赵福娟半导体量子点的电子态研究.doc
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1、本科毕业论文论文题目: 半导体量子点电子态研究 学生姓名: 赵福娟 学号: 专业: 电子科学与技术 指导教师: 董庆瑞 学 院: 物理与电子科学学院 2023年 5 月 20 日毕业论文(设计)内容介绍论文(设计)题 目半导体量子点的电子态研究选题时间2023/1/8完毕时间2023/5/20论文(设计)字数10520关 键 词量子点 电子结构 量子尺寸效应 库仑阻塞效应论文题目的来源、理论和实践意义: 来源: 自从江崎和朱兆祥提出超晶格的设想以来,随着着分子束外延和其他外延技术发展,各种半导体微结构的研究和应用已成为半导体科学和技术发展的最重要焦点,目前正经历一迅速发展时期,同时,集成电路已
2、达成纳米量级的加工尺寸对集成电路发展的Moore律构成严重挑战,而半导体微结构其重点量子点的研究正孕育着新一代信息技术的科学基础。理论意义: 半导体量子点是一类新型低维量子结构。由于材料的尺寸可以与其中载流子的德布洛意波波长相比拟,载流子的波动性表现得十分明显,为凝聚态基础研究和固体电子学提供了物理基础,为我们理解物质的宏观特性提供了重要中介途径,并且其自身表现的特殊现象对量子力学和记录力学一些基本原理进行理论上的澄清和实验上的检查。实践意义: 低维半导体异质结构材料是新一代固体量子器件的基础, 高质量低维结构材料的可控生长和微细加工技术的不断进展, 也许触发新的微电子和光电子技术革命, 具有
3、十分重要意义。论文的重要内容及创新点:重要内容:本文较为系统地介绍了半导体量子点的工艺,性质及应用的有关内容,具体列出数种典型量子点电子结构的计算方法。本文共有五章:第一章 介绍了量子点的概念和本文研究主旨;第二章 介绍半导体量子点的制备方法;第三章 半导体量子点的量子效应;第四章 列举了典型量子点电子结构计算方法,第五章 对半导体量子点应用原理解释。第六章,当前研究热点发展前景展望.创新点:本篇论文不仅介绍了半导体量子点的概念,当今制备技术,特别是对半导体量子点的量子效应、各种典型电子结构进行具体探讨,为电子结构计算提供了一种思绪,注重理论计算与实践应用的结合,探讨了量子点在量子器件的设计和
4、制造的基础理论依据和应用模型。附:论文(设计)本人署名: 2023 年 05月20日目录摘要4第一章 绪论51.1量子点的概念51.2 本文研究内容及意义5第二章 半导体量子点的制备6第三章 半导体量子点的量子效应73.1表面效应73.3库伦阻塞效应73.4宏观量子隧道效应73.5共振隧穿效应8第四章 半导体量子点的电子结构84.1箱型量子点94.2球型量子点104.3型量子点124.4磁场中的量子点14第五章 半导体量子点的应用、研究现状及前景展望165.1半导体量子激光器165.2半导体量子点在电子器件上的应用165.3 半导体量子点在生命科学中的应用175.4量子点在量子计算机中的应用1
5、75.5 目前半导体量子点研究亟待解决的问题18第六章 结束语18参考文献20半导体量子点的电子态研究赵福娟(山东师范大学 物理与电子科学学院)摘要:量子点,又称“人造原子”,它是纳米科学与技术研究的重要组成部分.由于载流子在半导体量子点中受到三维限制而具有的优异性能,构成了量子器件和电路的基础,在未来的纳米电子学、光电子学、光子、量子计算和生命科学等方面有着重要的应用前景,受到人们广泛重视。 本文从量子点定义出发,阐述了量子点制备方法、电子量子效应,重点讨论量子点电子结构,具体阐述量子点器件的应用,并对其应用前景进行展望。关键词:量子点 制备 电子结构 量子效应 量子器件Semiconduc
