發(fā)布時(shí)間：2020-08-29 12:01

　　 量子點(diǎn)是一種重要的零維半導(dǎo)體材料,在三個(gè)空間維度上都受到強(qiáng)烈的限制,形成離散的能級(jí),類似于自然界中的原子或分子,展現(xiàn)出許多不同于宏觀體材料的物理性質(zhì),在非線性光學(xué)、醫(yī)藥、功能材料、自旋電子學(xué)及量子信息領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景,近年來得到人們的廣泛關(guān)注和研究。本文從拓?fù)溥吘墤B(tài)和輸運(yùn)性質(zhì)兩個(gè)方面對(duì)半導(dǎo)體量子點(diǎn)的物理性質(zhì)進(jìn)行理論研究:(1)拓?fù)浣^緣體是一種新穎的物質(zhì)狀態(tài),它在體材料內(nèi)部為具有非平庸拓?fù)湫再|(zhì)的絕緣體,而在表面上存在無能隙的表面態(tài),近年來受到人們的廣泛關(guān)注。這些新奇的拓?fù)溥吘墤B(tài)的存在受到非平庸拓?fù)浼皶r(shí)間反演對(duì)稱性的保護(hù),不會(huì)被保持時(shí)間反演對(duì)稱性的擾動(dòng)破壞(只要帶隙不關(guān)閉),并具有各種潛在應(yīng)用。這些應(yīng)用都依賴于拓?fù)浣^緣態(tài)對(duì)外部擾動(dòng)不敏感這一重要性質(zhì),但近年來關(guān)于這一點(diǎn)的定量研究非常少。本論文定量研究了半導(dǎo)體量子點(diǎn)中最常見的擾動(dòng)-電場(chǎng)-對(duì)拓?fù)浣^緣態(tài)的影響,定量證明拓?fù)浣^緣體邊緣態(tài)比傳統(tǒng)量子點(diǎn)中的量子受限態(tài)更不容易受到外電場(chǎng)擾動(dòng)的影響,從而建立了拓?fù)浣^緣體量子點(diǎn)相比其它量子點(diǎn)在應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)。我們還進(jìn)一步研究了由磁摻雜驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浣^緣體量子點(diǎn)向量子反常霍爾絕緣體量子點(diǎn)的轉(zhuǎn)變,發(fā)現(xiàn)拓?fù)湎嗍峭蛔兊?但體態(tài)向邊緣態(tài)的轉(zhuǎn)變是緩變的。在相變點(diǎn)附近,邊緣態(tài)的局域化很差,遠(yuǎn)離相變點(diǎn)(增大反常帶隙)可以使邊緣態(tài)更加局域化,更好地抑制背散射,從而有利于邊緣態(tài)的各類應(yīng)用。(2)量子點(diǎn)獨(dú)特的輸運(yùn)性質(zhì)是量子點(diǎn)的許多應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。通過量子點(diǎn)的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)電子輸運(yùn),即量子點(diǎn)shuttle,是量子點(diǎn)輸運(yùn)研究的重要方向之一,近年受到廣泛關(guān)注。然而量子點(diǎn)shuttle中相互作用電子的局域化還沒有被系統(tǒng)研究過,特別是有相互作用的電子局域化的解析條件還不清楚。我們推導(dǎo)了三量子點(diǎn)和量子點(diǎn)shuttle中兩電子局域化的解析條件,發(fā)現(xiàn)庫侖相互作用會(huì)增加動(dòng)力學(xué)局域化,而量子點(diǎn)shuttle的機(jī)械振動(dòng)會(huì)顯著影響局域化。該結(jié)論可以用于納機(jī)電系統(tǒng)中控制電子的輸運(yùn)和動(dòng)力學(xué)。本論文的相關(guān)研究涉及半導(dǎo)體的能帶、半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的電子態(tài)的概念,因此本論文首先簡(jiǎn)要介紹緊束縛模型(它能形像地給出能帶的形成)和有效質(zhì)量理論(描述半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)電子態(tài)的常用工具)這兩個(gè)重要工具,接著介紹拓?fù)浣^緣體及半導(dǎo)體量子點(diǎn)的基本概念,以及我們對(duì)拓?fù)浣^緣體量子點(diǎn)中的拓?fù)溥吘墤B(tài)對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)的研究,然后介紹交流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下三量子點(diǎn)和量子點(diǎn)shuttle的動(dòng)力學(xué)局域化的研究,最后是總結(jié)和展望。本文共分五章,具體內(nèi)容如下:第一章為引言,簡(jiǎn)述了能帶理論和拓?fù)浣^緣體的研究背景及其進(jìn)展。第二章是拓?fù)浣^緣體邊緣態(tài)對(duì)全局電場(chǎng)的響應(yīng)及其魯棒性。邊緣態(tài)的存在是拓?fù)浣^緣體的非平庸拓?fù)涞闹匾憩F(xiàn)形式,也是拓?fù)浣^緣體應(yīng)用的重要方面。我們首次定量研究了HgTe量子點(diǎn)的拓?fù)溥吘墤B(tài)對(duì)外加面內(nèi)電場(chǎng)的定量響應(yīng),量化了拓?fù)溥吘墤B(tài)對(duì)全局電場(chǎng)的魯棒性,并通過數(shù)值計(jì)算證明拓?fù)溥吘墤B(tài)比傳統(tǒng)的體態(tài)更加具有魯棒性。第三章主要是研究反常量子霍爾絕緣體的量子點(diǎn)中的電子態(tài)。第四章利用Floquet理論研究了交流場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下三量子點(diǎn)和量子點(diǎn)shuttle的動(dòng)力學(xué)局域化,其中三量子點(diǎn)中兩電子的局域化會(huì)受到庫侖相互作用的影響,庫侖相互作用的引進(jìn)會(huì)增加動(dòng)力學(xué)局域化,以及量子點(diǎn)shuttle的局域化受機(jī)械振動(dòng)的影響,并推導(dǎo)出了解析條件。第五章是對(duì)前面工作的總結(jié)以及之后工作的展望。
【學(xué)位單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O471.1
【部分圖文】：

