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IV-VI族半导体材料如PbSe和PbTe等具有许多独特的物理性质：窄的直接带隙(～0.3eV),对称的能带结构,重空穴带的缺失,以及低的俄歇复合率等,使其在中红外（波长范围3～30μm)光电子器件领域有着重要的应用。这类材料制备的中红外光电子器件可广泛应用于微量气体分析、大气污染检测、红外成像、生物和医学诊断等领域。IV-VI族半导体低维结构,如量子阱和量子点等,由于量子限制效应的存在,相比体材料具有更集中的电子态密度分布,更窄的光跃迁谱线和更有效的光与电子的相互作用。而且IV-VI族半导体材料的能带极值位于布里渊区四个等价的L点处,等能面为扁长的旋转椭球面,椭球长轴沿〈111〉方向,椭球的长短轴分别由纵向和横向有效质量(m(?)和m(?))表征。这些不同于Ⅲ-V族和Ⅱ-VI族半导体的本征特性使得Ⅳ-VI族半导体低维结构在光学跃迁行为和新型光电器件研制等方面具有很好的研究和应用价值。
本论文工作分为理论和实验两个部分。理论上,基于k·(?)四带包络波函数理论建立了计算各种取向的IV-VI族半导体低维结构（如量子阱和量子点）的电子能带结构的理论模型。理论模型的的正确性和适用性通过模拟PbTe/CdTe量子阱和量子点的室温光致发光谱得到验证。研究了IV-VI族半导体非对称量子阱中自旋—轨道耦合Rashba效应与生长取向,阱宽,温度和波矢kx的变化关系。实验上,利用本实验室自主设计的分子束外延设备外延生长了PbSe和PbTe单晶薄膜及其量子点结构,室温条件下观察到PbSe量子点的光致发光谱,并从理论上对发光谱进行了解释。取得的主要成果如下：
(1)建立了计算各种取向的Ⅳ-Ⅵ族半导体量子阱和量子点的电子能带结构的理论模型。模型考虑了IV-VI族半导体材料能带结构的各向异性和非抛物性,并给出了不同取向的低维结构中各个能谷的自旋—轨道耦合Rashba项(?)so·(?)×k(?)的完整表达式。
(2)利用IV-Ⅵ族半导体量子阱的电子能带结构的理论模型,计算了PbTe/CdTe(001)单量子阱结构的自发辐射谱。计算结果与实验测量得到的室温光致发光谱数据相符合。而且,计算结果表明自发辐射谱峰位随着注入载流子浓度的增加而出现蓝移。对阱宽为20 nm的量子阱而言,当载流子浓度从2×1017增加到2.8×1018 cm－3,基态发射峰从372 meV蓝移到397 meV,而第一激发态发射峰蓝移量为15 meV。上述蓝移现象是由能带的填充效应引起的。进一步研究表明[110]取向的IV-VI族量子阱结构产生光学增益所需的注入载流子浓度比其他取向的低,因而该取向的量子阱结构在制备室温中红外量子阱激光器方面具有潜在优势。
(3)利用IV-VI族半导体量子点的电子能带结构的理论模型,从理论上模拟了PbTe/CdTe量子点体系的室温光致发光谱。结果表明,PbTe/CdTe(001)单量子阱结构经过退火处理后,PbTe阱层分裂成两类量子点结构：高度对称的立方量子点和扁平状量子点。立方量子点的典型尺寸为25 nm,而扁平状量子点的平均高度为8 nm。这与实验上通过透射电子显微镜(TEM)观察得到的结果符合。通过计算高度对称的PbTe量子点的光学增益,发现当载流子浓度为0.3～3×1018 cm－3范围时,尺寸在15～20纳米范围的量子点可产生大于5000 cm.1的光学增益,远大于PbTe体材料的光学增益(400 cm-1)。因而这类尺寸的PbTe/CdTe量子点是一种制备室温连续工作中红外半导体发光器件的理想材料。
(4)理论上研究了非对称Ⅳ-VI族量子阱中自旋—轨道耦合Rashba项()?so·(?)×k(?)与生长取向,阱宽,温度和波矢kx的变化关系。结果表明,Rashba效应使得自旋取向不同的电子能量发生分裂,分裂能可达几个meV,并随着温度增加而减小。该分裂能对量子阱的非对称性变化敏感。Rashba自旋—轨道耦合分裂能在不同取向的IV-VI族量子阱中达到最大值的阱宽是不同的：[100]取向为4.9 nm,[111]取向为2.1 nm(纵向能谷L)和5.6 nm(纵向能谷O),[110]取向为3.8 nm(斜能谷O1)和5.9 nm(斜能谷O2)。较大的Rashba自旋—轨道耦合分裂能及其对量子阱非对称的敏感性使得Ⅳ-VI族非对称量子阱在自旋电子器件研制和带阶参量测量方面具有潜在应用。
(5)利用自主设计的分子束外延设备在BaF2单晶衬底上外延生长了PbSe和PbTe单晶薄膜及其量子点结构。通过原子力显微镜(AFM)研究了PbSe薄膜表面形貌与Se/PbSe束流比(Rf)的的演化关系。结果表明,当Se/PbSe束流比Rf=0.2,0.3时,AFM在PbSe表面第一次观察到纳米三角孔状结构,而当Rf≥0.6时,PbSe薄膜表面出现螺旋状结构,三角孔状结构消失。三角孔状结构和螺旋结构的形成主要与〈110〉{100}滑移体系中线位错的滑移和薄膜中富Pb原子的聚集有关。在PbTe缓冲层上生长的PbSe量子点室温下观察到光致发光现象,并从理论上对该发光谱进行了分析。