什么是激子束缚能

什么是激子束缚能,第1张

激子是固体中的一种基本的元激发,是由库仑互作用互相束缚着的电子-空穴对。半导体吸收一个光子之后,电子由价带跃迁至导带,但是电子由于库仑作用仍然和价带中的空穴联系在一起。激子对描述半导体的光学特性有重要意义;Free Exciton自由激子束缚在杂质上--施主,受主,深能级杂质形成束缚激子(Tight Bond Exciton)。激子束缚能大,说明自由激子容易和杂志结合形成发光中心。激子效应对半导体中的光吸收、发光、激射和光学非线性作用等物理过程具有重要影响,并在半导体光电子器件的研究和开发中得到了重要的应用。与半导体体材料相比,在量子化的低维电子结构中,激子的束缚能要大得多,激子效应增强,而且在较高温度或在电场作用下更稳定。在半导体吸收光谱中,本征的带间吸收过程是指半导体吸收一个光子后,在导带和价带同时产生一对自由的电子和空穴.但实际上除了在吸收带边以上产生连续谱吸收区以外,还可以观测到存在着分立的吸收谱线,这些谱线是由激子吸收引起的,其能谱结构与氢原子的吸收谱线非常类似.激子谱线的产生是由于当固体吸收光子时,电子虽已从价带激发到导带,但仍因库仑作用而和价带中留下的空穴联系在一起,形成了激子态. 自由激子作为一个整体可以在半导体中运动.这种因静电库仑作用而束缚在一起的电子空穴对是一种电中性的、非导电性的电子激发态.与氢原子一样,激子也具有相应的基态和激发态,但其能量状态与固体中的介电效应和电子空穴的有效质量有关.实际上,固体中的激子态可用类氢模型加以描述,并按此模型很好地估算出激子在带边下方分立能级的能态和电离能。总的来说,宽禁带的半导体材料,激子束缚能较大,而激子玻尔半径则比较小.而禁带较窄的材料,其激子电离能较小,激子玻尔半径则较大。激子效应对半导体中的物理过程和光学性质具有重要的影响.激子的吸收和复合直接影响半导体的光吸收和发光,而且,作为固体中的一种元激发,其状态与母体材料的电子能带性质和外场的作用紧密相关.此外,自由激子在半导体中可以受到杂质或缺陷中心在空间上的束缚,形成所谓的束缚激子。其吸收谱线能量位置略低于自由激子的吸收谱线.激子在电中性缺陷上的束缚过程大致可分为两种,它可以是一个自由激子整体地受到缺陷中心的束缚,也可以是一个电荷(电子或空穴) 首先被缺陷的近程势所束缚,使缺陷中心荷电,然后再通过库仑互作用(远程势)束缚一个电荷相反的空穴或电子,形成束缚激子.束缚激子在半导体发光中有非常重要的地位.在间接带半导体材料中,由于动量选择定则的限制,材料的发光通常是很弱的,但如果存在束缚激子,其波函数在空间上是局域化的,因而发光跃迁的动量选择定则大大放松,无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率.这样,间接带材料的发光效率将大大增强。例如,在间接带Ⅲ-Ⅴ族半导体材料磷化镓(GaP)中,通过掺入Ⅴ族氮原子(或同时掺入能形成施主受主对的锌和氧),发光就可大大增强,其原因就是因为氮在晶格中代替磷位,是一种电中性的替位式等电子杂质.这种杂质中心由于其电负性与主晶格原子不同,原子尺寸不同等原因,在晶格中会产生作用距离较短的近程势,并使激子束缚在其位置附近形成束缚激子.实验上,在掺氮的GaP中已观测到单个氮原子以及成对氮原子所引起的很强的束缚激子发光.现在,这类掺杂方法已成为制造GaP和GaAsP等可见光发光二极管的基本工艺.激子是由库仑作用结合在一起的电子空穴对,其稳定性取决于温度、电场、载流子浓度等因素.当样品温度较高时,激子谱线由于声子散射等原因而变宽.而当 KbT(k是玻尔兹曼常数)值接近或大于激子电离能时,激子会因热激发而发生分解.所以,在许多半导体材料中,只有低温下才能观测到清晰的激子发光,而当温度升高后,激子谱线会展宽,激子发光强度降低,以至发生淬灭.另外,在电场的作用下,电子和空穴分别向相反方向运动,因而当半导体处于电场作用下时,激子效应也将减弱,甚至由于电场离化而失效.而当样品中载流子浓度很大时,由于自由电荷对库仑场的屏蔽作用,激子也可能分解.这些影响激子稳定性的物理因素在光电器件应用中,可以作为对激子效应和相关的光学性质进行可控调制的有效手段.但对发光和激光器件来说,特别是对一些需要在室温下大浓度注入条件工作的器件来说,将产生一些不利的影响,使激子效应的应用受到限制.总的来说,当激子束缚能较大时,激子相对比较稳定.如在宽禁带半导体材料(如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和氮化物)以及下面要更详细讨论的半导体量子阱等低维结构中,激子束缚能一般比较大,即使在室温下,激子束缚能也比KbT大许多,吸收光谱中能看到明显的激子吸收,激子效应不易淬灭,甚至已实现了以激子复合效应为主的激光器件.在一些发光二极管和特殊发光器件的实际应用中,激子发光是一种重要的发光机制,特别是在一些间接带半导体材料和低维结构半导体材料制成的发光二极管中,激子发光跃迁被证明往往起着关键性的作用.例如用氮化物材料可制成篮绿光和紫外光发光二极管.众所周知,氮化物及其合金中一般缺陷浓度是很大的,但发光效率却很高,原因是受到局域化的激子有很高的复合几率,使得载流子在到达非辐射复合中心之前,就通过激子复合对发光作出贡献.人们认为, InGaN/GaN量子阱之所以发光效率很高,与InGaN中存在着组分分凝,甚至形成了量子点,激子发光得到加强有关。

