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1、第卷第期固体电子学研究与进展,No.2a,年月My1997半导体量子点的电子结构彭英才,,(河北大学电子与信息工程系保定071002),19960226收稿19960628收改稿提要半导体量子点是一种具有显著量子尺寸效应的介观体系。文中从固体能带理论出发,对箱形量子点、球形量子点、I型量子点以及磁场中量子点的电子结构进行了讨论。关健词:t子点电子结构t子尺寸效应.:01中图分类号471ElectronicStruetureofSemiconductorQuantumDotsPengYingeai..,.Electnicatnng七占“U爪v,
2、eDtPofor&I心b,ioalE月口月,,刀odig071002CHNAbstraet:eeonuetorquantuot15aesoseoPiesystetareSmidmdmmwihmkd.,quantumsizeeffeetInthispapertheeleetroniestrueturesoftypiealquantumdotssueasoxuantuot,sereauantuot,euantuotanuan-hbqmdphilqmd1typqmddq.tumdotinmagnetiefieldarediseussedbasedo
3、nenergybandtheoryofsolidstateKeyords:uantuotEleetronicruetureuantuzeEffeetWQmDStQmSi1量子尺寸效应,,半导体量子点是继超晶格与量子阱之后与量子线同时发展起来的一种介观体系又称细小体系或小量子体系。由于这类体系的有源区尺度已经减小至可以同电子的德布罗意波长(凡,’,,一2二了砰两石二百m为电子的有效质量E为电子的能量)相比拟的程度所以具有一些十分显著,。,的量子化效应如量子尺寸效应就是其中之一lj[量子尺寸效应描述的物理事实是当半,导体材料从体相逐渐减小至某一临
4、界尺寸(如电子的德布罗意波长电子的非弹性散射平均自,、由程以及体相激子的玻尔半径等)以后其中的载流子(如电子空穴和激子)的运动将受到强,。,量子封闭性的限制同时导致其能量的增加与此相应电子结构也将从体相的连续能带结构,,,变成类似于分子的准分裂能级并且由于能量的增加使原来的能隙增加即光吸收谱向短波,。,。方向移动呈现谱峰蓝移现象量子点尺寸越小谱峰蓝移现象也就越显著就其输运性质而,,,言量子点尺寸的减小会使量子隧穿和量子干涉效应更加明显无疑这将对单电子物理学的固体电子学研究与进展17卷研究和单电子器件的制作产生重要而深远的影响。2电子结构的计算
5、方法半导体量子点是能带工程在半导体材料方面最成功的应用。通过控制量子点的形状、结构,、,与尺寸就可以调节其能隙激子的束缚能以及激子的能量蓝移等电子状态以满足理论研究和器件设计等不同需要。量子点有各种类型川。按其几何形状,量子点可分为箱形量子点、球形量子点、四面体量子,,;点柱形量子点和外场(电场和磁场)诱导量子点按其电子与空穴的量子封闭作用量子点可,,分为I型量子点和皿型量子点;按其材料组成量子点又可分为元素半导体量子点化合物半导体量子点和异质结量子点。此外,原子及分子团簇、超微粒子和多孔硅等也都属于量子点范畴。,由于量子点是处于宏观固体和微
6、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主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又户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
7、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程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、、。绍箱形量子点球形量子点I型量子点似及磁场中量子点的电子结构3各种量子点的电子结构3.1箱形一子点闭、。箱形量子点是用XY和Z三维空间坐标描述其几何形状的量子点当它的三个方向上的尺寸Lx、L丫L:,。,、Y和都减小到凡时就得到了三维量子限制在该量子体系中由于电子在X,、。和Z三个方向上的运动都是量子化的所以需要kl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._.,
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