半导体超晶格和微结构

本文结合国家科学基金重大项目“半导体超晶格和微结构”的一部分研究工作（超晶格材料的生长技术，量子阶，超晶格的光学声子模，能带类型和超晶格类型的双重转变，隧穿的研究，光调制反射谱的机理），对有关的基础知识和所取得的成果作扼要的介绍。     

准相位匹配非线性切连科夫倍频与和频效应

研究了两维光学超晶格光波导中的准相位匹配切连科夫(Cerenkov)倍频与和频效应,利用光学超晶格的不同倒格矢实现了多组准相位匹配切连科夫倍频与和频的同时输出,从理论和实验两个方面探讨了光学微结构材料中非线性切连科夫辐射产生的机制、效应和可能的应用.     

带电粒子同超晶格的相互作用与系统的混沌行为

把超晶格“折沟道”对粒子的作用等效为形状相似的弱周期调制. 利用正弦平方势把粒子运动方程化为具有外周期弱调制的非线性微分方程，并利用Melnikov 方法分析了系统出现Smale 马蹄的临界条件. 预言了带电粒子同超晶格相互作用过程中, 系统可能出现的混沌行为, 为半导体超晶格材料的制备和半导体超晶格光磁电效应的研究提供了基本的理论分析. 关键词： 超晶格 非线性 微分方程 混沌     

应变超晶格(ZnS)1/(ZnSe)1的光学性质

用linear mufin tin orbital能带方法，计算Si衬底上（ZnS）_n/（ZnSe）_n（001）超晶格的能带结构，计算中采用外加调整势进行带隙修正．在得到较准确的能带结构和波函数的基础上，计算该超晶格系统的光学介电函数虚部ε₂（ω）．结果表明，该超晶格系统的光学性质结合了ZnS和ZnSe体材料光学性质的特点，在相当宽的能量范围内有较好的光谱响应．并且该超晶格系统是直接带隙材料，在光电器件应用中有很大潜力． 关键词：     

我国半导体超晶格研究取得重大成果

由学部委员、我国著名物理学家黄昆教授主持的国家自然科学基金“七五”重大项目“半导体超晶格微结构”最近通过了专家组的评议验收. 该项目以探索、开发新一代固态电子、光电子器件为着眼点,本着以分子束外延和有关超薄层材料生长技术为先行、物理研究为基础的原则,从事半导体超晶格微结构的物理、材料和器件三方面的综合性基础研究.经过五年努力,这个项目不但出色地完成了任务,实现了预期目标,而且取得了比预期成果大得多的成绩,先后发表论文571篇,其中有234篇发表在重要国际学术刊物和国际会议上,在有关重要国际学术会议上做特邀报告达2…     

ZnSe-ZnTe应变层超晶格远红外反射谱

本文首次报道室温下测量的分子束外延生长的ZnSe-ZnTe应变层超晶格的远红外反射谱.得到了ZnSe、ZnTe横光学声子摸.用长波长超晶格介电理论和多层吸收薄膜理论进行曲线拟合,确定Ⅱ-Ⅵ族ZnS、eZnTe材料的一些基本材料参数,如横光学声子频率、模衰减常数、模振荡强度、高频介电常数等.本文首次报道这些参数.     

SiGe／Si应变层超晶格的结构和光散射特性

ＳｉＧｅ／Ｓｉ应变层超晶格是一种亚稳态结构。在高温下，原子互扩散导致异质界面展宽；同时，由晶格失配引起的应变会发生弛豫。这两种现象都将导致超晶格结构的变化。本文证明，利用拉曼散射光谱可以定量地反映这一变化。（１）我们首先把界面陡峭超晶格中折叠纵声学（ＦＬＡ）声子的色散关系和散射强度的理论计算推广到界面展宽的情形。然后，我们分析了测量得到的在不同温度下退火的超晶格样品的ＦＬＡ声子散射谱。通过测量谱和计算结果的比较，得到了不同退火温度下异质界面的展宽或扩散长度。我们也从理论上证实并且在实验上观察到：ＬＦＡ声子在超晶格布里渊区边界的能带分裂随异质界面的展宽而减小。（２）我们定量地分析了ＳｉＧｅ／Ｓｉ超晶格中光学声子的散射谱随退火温度的变化。考虑到原子互扩散引起的合金组份变化以及应变弛豫两大因素，我们发现，对上述合金型ＳｉＧｅ／Ｓｉ超晶格，在８００℃下退火１０分钟，超晶格中由于原子互扩散引起的界面展宽是非常严重的。相比之下，晶格弛豫的大小与材料的生长条件有关。对较低温度（４００℃）下生长的超晶格，晶格弛豫量并不大，仅为１６％。这一结果也得到了Ｘ－射线衍射谱的支持。（３）我们讨论了与ＳｉＧｅ／Ｓｉ应变层超晶格的结     

