半导体纳米结构物理性质的理论研究--2004年国家自然科学二等奖获奖项目介绍

半导体纳米结构是纳米材料的一个重要组成部分,纳米结构的电子和光子器件将成为下一代微电子和光电子器件的核心.半导体纳米结构有多种多样,如自组织量子点、纳米晶体、硅团簇、量子结构等,它们可以制成各种纳米电子学器件.根据以上几类半导体纳米结构,文章介绍的获奖项目提出了研究半导体纳米结构电子结构的四个理论,并利用这些理论研究了它们的电子态和物理性质,发现了许多新的效应.这些理论包括：一维量子波导理论、孤立量子线、量子点的有效质量理论、异质结构的空穴有效质量理论、经验赝势同质结模型.专著〈半导体超晶格物理〉全面系统地介绍了超晶格物理的概念、原理、理论和实验结果,主要总结了获奖项目参加者所在的研究组在超晶格物理研究方面所取得的成果.     

半导体量子点及其应用(Ⅰ)

量子点，又称“人造原子”，它是纳米科学与技术研究的重要组成部分，由于载流子在半导体量子点中受到三维限制而具有的优异性能，构成了量子器件和电路的基础，在未来的纳米电子学、光电子学，光子、量子计算和生命科学等方面有着重要的应用前景，受到人们广泛重视，文章分为Ⅰ、Ⅱ两个部分：第Ⅰ部分介绍了半导体量子点结构的制备和性质；第Ⅱ部分介绍了量子点器件的可能应用。     

微腔增强发射的半导体量子点单光子源

单光子源是实现量子密匙分配、线性光学量子计算的基本单元。作者回顾了单光子源在量子信息科学发展中的作用,讨论了光子的统计特性,分析了具有类似原子二能级结构的半导体量子点作为单光子发射源的特点,介绍了微腔与二能级系统的耦合以及微腔量子电动力学基本原理。在弱耦合区,Purcell效应导致微腔中量子点激子复合寿命降低,因此可用微腔来改善量子点单光子发射效率。文章总结了近年来在半导体微腔增强量子点单光子发射领域的进展,探讨了分布式布拉格反射微腔、柱状微腔和光子晶体微腔等结构对改善半导体量子点单光子发射和收集效率、光子极化以及光子全同性等方面的作用,并对未来半导体量子点单光子源的发展进行了展望。     

用于超快、高效系统的半导体纳米结构光子器件

首先对未来系统光子器件的关键问题进行了综述。并且对半导体纳米结构,特别是基于量子点材料的超快开关器件取得的最新进展进行了讨论。其中包括基于量子点的半导体光放大器,其在超过40Gb/s的速率下展现出偏振不敏感特性;新型基于量子点的垂直腔结构的光开关,其展现出超快、节能、全光开关的特性。概括和讨论了未来基于纳米结构的光子器件的应用。     

半导体量子器件物理讲座 第一讲 异质结构和量子结构

随着半导体材料超薄层外延生长和微细加工技术的进展,人们已研制成功多种多样的半导体量子器件,以量子理论为基础,以半导体量子器件为研究对象,形成了一门新的学科－半导体量子电子学和量子光电子学,文章着重介绍半导体异质结构和量子结构,包括其能带结构、态密度分布等性质。     

基于半导体量子点的片上手性纳米光子器件

手性量子光学在量子信息技术研究领域中受到了广泛的关注,其主要研究光在微纳结构中自旋依赖的手性耦合及传输行为。利用手性光与物质的相互作用可以增强光子与量子发射器的耦合,赋予纳米光子器件新的功能和应用,从而推动手性量子光学在量子信息领域中的大规模应用。主要对基于半导体量子点的片上手性纳米光子器件进行了综述,重点讨论了半导体量子点的光学性质和手性光与物质相互作用的物理机制,在此基础上对近年来应用手性耦合原理实现的多功能手性光子器件进行了总结,并对手性量子光学的未来应用场景进行了展望。     

