发光学报,2004,(05). 19王立国,丁朝华,肖景林.抛物形量子点中弱耦合极化子的性质J.发光学报,2004,(06). 20陈时华,肖景林.抛物量子点中强耦合磁极化子的性质J.发光学报,2004,(04). 21陈英杰,肖景林.抛物量子点中弱耦合束缚磁极化子的性质 J.固体电子学研究与进展,2006,(02). 22额尔敦朝鲁,乌云其木格,徐秋,白旭芳.磁场中准二维强耦合磁极化子的性质J.半导体报,2006,(05). 23乌云其木格,肖景林.量子点中极化 子的内部激发态性质J.发光学报,2007,28 (1):28.24肖景林,王立国. 量子点中强耦合极化子的性质J.光电子激光,2003,14(8):886 -888.