＇邐圖１．５：每個(gè)原胞有一個(gè)原子的軌道示意圖逡逑１．２．０．３理想晶體的有效質(zhì)量近似逡逑晶體哈密頓量l#＝滬／（２ｍ0；）邋＋邋＼／（ｒ），其中ｍ0邋＝邋０．９１邋ｘ邋１０＿３Ｇｋｇ是自由電子逡逑質(zhì)量。晶格勢(shì)遵循Ｖ＞邋＋邋Ｒ）邋＝邋Ｖ（ｒ），其中Ｒ是任意布拉伐格矢。片。的本征能和逡逑本征態(tài)是五？（ｋ）和辦＾（ｒ）邋（Ｂｌｏｃｈ態(tài)）。其中ｋ取第一布里淵區(qū)，有多少個(gè)原胞就逡逑取多少個(gè)值ＴＶ，邋ｎ是標(biāo)記一個(gè)原胞里有多少個(gè)態(tài)，是軌道的指標(biāo)，有幾個(gè)軌道逡逑就是幾，有自旋則包含自旋（Ｘ２）。這里ｋ＝；＾．ｇ，ｇ為整數(shù)，從－ｆ到ｆ。若為逡逑一維，則蘭），若為二維，則逡逑比如，如果我們有ｉｖ個(gè)原胞，每個(gè)原胞內(nèi)只有一個(gè)原子，每個(gè)原子有ｉｗ■個(gè)軌逡逑道，則有ｉＶ．Ｍ個(gè)量子態(tài)。又如，如果我們有ｉＶ個(gè)原胞，每個(gè)原胞有八５兩個(gè)原逡逑子，其中Ａ原子有Ｍ＿４個(gè)軌道，５原子有Ｍｓ個(gè)軌道，則總共有ｉＶ邋？丨Ｍ＿４邋＋個(gè)逡逑量子態(tài)。通過Ｂｌｏｃｈ定理，我們有分？ｋ（ｒ邋＋邋Ｒ）邋＝邋ｅｌｋ＇Ｒ？／）？ｋ（ｒ），所以Ｕｒ）可以寫逡逑＝ｌｋＴ＝