电子体系与光子体系

文章将电子与光子以及二者在不同的约束结构（孤立原子与光子点，孤立分子与光子分子，半导体晶体与光子晶体）中的行为作了类比，揭示电子体系和光子体系有很高的可比性。     

偶极子位置及偏振对激发光子晶体H1微腔的影响

光子晶体微腔和量子点的集成是实现量子信息处理非常具有潜力的平台之一,利用微腔和量子点的耦合可以制备纠缠光子对,实现对量子态的操控.因为光子晶体微腔具有品质因子高、模场体积小等优点,可以极大地增强光与物质之间的相互作用,从而易于实现量子态在不同物理体系之间的转换.通过单量子点和光子晶体H1微腔的耦合可以产生纠缠光子对,因为H1微腔具有简并的、模式偏振正交的基态模式.通常微腔模式的激发随着量子点在微腔中的位置变化而改变,本文用时域有限差分方法研究了偶极子光源的位置及偏振对激发光子晶体H1微腔模式的影响.结果表明:通过改变偶极子光源位置可以选择性地激发H1微腔简并模式中的一个;具有某一偏振的偶极子光源只能激发相应偏振的微腔模式;模式激发强度的大小也是由偶极子光源在微腔中的位置决定的.鉴于目前量子点在微腔中的位置尚不能精确控制,所以微腔模式受激发光源位置的影响的研究具有重要意义.     

单量子点的发光与应用EI北大核心CSCD

由于量子限制效应,自组装半导体单量子点具有类似于原子的分立能级,可实现高不可分辨、高亮度和高纯度的单光子发射,其多种激子态能够产生不同偏振模式的光子。而光学微纳结构是调控量子点发光性质的有效手段,当单个量子点与光学微腔发生弱耦合时,Purcell效应将大大提高量子点作为单光子源或纠缠光子对源的性能。同时,量子点与光学微腔的强耦合系统可以作为量子光学网络中的量子节点,以及用于研究单光子水平的光学非线性效应。利用量子点与光学波导的耦合可实现固态量子比特和飞行光子比特的相干转换,以及高效的信息处理与传输,由此构建可靠的片上光学网络。此外,单量子点还具有可操控的自旋态,可作为量子比特的载体。考虑到量子点器件的制备过程易与成熟的半导体技术相结合,基于量子点的器件设计具有良好的可扩展性和集成化潜力。     

量子阱中电子自旋注入及弛豫的飞秒光谱研究

采用飞秒脉冲的饱和吸收光谱方法研究了GaAs/AlGaAs多量子阱中电子自旋的注入和 弛豫特性，测得电子自旋极化弛豫时间为80±10ps.说明了电子自旋 轨道耦合相互作用引 起局域磁场的随机化，是导致电子的自旋极化弛豫的主要机理. 关键词： 自旋电子学 半导体量子阱 飞秒激光光谱 自旋 轨道耦合     

二维点缺陷正方光子晶体的微腔结构

通过平面波展开法对由Al₂O₃介质棒在空气背景介质中构成含有点缺陷的二维正方光子晶体微腔结构进行研究,计算得出缺陷态能带以及缺陷态模场分布。缺陷模对应的电磁波波长为470~476nm。对该微腔结构的品质因数的求解,得出缺陷态光谱曲线。在光谱曲线中,随着传输波长的增大,将产生几个峰值,并且在475nm处的波动最为明显,反映出在475nm附近的电磁波段在缺陷处的光强较大。进一步利用全矢量等效折射率法研究该结构缺陷模频率的稳定性,得出等效折射率的变化曲线。从等效折射率变化曲线可以看出,当传输波长达到475nm时,该结构已经达到稳定传输的区域。含缺陷模的二维光子晶体微腔结构在光子晶体发光二极管以及高阈值半导体激光器等方面有着重要的应用价值。     