6、tor Quantum Dot Electronic StateZhao Fujuan(College of Physics and Electronics, Shandong Normal University)Abstract: Quantum Dot, usually called “artificially made atoms”, are one of the most subjects of nanometer science and technology. The superior properties of semiconductor quantum dot resulting
7、 from the three dimensional confinement of the carrier constitute the basic of quantum devices and circuts. The research and the development as well as application semiconductor quantum dot are expected to attract more and more attention and greatly influence nanometer electronics and optoelectronic
8、s, photon and quantum computing and even the life sciences. And the paper focus on the electronic structure of quantum dots and the application of the devices of the semiconductor quantum dots as well as describes the future application of the quantum dots.Keywords: Quantum Dot Electronic Structure
9、Quantum Size Effect Coulomb Blockade Effect 第一章 绪论1970年,半导体超晶格、量子阱概念的提出,开创了人工设计、制备低维量子结构材料研究的新领域,所谓低维量子结构材料,通常是指三维体材料之外的二维超晶格、量子阱、一维量子线和零维量子点材料。半导体量子点是一种三维尺寸都趋于载流子的德布罗意波长的半导体纳米结构,这种结构可有效限制载流子的空间分布和运动,有不同于体材料的量子物理特性,如电子结构、输运特性及光学性质,具有态密度和能量与函数类似的性质,同时量子点的形状结构和尺寸可人为调控,以调节其带隙、量子束缚能及激子的能量蓝移等电子状态,进而开辟了半导
10、体纳米结构新的应用,可实现量子点器件的电学和光学性质的剪裁,得到低功耗、高性能的新型元器件,是国际研究的前沿热点领域。量子点结构是一个涉及物理、化学和材料等多学科交叉的研究领域,内容广泛。本文重要讨论半导体量子点的制备、性质和它的应用及发展前景。1.1量子点的概念 量子点也称人工原子,在20世纪晚期开始受到重视。指人造的尺寸为1100nm 的小系统内含110000 个可控制的电子,它的尺寸比团簇大,但小于光刻精度。量子点的三维尺寸都与该方向电子的波长或平均自由程可比拟甚至更小。因此载流子在三个方向的能量都是量子化的运动都受到了约束,故称为零维材料。它的性质与体材料显著不同,涉及量子尺寸效应、量
11、子干涉效应、非线性光学效应、表面效应、量子隧穿与库仑阻塞效应等,因此在纳米电子器件制造方面有极重要的前景。1.2 本文研究内容及意义 纳米科学是新世纪的科学前沿,它将改变人类的生产生活方式,同时它在基础科学方面向人们提出许多新的挑战并促进基础科学的发展,半导体量子点是半导体纳米材料的典型结构,其内电子展示了一些类自然原子的特性(如分立的能级结构和额外电子填充的壳层结构等),但量子点内注入的额外电子是人为可调的 ,用当今纳米技术课控制半导体量子点的形状尺寸,是研究相称广泛物理现象的非常有用的系统,且在未来量子功能器件中具有巨大的潜在的应用价值。人们制备量子点和研究其性质的努力进行了三十数年,取得
