第六章 低维和无序体系光谱.ppt

* * 第六章 低维和无序体系光谱 超晶格的吸收与发射光谱 一维和零维体系光谱 非晶体系的吸收光谱 非晶体系的发光光谱 低维体系：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围 （100nm） 或由它们作为基本单元构成的材料 按维度分为：二维（2D）、一维（1D）、零维（0D）体系 二维（2D）体系：薄膜、多层膜、超晶格体系 ---量子阱 一维（1D）体系：纳米线、纳米带、纳米管、 纳米同轴电缆、异质结与超 晶格纳米线---量子线 零维（0D）体系：原子团簇、胶体悬浮颗粒、 纳米颗粒---量子点 低维体系 (a) 低温（4 K）下将单个的 Xe原子在 Ni 的表面排列出IBM的标识；(b) Fe 原子在 Cu (111) 表面构成一个量子栅栏，栅栏内的波纹是由表面态电子的散射引起。 利用扫描隧道显微镜 (STM) 构造纳米尺度的结构 Block-by-block gorwth of sing-crystalline Si/SiGe superlattice nanowires, Yiying Wu, Rong Fan, and Peidong Yang, Nano Letters, Vol.2(2), 83-86, 2002 Si/SiGe 超晶格纳米线 下图（FE-SEM像)，纳米带的宽度为100~500 nm，厚度在10~30 nm之间，长度在10μm以上 ZnO:In纳米带 右图（TEM像）：插图是其电子选区衍射（SAED）像； Large Scale Fabrication of Flexible Ag/Cross-Linked PVA Coaxial Nanocables by a Facile Solution Approach Linbao Luo, Shu-Hong Yu*, Hai-Sheng Qian, Tao Zhou, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2822-2823. 超晶格的吸收与发射光谱 超晶格的能量状态 X Z Y Ec1 Ev1 Ec2 Ev2 Eg2 Eg1 d2 d1 l ?Ec ?Ev 超晶格多量子阱能带结构示意图 A B A B A B A B A B A B 考虑单量子阱情况，即势垒足够厚时 可将单量子阱比拟成单个原子，原子间距大大时，为单一能级，间距减小，单一能级展宽成能带。 电子在Z方向的运动被限制在势阱中，则能量状态为 电子（空穴）在Z方向能量为定域能级，X，Y方向仍为准连续能谱 量子阱的多支抛物线状能谱 超晶格的吸收光谱 量子阱中电子和空穴的态密度为台阶型，其联合态密度也为台阶结构 选择定则： 半导体GaAs态密度和吸收光谱 （a）三维晶体的带间吸收光谱 （b）二维台阶状态密度和 三维态密度（虚线） （c）二维体系的带间吸收光谱 台阶上的锐峰为激子吸收峰 为什么？ 超晶格GaAs/Ga0.8Al0.2As在T=2K时的吸收光谱实验结果 随着势阱层的减薄，吸收边蓝移；厚度增加到400nm时，吸收同体材料类似。 以上实验结果和分析的意义 采用近代薄膜技术，可以人工制造量子力学意义上的一维周期性势阱，证明了量子力学关于在势阱中运动的粒子能量的量子化理论； 与三维晶体不同，在二维体系中出现了台阶状联合态密度和台阶状吸收光谱，说明有效质量近似在二维体系中同样适用； 由于量子尺寸限域效应，二维体系的吸收边比相应的三维固体的吸收边蓝移，这种蓝移量的大小，可通过调节势阱层厚度，也就是通过能带工程来控制。 超晶格的发光光谱 由于量子限域作用： 电子-空穴的复合发光效率显著提高 电子-空穴易形成激子 发光蓝移 应用： 利用MQW结构，可制备波长可调（尤其是蓝光或紫外波长）和高效发光的LED和LD GaAs/Ga0.67Al0.33As多量子阱室温下的PL光谱 GaN多量子阱蓝色发光二极管结构示意图 e-lh e-hh 一维和零维体系光谱 量子尺寸效应：一个e-h系统能量，除 T 和 U 外还 应考虑量子尺寸限域能 设晶粒尺寸为R，激子的等效波尔半径为aB=ae+ ah 分三种情况： 弱限域效应：RaB，Rae， Rah 体系能量主要由库仑作用决定，量子限域作用表现为蓝移效应 体系能量主要由量子限域作用（附加能大）决定，库仑作用看成微扰 e 和 h 尺寸限域效应不同，h在