近周期超晶格中的声学声子及其光散射特性

利用转移矩阵方法计算了近周期超晶格体系（包括有限周期数的超晶格、耦合超晶格、层厚起伏和层厚渐变的超晶格）中声学声子的喇曼散射谱．结果表明上述近周期超晶格的光散射特性与理想严格周期的体系和完全无序的体系都不相同，呈现出许多独特的性质．对有限周期数的超晶格，由于边界的存在，喇曼谱中除了理想超晶格中存在的折叠声学声子峰（主峰）外，还会出现一系列等间距分布的卫星峰．对耦合超晶格体系，理想超晶格中存在的主峰将出现分裂．对层厚起伏变化的超晶格，主峰呈现非对称展宽，展宽主要出现在高波数端．计算结果和实验测得的谱线作了比 关键词：     

介电体超晶格的研究

介电体超晶格是一种新型的有序微结构材料.它具有通常均质材料所不具有的独特优异性能,展现出重要的应用前景.文章介绍了南京大学研究组关于介电体超晶格研究所取得的进展,如将多个光参量过程集成于一块介电体超晶格之中获得了多波长激光同时输出,研制成超晶格全固态三基色激光器原型,在介电体超晶格中将拉曼散射强度增强到104-105倍,用超晶格研制的器件填补了体波超声器件从几百MHz到几千MHz的空白频段,发现了微波与超晶格振动的强烈耦合以及极化激元(polariton)的激发与传播等.     

低压MOCVD生长参量对Ⅱ型InAs/GaSb超晶格材料表面形貌的影响

采用自制低压金属有机源化学气相沉积设备,在（100）面GaSb单晶衬底上生长了Ⅱ型InAs/GaSb超晶格材料.利用双晶X射线衍射、光学显微镜、原子力显微镜和光致发光谱等分析手段对材料特性进行了表征,获得了表面光亮的晶体质量较好的Ⅱ型InAs/GaSb超晶格材料,在77 K下得到光致发光谱峰值波长为3.25 μm.研究了生长温度、过渡层、界面层对其表面形貌的影响,得出生长温度在500 ℃~520 ℃,无过渡层,使用InAsSb界面层有利于改善材料的表面形貌.     

Si／Ge应变层超晶格的椭偏光谱

测量了几种不同组分的（Ｓｉ）Ｍ／（Ｇｅ）Ｎ应变超晶格材料的椭偏光谱（２．０～５．０ｅＶ），并得到了其介电函数谱；应用介电函数的临界点理论，研究了（Ｓｉ）Ｍ／（Ｇｅ）Ｎ应变超晶格材料的光学性质。发现短周期Ｓｉ／Ｇｅ应变超晶格除了具有明显的Ｅ１和Ｅ２带间跃迁外，还存在与应力和超晶格能带的折迭效应有关的跃迁峰，其能量分别位于２．３～３．０ｅＶ和３．３～４．０ｅＶ范围内     

低压MOCVD生长参量对Ⅱ型InAs/GaSb超晶格材料表面形貌的影响

采用自制低压金属有机源化学气相沉积设备,在(100)面GaSb单晶衬底上生长了Ⅱ型InAs/GaSb超晶格材料.利用双晶X射线衍射、光学显微镜、原子力显微镜和光致发光谱等分析手段对材料特性进行了表征,获得了表面光亮的晶体质量较好的Ⅱ型InAs/GaSb超晶格材料,在77 K下得到光致发光谱峰值波长为3.25 μm.研究了生长温度、过渡层、界面层对其表面形貌的影响,得出生长温度在500 ℃～520 ℃,无过渡层,使用InAsSb界面层有利于改善材料的表面形貌.     

半导体超晶格系统中的磁电调控电子自旋输运研究

通过采用转移矩阵方法求解自旋电子隧穿过程,理论研究了半导体超晶格系统中电子自旋输运的磁电调控行为.结果表明：仅对超晶格系统施以磁调制,隧穿系数将出现自旋分裂,随磁场增强,电导自旋极化率变大且展宽于费米能区;若选取不变磁场情况,同时施以间隔周期电场调制,超晶格的电子极化率将有更为显著地提高.进一步发现,随电场强度的改变,电子自旋输运行为显然存在两个明显不同区域,下自旋电子将在不同调制区域表现为不同的变化趋势.然而,若对周期磁超晶格施加间隔两周期的电调制,自旋电导输运的临界行为消失,电导极化率在高能区的共振峰 关键词： 半导体超晶格 自旋输运 磁电调控     