12、很多进展。本文较为系统的介绍半导体量子点工艺,具体的列出典型量子点电子结构的计算及讨论方法,同时结合国内外研究进展,总结量子点的应用趋势及发展前景。本文共六章:第一章 介绍量子点的概念,分类及介绍本文的研究目的。第二章 介绍半导体量子点的制备方法。第三章 介绍半导体量子点的量子效应,如表面效应,量子尺寸效应等。第四章 列举典型量子点电子结构计算方法。第五章 介绍半导体量子点在各个方面的应用及前景展望。第六章 结束语第二章 半导体量子点的制备目前流行的量子点制备方法有三种,一是在量子阱或超晶格结构的基础上用高分辨电子束曝光直写刻蚀的方法。量子点的形状分布可控但容易损伤而引入缺陷和玷污。二是用胶体
13、化学方法制备半导体纳米晶态量子点,但工艺仍不成熟。 三是运用晶体生长的S-K(stranski-krastanow)模式进行应变原位自组装生长量子点,也是最简便成熟的方法。 自组装法的原理是晶格失配度适中的两种材料如Ge/Si,InAs/GaAs等。在分子束外延M B E 或金属有机化学汽相淀积M O C V D 始阶段是二维平面生长随着厚度的增长产生应变积累,导致在临界厚度时外延层转变为三维岛状生长以减少系统能量,最终形成了均匀且无位错的量子点。通过优化生长条件,可使量子点尺寸的不均匀性10%,密度控制在1081011cm。要充足发挥自组装量子点在纳米电子器件中的应用,实现其大小形状的人工调
14、控是非常必要的。人们已在运用量子点间弹性作用而使其有序排列方面取得一定进展,而这对最终实现大小和形状的均一化是非常有利的目前人们提高,目前S-K 量子点均匀性和有序性的研究仍在进行之中。 第三章 半导体量子点的量子效应当颗粒尺寸进入纳米量级时,将表现出量子尺寸效应、量子限域效应、表面效应和宏观量子隧道效应等与宏观和微观系统不同的低维量子效应。3.1表面效应 随着量子点的粒径减小,大部分原子位于量子点的表面,量子点的比表面积随粒径减小而增大。随着量子点比表面积的增大,表面相原子数的增多,导致了表面原子的配位局限性、不饱和键和悬键增多。使这些表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其它原子结合,从
15、而引起量子点表面原子输运和结构的变化,同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴,它们会影响量子点的发光性质以及引起非线性光学效应。同时量子点的表面张力亦随着粒径减小而增大,这将引起量子点的内部结构,特别是表面层晶格的畸变,使得晶格常数变小,从而发生显著的晶格收缩效应。Staduik等人通过XRD衍射分析表白,5nm的Ni超细微粒晶格常数收缩2.4。3.2量子尺寸效应 当粒子尺寸进入纳米量级时,由于量子尺寸效应,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象,半导体纳米颗粒则出现分立的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道能级间距比粒子能级间距更宽,能隙变宽
16、,这种现象称为量子尺寸效应。量子尺寸效应在光学性质方面表现在量子点电子性质的变化上,量子尺寸效应的最直接探测反映在带问吸取或发光峰向短波方向发生蓝移,这是由于纳米颗粒的能隙变宽。3.3库仑阻塞效应 假如一个量子点与其所有相关电极的电容之和足够小,这时只要有一个电子进入量子点,引起系统增长的静电能就会远大于电子热运动能量kBT这个静电能将阻止随后的第二个电子进入同一个量子点,这种现象叫做库仑阻塞效应。在实验上,可以运用电容耦合通过外加栅压来控制双隧道结连接的量子点体系的单个电子的进出。基于库仑阻塞效应可以制造多种量子器件,如单电子器件和量子点旋转门等。3.4宏观量子隧道效应 传统的功能材料和元件
17、,其物理尺寸远大于电子的自由程,所观测的是群电子输运营为,具有记录平均结果,所描述的性质重要是宏观物理量。当微电子器件进一步细微化时,必须要考虑量子隧道效应。lOOnm被认为是微电子技术发展的极限,因素是电子在纳米尺度空间中将有明显的波动性,其量子效应将起重要功能。电子在纳米尺度空间中运动,物理线度与电子自由程相称,载流子的输运过程将有明显电子的波动性,出现量子隧道效应,电子的能级是分立的。运用电子的量子效应制造量子器件,要实现量子效应,规定在几个纳米到几十个纳米的微社区域形成纳米导电域。电子被“锁”在纳米导电区域,电子在纳米空间中显出的波动性产生了量子限域效应。纳米导电区域之间形成薄薄的量子
