【摘 要】
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由于量子效应和大表面积体积比,半导体纳米线有潜力成为下一代高光电转化效率的光电器件元件,例如激光器和发光二极管等.光吸收是实现光电转化的重要过程.光吸收性质测量也是表征材料能带结构的重要手段.理论上研究半导体纳米线多采用轴对称的圆柱型模型,然而实验制备的纳米线则常为棱柱型.实验发现不同截面纳米线器件的光电性质有显著差异.本工作讨论截面形状对核壳结构纳米线电子态以及光吸收跃迁性质的影响.本文采用有效
【基金项目】
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国家自然科学基金（61864010）； 内蒙古自然科学基金（No.2018MS0.010.19）；
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由于量子效应和大表面积体积比,半导体纳米线有潜力成为下一代高光电转化效率的光电器件元件,例如激光器和发光二极管等.光吸收是实现光电转化的重要过程.光吸收性质测量也是表征材料能带结构的重要手段.理论上研究半导体纳米线多采用轴对称的圆柱型模型,然而实验制备的纳米线则常为棱柱型.实验发现不同截面纳米线器件的光电性质有显著差异.本工作讨论截面形状对核壳结构纳米线电子态以及光吸收跃迁性质的影响.本文采用有效质量近似和费米黄金法则,给出棱柱型核壳结构纳米线中电子态和光吸收性质计算的一般方法.以纤锌矿In Ga N/Ga N体系为例,具体讨论电子态和带间与子带间的线性、非线性光吸收系数以及光饱和现象.首先,利用有限元差分法求解二维定态薛定谔方程,获得截面各向异性影响下的电子和空穴的本征能级和波函数;然后,采用黄金费米法则,计算带间和子带间的线性和非线性光吸收系数.计算结果与圆柱型纳米线情形对比,分析电子态在截面内的各向异性对光吸收性质的影响;进而,对比几种典型正多边形截面纳米线,分析截面形状和面积以及材料组分等对其光吸收性质的影响.工作主要结论如下:在六棱柱In Ga N/Ga N核壳结构纳米线中,1.电子和空穴的波函数表现出与截面相同的空间对称性.增大In组分或减小核壳半径,波函数峰值增高表现出局域性增强,此趋势与圆柱型情形一致.2.截面内由垂直于界面的方向（θ=0°）转向临近棱角（θ=30°）时,阱宽增大使得电子的本征能级降低,从而展宽为一个能带;而在圆柱型纳米线中则为单一能级.增大In组分或减小核半径,电子和空穴的本征能带远离带边,圆柱型情形中表现为能级升高.进一步分析带间光吸收性质,发现:1.当极角由垂直于界面的方向（θ=0°）转向临近棱角（θ=30°）时,跃迁矩阵元增大使得一阶线性和三阶非线性光吸收系数绝对值增大,总光吸收系数也增大;能级间距减小使带间光吸收波峰发生红移,从而形成较同等截面积的圆柱形纳米线更宽的吸收谱.2.增大光强将导致光吸收饱和现象而使吸收峰会发生劈裂.与同等面积圆柱形纳米线相比,出现饱和现象所需的光强更低;增大核半径或降低In组分,减弱束缚效应,更容易出现饱和现象.3.对比相同截面积的正三棱柱、正四棱柱、正六棱柱和圆柱型纳米线,发现较低的截面对称性产生较大的吸收带宽,且吸收峰更加平坦,更易出现光饱和现象.上述现象在子带间光吸收中也存在,但没有带间光吸收明显.论文研究结果对纳米线光电器件的研发有指导意义.
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