邐＾ＸＮ逡逑＇邐圖１．５：每個(gè)原胞有一個(gè)原子的軌道示意圖逡逑１．２．０．３理想晶體的有效質(zhì)量近似逡逑晶體哈密頓量l#＝滬／（２ｍ0；）邋＋邋＼／（ｒ），其中ｍ0邋＝邋０．９１邋ｘ邋１０＿３Ｇｋｇ是自由電子逡逑質(zhì)量。晶格勢(shì)遵循Ｖ＞邋＋邋Ｒ）邋＝邋Ｖ（ｒ），其中Ｒ是任意布拉伐格矢。片。的本征能和逡逑本征態(tài)是五？（ｋ）和辦＾（ｒ）邋（Ｂｌｏｃｈ態(tài)）。其中ｋ取第一布里淵區(qū)，有多少個(gè)原胞就逡逑取多少個(gè)值ＴＶ，邋ｎ是標(biāo)記一個(gè)原胞里有多少個(gè)態(tài)，是軌道的指標(biāo)，有幾個(gè)軌道逡逑就是幾，有自旋則包含自旋（Ｘ２）。這里ｋ＝；＾．ｇ，ｇ為整數(shù)，從－ｆ到ｆ。若為逡逑一維，則蘭），若為二維，則逡逑比如，如果我們有ｉｖ個(gè)原胞，每個(gè)原胞內(nèi)只有一個(gè)原子，每個(gè)原子有ｉｗ■個(gè)軌逡逑道

圖１．７：制備量子點(diǎn)方法：（ａ）電場(chǎng)約束法；（ｂ）自組織生長(zhǎng)法；（ｃ）化學(xué)溶液生長(zhǎng)逡逑法。逡逑（１）量子尺寸效應(yīng)，即量子點(diǎn)的尺寸很小時(shí)，電子能級(jí)會(huì)變成離散能級(jí)。量逡逑子點(diǎn)中的電子會(huì)在這些量子化能級(jí)上占據(jù)。（２）庫侖阻塞效應(yīng)量子點(diǎn)的電容（７很逡逑小，因此在量子點(diǎn)中增加一個(gè)電子，電荷能埯＝邋ｅ２／Ｃ會(huì)比該電子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)逡逑能大。這樣一個(gè)大的電荷能會(huì)阻止電子的增加甚至移走一個(gè)電子，這就是庫侖逡逑阻塞效應(yīng)。（３）近藤效應(yīng)摻雜磁性雜質(zhì)的金屬在溫度足夠低時(shí)，沒有配對(duì)的局域逡逑化電子跟在費(fèi)米能附近的巡游電子產(chǎn)生相互作用，形成了一個(gè)自旋單態(tài)，電阻逡逑率則有了一個(gè)極小值。發(fā)生近藤效應(yīng)的溫度稱之為近藤溫度。而在量子點(diǎn)中，逡逑當(dāng)量子點(diǎn)的電子數(shù)ＴＶ是奇數(shù)，量子點(diǎn)會(huì)有局域磁矩。當(dāng)溫度降低直到接近近藤逡逑溫度，量子點(diǎn)中未配對(duì)的電子跟電極中的電子態(tài)發(fā)生雜化，導(dǎo)致定域態(tài)密度會(huì)逡逑在￡邋＝邐處出現(xiàn)尖峰［２４，邋２５，邋５８］。逡逑１．４拓?fù)浣^緣體逡逑

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