室温下ZnCdSe-ZnSe组合超晶格的子带跃迁

通过在室温下对ZnCdSe-ZnSe组合超晶格结构的电调制反射谱的测量,观测到分别来自两组超晶格的激子跃迁,由曲线拟合出的跃迁能量与由包络函数近似计算得到的能量相符合。     

TiN／VN超晶格薄膜的切变弹性模量的计算

采用赝势方法计算TiN/VN超晶格薄膜的能带结构，并计算了TiN/VN超晶格原胞的总能量，进而得到了该材料的切变弹性模量C44随超晶格周期的变化关系，C44出现最大值时所对应的周期与实验值基本一致。     

超晶格和层状结构传热特性的连续模型及其在能源材料设计中的应用

层状材料和超晶格结构为提高热电材料和隔热涂层提供了新的设计思路, 并成为最近的研究热点. 应用连续波动方程和线性阻尼理论, 本文研究了此类材料中的声子输运特性. 给出了在整个相空间里的界面调制和声子局域化效应, 得出了超晶格材料热导率的上极限和下极限; 同时, 分析表明界面锐化加强了声子带隙, 使得部分模态的声子局域化加强. 最后, 通过对石墨烯/氮化硼超晶格(G/hBN)和硅/锗超晶格的分子模拟(Si/Ge), 验证了该理论模型. 该方法适用于所有的层状材料和超晶格结构, 对此类新能源材料的设计提供了普适的设计思路.     

Ge_xSi_(1-x)/Si超晶格中周期不均匀对折叠声学声子拉曼线宽的影响

本文报导了在 Ge_Si_(1-x)/Si 超晶格中观察到了超晶格周期不均匀导致的折叠声学声子拉曼谱线展宽,这种谱线展宽与折叠指数(m)有关,折叠声学声子的谱线越宽,m 相同的折叠声学声子具有相同的线宽。     

GexSi1-x/Si超晶格的X射线小角衍射分析

用分子束外延生长了23周期的Ge_xSi_1-x/Si超晶格,用计算机控制的衍射仪(CuK_a辐射)测量了X射线衍射曲线,共观察到13级超晶格结构的衍射峰。超晶格的周期和Ge平均含量可以根据考虑折射修正的布喇格定律得出。用光学多层膜反射理论分析衍射曲线可以确定超晶格的结构参数,第2级衍射峰与第一级峰的强度比对应于超晶格两种材料的相对厚度变化非常灵敏,通过比较实验和计算的I₂/I₁值,可以确定Si,Ge_xSi_1-x层的厚度以及合金组份x。用光学多层膜反射理谁计算得到的衍射曲线与实验曲线趋于一致。 关键词：     

基于光学超晶格和全固态激光技术的准白光激光器

激光显示作为新一代的显示技术,有着传统显示方式无法比拟的优势,而红绿蓝三基色/准白光激光器则是激光显示技术的基础。三基色激光可以通过多种技术获得,通过非线性频率转换技术获得三基色激光是其中的一种。基于准位相匹配技术的光学超晶格作为非线性晶体通过微结构的设计能同时完成多个光参量过程。把光学超晶格多波长频率转换功能和全固态激光技术结合在一起,可以实现红绿蓝三色激光的同时输出。在此基础上,通过控制三色光的功率比例还可以获得白光的视觉效果,可称为准白色激光。本文介绍了我们在这一方面的初步工作,并对这一领域的发展作了一些展望。     

剪切形变对硼氮掺杂碳纳米管超晶格电子结构和光学性能的影响

碳纳米管作为最先进的纳米材料之一, 在电子和光学器件领域有潜在的应用前景, 因此引起了广泛关注. 掺杂、变形及形成超晶格为调制纳米管电子、光学性质提供了有效途径. 为了理解相关机理, 利用第一性原理方法研究了不同剪切形变下扶手椅型硼氮交替环状掺杂碳纳米管超晶格的空间结构、电子结构和光学性质. 研究发现, 剪切形变会改变碳纳米管的几何结构, 当剪切形变大于12%后, 其几何结构有较大畸变. 结合能计算表明, 剪切形变改变了掺杂碳纳米管超晶格的稳定性, 剪切形变越大, 稳定性越低. 电荷布居分析表明, 硼氮掺杂碳纳米管超晶格中离子键和共价键共存. 能带和态密度分析发现硼氮交替环状掺杂使碳纳米管超晶格从金属转变为半导体. 随着剪切形变加剧, 纳米管超晶格能隙逐渐减小, 当剪切形变大于12%后, 碳纳米管又从半导体变为金属. 在光学性能中, 剪切形变的硼氮掺杂碳纳米管超晶格的光吸收系数及反射率峰值较未受剪切形变的均减小, 且均出现了红移.