人物经历

1979年,李树深进入河北师范大学物理系学习 。

1983年,本科毕业后留校工作,在河北师范大学物理系任教,先后担任助教(1983年7月-1986年8月)、讲师(1989年5月-1993年8月) 。

1986年,考取西南交通大学固体物理专业硕士研究生。1989年,获得硕士学位。

1994年,考取中国科学院半导体研究所博士研究生。1996年,获得博士学位。曾先后在日本NEC电器株式会社筑波研究所、义大利国际理论物理中心和香港科技大学物理系进行光电子器件相关性能预测研究。

2003年,获得国家杰出青年科学基金资助 。

2006年,担任中国科学院半导体研究所副所长、党委副书记(至2011年) 。同年担任国家创新研究群体"半导体低维结构中的量子调控"学术带头人。

2009年,担任国家重大科学研究计画项目(973项目)首席科学家。入选国家级"新世纪百千万人才工程"。

2011年,当选为中国科学院院士(科学院信息技术科学部) ,11月获得何梁何利基金科学与技术进步奖 ,12月出任中国科学院半导体研究所所长(至2018年4月)、党委书记(2014年6月) 。

2015年11月21日,开发中国家科学院第26届院士大会上,李树深正式成为开发中国家科学院士,任期为2016至2018年 。

2017年12月,中国科学院官网"院领导集体"页面更新显示,中国科学院党组成员李树深同时担任副院长一职 。

2018年5月7日,中国科学院大学领导班子个别调整宣布会议在玉泉路校区礼堂报告厅召开,会议由中科院人事局局长孙晓明主持,会上孙晓明宣读了院党组的决定:李树深同志任中国科学院大学校长(兼,法定代表人)。

主要成就 科研成就 科研综述

李树深主要从事半导体低维量子结构中的器件物理基础研究。提出了研究半导体耦合量子点(环)电子态结构的一种物理模型,理论上确定了半导体量子点可以吸收垂直入射光,发现了半导体量子点电荷量子比特真空消相干机制,发展了电子通过半导体量子点的量子输运数值计算方法 。

