量子点异质结中的界面声子及拉曼散射研究

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随着材料生长技术进步与发展,各种低维半导体纳米材料,特别是量子点及其复合结构,由于其优异的特性,一直都是诸多学科领域的研究热点。由于量子尺寸效应,通过改变量子点的尺寸可以调控量子点的发光波长,同时量子点还具有窄发射峰,高的发光效率和高的光稳定性等优点,在生物传感器、光电器件、光催化等领域具有巨大的应用价值。与传统上主要依靠“尺寸依赖”来调控量子点的光、电性能相比,核壳结构量子点可以通过调节核壳结构及量子点的组份实现体系物理、化学等方面性质的控制,具有更强灵活性及可操作性。因此核壳结构量子点做为一种新型的低维材料在量子光学器件、生物化学传感器、生物荧光标示等领域的得到了广泛研究。此外,与实心材料相比,空心纳米材料具有密度低、表面渗透性好及空心部分能够容纳大量的客体分子等独特的性质,也在众多领域得到了广泛的研究。  随着维度的降低、尺寸的变小,材料的比表面积增加,表面效应增强,电子-表面(界面)极化声子的耦合增大。由于表面极化增强形成的表面电子-声子偶合态对材料性质的影响越来越大,量子点材料表面(界面)振动模的研究对进一步认识系统的光学、电学等方面性质及其实际应用和开发都具有重要意义。为此本论文对多种结构量子点进行拉曼散射理论研究,并对量子点的表面(界面)声子行为进行系统的分析,论文结构及主要内容如下:  第一章首先对量子点、核壳结构量子点及空心纳米球层的基本性质和特点及介电连续模型理论进行了简要的介绍,对低维纳米材料中微观界面模与宏观界面模的特点及其研究状况进行了分析;然后我们简要介绍了拉曼散射基本理论并给出了微分散射截面的一般表达式,同时通过对拉曼实验光谱的分析,说明介电连续模型对低维材料表面(界面)声子研究的有效性和正确性。  第二章根据介电连续近似,结合Maxwell方程组、晶格动力学方程及场量子化理论,我们导出了单层空心纳米球层中的表面光学声子模,得到了量子化的声子场及电子-声子相互作用哈密顿,同时对小尺寸的CdS空心纳米球层的拉曼散射进行理论研究,对“表面声子拉曼散射尺寸选择效应”进行了理论模拟。结果表明,高激发光能量在共振散射时选择较小尺寸的系统,同时内(外)表面声子对应的拉曼峰蓝移(红移),相应声子频率增加(减小);球层外表面声子对不同介电环境响灵敏,而对于内表面声子,只有在小尺寸系统中,介电环境才有微弱的影响。此外,通过对Luo等实验所得的单层空心球层拉曼光谱的理论分析发现,他们观察到的拉曼峰谱线和SO2声子谱相符,因此可以鉴定他们观察到的是来自外表面声子的拉曼信号。  第三章采用介电连续近似理论及转移矩阵方法,我们导出了多层空心纳米球层异质结构中的界面光学声子模及电子-声子相互作用哈密顿,同时对ZnSe/CdSe双层纳米球层异质系统的界面声子特性进行了研究。我们发现了4支表面(界面)振动模,不同模式的频率色散形成分立的声子谱。通过对声子频率随量子数l、及内外球层厚度的色散关系和声子行为的分析,可以鉴别出各振动模局域的位置。各振动模对内外球层厚度及环境介电系数的变化表现出不同的响应,因此通过改变内外球层的厚度及环境介电系数可以对各声子行为进行不同的调控。对各声子势的研究表明,随l增加,各声子局域性加强,相互之间的耦合减弱,因此l较小的声子通常对系统光电性质有较大的影响。  第四章我们对CdSe/CdS、CdS/HgS核壳结构量子点的界面声子拉曼散射进行了理论研究,从所得的光谱中我们发现核壳结构、尺寸、组份及量子点所处的介电环境等对拉曼峰值及其位置均有重要影响。结果表明,Ⅲ类CdS/HgS量子点的拉曼峰值对系统尺寸变化的响应更为灵敏;最外层表面声子拉曼峰对不同介电环境的响应最为灵敏,而内层界面声子的反应则相对迟钝。通过对V.M.Dzhagan及L.Artús等的实验结果进行理论分析和对比,我们认为Dzhagan等在CdSe/CdS核壳量子点的拉曼光谱中观察到的CdS-like拉曼信号源自于类-CdS界面声子IOCdS,而不是文献中所说的受限CdS类体声子。此外对InAs/InxGa1-xAs/GaAs多层核壳结构量子点拉曼光谱的研究表明L.Artús等在 InAs/GaAs量子点拉曼光谱中观察到频率介于ωTO,InAs~ωLO,GaAs的所谓“特殊”的振动模,是InAs/GaAs界面因Ga/In原子的混合形成InxGa1-xAs合金层而产生的界面声子。最后我们还采用介电连续模型理论对量子点尺寸、组份、合金效应及介电环境等参量对界面(表面)声子的影响进行了系统的分析。据我们所知,这是首次对核壳结构量子点的表面(界面)声子行为进行如此全面的研究。  第五章我们导出了有限深柱形量子点中的各种界面光学声子,并对GaAs/AlAs,InAs/GaAs柱形量子点中界面声子参与的一阶共振拉曼散射进行了理论研究,导出了微分散射截面表达式及相应的选择定则。从所得的光谱中,我们观察到了丰富的界面振动模,它们强烈依赖于系统的尺寸及形态结构。通过调节量子点的尺寸及纵横比,相应的拉曼峰位置及拉曼峰值都会发生改变,系统通过自我调节而达到对外来光场的最佳拉曼响应,而这种调节又受到系统对称性的限制。当系统纵横尺寸比例严重失调时,系统对外场响应的自我调节能力就会相应降低。  在本论文的最后一章,我们作了一个简单的总结和展望。
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