18、垫垒,当电压很低时,电子被限制在纳米尺度范围运动,升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海,使体系变为导电。电子从一个量子阱穿越量子势垒进入另一个量子阱就出现了量子隧道效应,这种绝缘到导电的临界效应是纳米有序阵列体系的特点。3.5共振隧穿效应 共振隧穿效应在耦合量子点阵列系统中广泛存在。由于量子点结构对电子具有很强的三维限制作用,使得电子能级的值在各个方向上都是量子化的,且每个能级上都可以积累一定数目的电子。假如相邻两个量子点之间距离很近,以至于能移使量子隧穿过程发生,电子就可以在相邻量子点的能级间进行跃迁。假如改变外加电压,使电子所具有的能量与量子点中一个电子能级所相应的能量值相等,则电
19、子就会隧穿到量子点中并发生共振。共振隧穿器件(resonant tunneling device,RTD)也被提出并进行了实验性的加工制造。RTD与传统的微电子学结合可构成微米-纳米混合式电子逻辑电路。第四章 半导体量子点的电子结构由于量子点是处在宏观固体和微观分子的中介状态, 其电子结构经历了从纯体相材料的连续能带到类分子的准分裂能级,因而其电子结构的研究可以从两方面人手。一种是从分子体系向量子点结构的过渡, 这就是所谓的化学键理论。它重要从物质的化学组成、晶体结构等短程序排列以及杂化轨道理论等出发研究其电子状态。如原子轨道线性组合模型、团簇模型和双曲线能带模型等就属于这一种;另一种则是从固
20、体能带理论出发向量子点结构的演变。它从晶体结构的长程序周期性出发, 导出了体系中电子的能量是由一些密集的能级组成的能带。有效质量近似、经验的紧束缚方法、微扰以及变分计算等就属于这一种。对于不同类型的量子点和采用不同的理论框架与计算方法, 所得到的对电子结构的描述结果也不尽相同。计算结果的近似限度取决于理论模型的近似性、引人参量的合理性和计算过程的适度性。下面简要介绍箱型量子点、球型量子点、型量子点以及磁场中量子点的电子结构。4.1箱型量子点用X、Y和Z三维空间坐标描述箱型几何形状的量子点。当它的三个方向上的尺寸和都减小届时, 就得到了三维量子限制。在该量子体系中, 由于电子在X、Y和Z三个方向
21、上的运动都是量子化的, 所以用k、l和n三个量子数来表征。在箱形量子点中, 电子波函数应满足三维薛定愕方程: (1)相应的电子波函数为,三个方向的薛定愕方程分别为: (2) (3) (4)取无限深方形势阱作近似, 则计算得出电子在三个方向上的能量本征值,综合得量子点体系中电子的总能量为 (8)与此相应, 有效状态密度为 (9)上述各式中、为箱形量子点在X、Y、Z三个维度上的量子化能级。由有效状态密度式可知,随着量子点尺寸的减小, 体系的能量会进一步增, 即能量的量子化效应也越显著。运用光波导理论中的有效折射率方法对其波函数和量子化能级进行讨论,当时或者当阱的顶部远高于量子化能级位置时,也可以得
22、到与有效状态密度式相类似的计算结果。图1(a)和1(b)是箱形量子点的结构形状与态密度分布。4.2球型量子点将量子点看作一个球形,可以在球极坐标形式下求解其电子结构,表征球形量子点的尺寸参数是量子点的半径R0。原子团簇、超微粒子、多孔硅以及采用选择生长与蚀刻技术制备的纳米半导体量子点,原则上都可以按球形量子点讨论其电子状态。最初期的工作是采用有效质量近似,假定球形量子点具有抛物线型能带结构及球形无限对称势阱,在量子点半径R与体相激子玻尔半径之比提成三种受限情况下,对其激子的能量蓝移进行了计算。当R时,即在弱受限条件下,最低的激子能量蓝移,M 为激子平移质量, , 和分别为电子和空穴的有效质量。
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