承担项目&成果奖励

李树深先后参加和主持国家八五、九五攀登计画、国家重大基础研究计画项目(973项目)及国家自然科学基金委和中国科学院重大、重点项目多项 ,2004年、2009年和2017年三次获国家自然科学二等奖 。

承担项目

时间 项目名称 项目来源 2009-2013 微纳结构中的量子调制和套用探索 国家科技部重大基础研究计画(973)项目 2007-2010 半导体低维结构中量子调控 中国科学院与国家外国专家局创新团队国际合作伙伴计画项目 2006-2014 半导体低维结构中的量子调控 国家自然科学基金委创新群体基金项目

成果奖励

时间 项目名称 奖励名称 来源 2004年 半导体纳米结构物理性质的理论研究 国家自然科学奖二等奖,排名第二 2009年 半导体低维结构光学与输运特性 国家自然科学奖二等奖,排名第一 2017年 新型半导体深能级掺杂机制研究 国家自然科学奖二等奖,排名第四 论文著作

截至2017年,李树深在包括《美国科学院院刊》、《美国物理评论快报》在内的中国国内外重要学术期刊发表论文200余篇 。

代表性论著(10篇)

[1]. Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Effective-mass theory for GaAs/GaAlAs quantum wires and corrugated superlattices grown on (311) oriented substrates. Phys. Rev. B50, 8602 (1994).

[2]. Shu-Shen Li , Jian-Bai Xia, Z. L. Yuan, Z. Y. Xu, Weikun Ge, Y. Wang, J. Wang, and L. L. Chang, Effective-mass theory for InAs/GaAs strained coupled quantum dots. Phys. Rev. B54, 11575 (1996).

[3]. Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Intraband optical absorption in semiconductor coupled quantum dots. Phys. Rev. B55, 15 434 (1997).

[4]. Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Electronic structures of InAs self-assembled quantum dot in an axial magic field. Phys. Rev. B58, 3561 (1998).

[5]. Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Electronic states of InAs/GaAs quantum ring. J. Appl. Phys. 89, 3434 (2001).

[6]. Shu-Shen Li , Gui-Lu Long, Feng-Shan Bai, Song-Lin Feng, and Hou-Zhi Zheng, Quantum puting. Pro. Natl. Acad. Sci. USA, 98(21), 11847 (2001).

[7]. Shu-Shen Li , Kai Chang, Jian-Bai Xia, and Kenji Hirose, Spin-dependent transport through Cd1-xMnxTe diluted magic semiconductor quantum dots, Phys. Rev. B68, 245 306 (2003).

[8]. Shu-Shen Li , Kai Chang, and Jian-Bai Xia, Effective-mass theory for hierarchical self-assembly of GaAs/AlxGa1-xAs quantum dots, Phys. Rev. B71, 155 301 (2005).

[9]. Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Asymmetric quantum-confined Stark effects of hierarchical self-assembly of GaAs / AlxGa1-xAs quantum dots, Appl. Phys. Lett. 87, 043 102 (2005).

[10]. Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Electronic structures of N quantum dot molecule, Appl. Phys. Lett. 91, 092119 (2007).

人才培养

2012年12月22日,中国科学院大学材料科学与光电技术学院第一次院务会上,作为学术委员会主任的李树深针对博士资格考试的议题谈到,国科大的博士生培养应该是精英教育,博士生的质量体现了国科大和中科院的教育水平,应当推行博士生资格考试,这对于树立学校的教育品牌非常重要 。

李树深长期担任中国科学院大学材料科学与光电技术学院院长和首届本科生1412班班主任,在他的带领下,中国科学院大学的材料学科进入ESI排名前万分之一,并入选首批国家一流学科建设名单。他丰富的科教融合工作阅历和经验,对国科大深入推进以人才队伍为核心的"科教融合3.0"、推动学校综合改革,整体提升创新能力起到重要作用 。

截至2016年,李树深一共培养了50多名博士和多名硕士,6名博士后出站。2009年指导的博士生李彦超获得朱李月华优秀博士生奖 。根据中国科学技术信息研究所、国家工程技术数字研究馆信息、全国图书馆参考咨询联盟,李树深培养学生情况如下 :

时间 题目 作者 学位 2016 二维材料光电性质的研究 杨珏晗 博士 2015 纳米系统中非平衡动力学过程的量子力学计算方法研究 王峙 博士 2015 Z--型石墨烯纳米带在Si(001)表面吸附及掺杂的第一性原理研究 李静 博士 2015 固态量子计算体系中自镟退相干的理论研究 马稳龙 博士 2014 高性能计算物理方法的开发及其套用 陈章辉 博士 2014 低维量子系统中输运性质的研究 沈曼 博士后 2013 自洽波恩近似主方程及其在量子点输运中的套用 刘玉 博士 2013 半导体量子点系统中的热电效应 郑军 博士 2013 海森堡自镟链系统中的量子关联 蔡江涛 博士 2013 二维耦合半导体量子点阵列的电子结构计算 彭娟 博士 2013 连续零结果观测下电子通过连续谱在量子点间的转移 平婧 博士 2013 量子自镟霍尔系统中输运性质的研究 安兴涛 博士后 2012 电荷量子比特的量子测量效率及退相干的研究 叶银 博士 2012 量子非局域性关联的研究 文伟 博士 2012 拓扑绝缘体表面量子散射效应的理论研究 付振国 博士 2012 H2O在Be、Zr和CeO2表面吸附的第一性原理研究 王双喜 博士 2012 低维结构中晶格弛豫现象的研究 王子武 博士 2011 透明导电材料CuI 缺陷和掺杂特性研究 王静 博士后 2010 纳米尺度半导体器件的量子力学计算研究 姜向伟 博士 2010 低维氧化锌半导体材料中的激子态 熊稳 博士 2010 半导体磁性掺杂和p-型掺杂的第一性原理研究 时洪亮 博士 2010 光子晶体中量子点的自发辐射及自镟-轨道耦合作用下的光跃迁 朱正勇 博士 2009 基于自镟相互作用的量子逻辑门及隐形传态 周越 博士 2009 二维体系中守恒自镟霍尔电导的研究 刘国才 博士 2009 强磁场中二维半导体材料的磁性研究 方诚 博士 2009 激子自镟-轨道耦合体系的物理和套用 王建伟 博士 2009 低维体系中的量子相变及其研究方法 李彦超 博士 2009 量子信息中的量子相变问题与强磁场中的紧束缚近似模型 袁子刚 博士 2009 固体中的量子纠缠和介观体系的热产生 周利玲 博士 2009 半导体微结构中电子的输运性质 李春雷 博士 2009 半导体材料磁性和光学性质的第一性原理研究 石丽洁 博士后 2008 耦合双量子点中杂质态体系的研究 王雪峰 博士 2008 低维半导体材料中掺杂机制的第一性原理计算 许强 博士 2008 量子点和量子环中的电子结构 王传道 硕士 2008 TiO2纳米材料的电子结构和半导体材料的铁磁性 彭浩为 博士 2008 透明导电氧化物Cu MO2的第一性原理研究 方志杰 博士 2008 AlInGaN四元合金的第一性原理研究 王飞 博士 2008 半导体和铁电材料的第一性原理计算 段益峰 博士 2008 半导体量子点中电子量子特性的研究 刘永辉 博士 2007 低维半导体异质结构中电子隧穿的研究 宫箭 博士后 2007 半金属zb-CrAs和稀磁半导体(Ga,Cr)As薄膜分子束外延生长和磁性质研究 毕京锋 博士 2007 双层半导体体系中激子动力学研究 王莉 博士 2006 自镟链和量子光学模型中量子纠缠的研究 张 *** 博士后 2006 在LOCC条件下直接探测未知量子态纠缠的方案 白彦魁 博士 2006 量子点的含时电子输运 杨谋 博士 2006 半导体纳米结构的电子结构计算 骆军委 博士 2005 双电子量子点的电子结构及其套用的理论研究 孙连亮 博士 2005 磁场中的垂直耦合自组织InAs/GaAs 双量子盘的电子态研究 董庆瑞 博士 2005 量子点中强关联电子的输运性质 迟锋 博士 2005 微波腔量子电动力学系统中量子纠缠的产生 金光生 博士 2005 连续变数量子信息的传输理论和纠缠度量 王亮 博士 2004 可扩展超导量子计算体系中的退相干

艾合买提

.阿不力孜

博士 荣誉表彰 时间 荣誉/表彰 来源 享受国务院 *** 特殊津贴 2011年 中国科学院院士(信息技术科学部) 2011年11月 何梁何利基金科学与技术进步奖 2015年11月 开发中国家科学院士 社会任职 时间 担任职务 来源 2016年07月-2021年07月 中国科学院信息技术学部主任 2015年10月-2019年11月 中国电子学会副理事长 2009年-2013年 黄昆半导体物理科学奖(基金会)秘书长 国家自然科学基金委数理学部第11、12、14届专家评审组成员 第7届国家杰出青年科学基金评审委员会委员 信息学部第5、6届专家咨询委员会委员 科学出版社《半导体科学与技术》专著丛书编委 《半导体学报》常务副主编 《Nanoscale Research Letter》编委 《中国科学G辑:物理学 力学 天文学》中英文刊编委 《物理学进展》编委 《物理》编委 人物评价

李树深从事低维半导体物理及器件、光电子器件性能预测、固态量子信息等物理基础研究,他的研究工作被国际同行广泛引用,其中包括国际著名半导体物理专家的综述性论文,并被写入专著 。(兰州大学评)

量子点独特的性质基于它自身的量子效应,当颗粒尺寸进入纳米量级时,尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应,从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性,展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质,在非线形光学、磁介质、催化、医药及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景,同时将对生命科学和信息技术的持续发展以及物质领域的基础研究发生深刻的影响。 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。从生物体系的发光标记物的差别上讲,量子点由于量子力学的奇妙规则而具有显著的尺寸效应,基本上高于特定域值的光都可吸收,而一个有机染料分子只有在吸收合适能量的光子后才能从基态升到较高的激发态,所用的光必须是精确的波长或颜色,这明显与半导体体相材料不同,而量子点要吸收所有高于其带隙能量的光子,但所发射的光波长(即颜色)又非常具有尺寸依赖性。所以,单一种类的纳米半导体材料就能够按尺寸变化产生一个发光波长不同的、颜色分明的标记物家族,这是染料分子根本无法实现的。

与传统的染料分子相比,量子点确实具有多种优势。无机微晶能够承受多次的激发和光发射,而有机分子却会分解.持久的稳定性可以让研究人员更长时间地观测细胞和组织,并毫无困难地进行界面修饰连接”。量子点最大的好处是有丰富的颜色。生物体系的复杂性经常需要同时观察几种组分,如果用染料分子染色,则需要不同波长的光来激发,而量子点则不存在这个问题,使用不同大小(进而不同色彩)的纳米晶体来标记不同的生物分子。使用单一光源就可以使不同的颗粒能够被即时监控。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。 半导体量子点的生长和性质成为当今研究的热点,目前最常用的制备量子点的方法是自组织生长方式。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。

基于库仑阻塞效应和量子尺寸效应制成的半导体单电子器件由于具有小尺寸,低消耗而日益受到人们的关注。 “半导体量子点材料及量子点激光器”是半导体技术领域中的一个前沿性课题。这项工作获得了突破性进展,于2000年4月19日通过中国科学院科技成果鉴定。半导体低维结构材料是一种人工改性的新型半导体低维材料,基于它的量子尺寸效应、量子隧穿和库仑阻塞以及非线性光学效应等是新一代固态量子器件的基础,在未来的纳米电子学、光电子学和新一代超大规模集成电路等方面有着极其重要的应用前景。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。近些年,欧洲、美国、日本等国家都开展了应变自组装量子点材料和量子点激光器的研究,取得了很大进展。

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。


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