基于原子操纵技术的人工量子结构研究

扫描隧道显微镜原子操纵技术是指利用扫描探针在特定材料表面以晶格为步长搬运单个原子或分子的技术.它是纳米尺度量子物理与器件研究领域一种独特而有力的研究手段.利用这种手段,人们能够以原子或分子为单元构筑某些常规生长或微加工方法难以制备的人工量子结构,通过对格点原子、晶格尺寸、对称性、周期性的高度控制,实现对局域电子态、自旋序、以及能带拓扑特性等量子效应的设计与调控.原子操纵技术与超快测量及自动控制技术的结合,使得人们能够进一步研究原子级精准的量子器件,因而该技术成为探索未来器件新机理、新工艺的重要工具.本文首先简介原子操纵方法的发展过程和技术要点,然后分别介绍人工电子晶格、半导体表面人工量子点、磁性人工量子结构、人工结构中的信息存储与逻辑运算、单原子精度原型器件等方面的最新研究进展,以及单原子刻蚀和自动原子操纵等方面的技术进展,最后总结并展望原子操纵技术的应用前景和发展趋势.     

Spin dynamics and quantum transport in magnetic semiconductor quantum structures

Quantum structures derived from magnetic semiconductors serve as a powerful arena within which to study the interplay between quantum electronics and thin film magnetism. In particular, the semiconductor aspects of these flexible systems allow direct access to the electronic spin degrees of freedom using both magneto-optical as well as magneto-transport probes. Here we provide an overview of recent developments in the experimental study of II–VI magnetic semiconductor quantum structures, with particular emphasis on the dynamical behavior of field-tunable electronic spin states and spin-dependent quantum transport.     

二维正方晶格各向异性光子晶体缺陷模

为了得到对TM和TE模具有相同缺陷模的共振微腔,通过在完整各向异性碲介质柱二维正方光子晶体中,引入各向同性的介质圆柱作为点缺陷,利用超胞平面波展开法计算该光子晶体的缺陷模,系统计算了在同时改变点缺陷介质柱介电常数和半径两种情况下的两种偏振缺陷模的变化规律。结果表明,在完全禁带中,缺陷介质柱介电常数从5.44变化到38.44、半径与晶格常数的比从0.05变化到0.50的整个区域,均会出现对TM和TE模具有相同缺陷模,且随着介电常数的减小,缺陷模随着缺陷半径的变化趋于缓慢,归一化共振频率在0.241 8~0.243 2之间可调,在引入ε_e＜ε_o的各向异性介质柱缺陷时,亦可得到对TM和TE模具有相同缺陷模,且共振频率的可调范围增大,该研究为光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

电子的谷自由度

电子在晶格周期性势场影响下的运动遵循布洛赫定理. 布洛赫电子除了具有电荷和自旋两个内禀自由度外, 还有其他内禀自由度. 能带色散曲线上的某些极值点作为谷自由度, 具有独特的电子结构和运动规律. 本文从布洛赫电子的谷自由度出发, 简单介绍传统半导体的谷电子性质研究现状, 并重点介绍新型二维材料体系, 如石墨烯、硅烯、硫族化合物等材料中谷相关的物理特性. 有效利用谷自由度的新奇输运特性, 将其作为信息的载体可以制作出新颖的纳米光电子器件, 并有望造就下一代纳电子器件的新领域, 即谷电子学(valleytronics).     

自旋电子学和自旋流

传统的电子学完全忽略了电子自旋,这使人们在探索未来半导体工业发展时有了新的契机和可能的研究方向.自旋电子学旨在利用电子自旋而非传统的电子电荷为基础, 探讨研发新一代电子产品的可能性.文章简单介绍了自旋电子学的动机、物理基础以及研究内容,并重点介绍了在自旋电子学器件中起关键作用的自旋流.文章从自旋流的定义、它能产生的物理性质和最近有关自旋流探测的理论和实验进展等三个方面进行阐述.     

SNOM应用于光电材料和器件的光学特性的探测和表征

介绍了近场光学及近场探测的原理 ,给出了其用于光电器件研究中的一些结果。近场光学方法具有超衍射分辩的本领和纳米局域光场探测的能力 ,适用于多种光电材料的探测与表征 ,包括 :LD、光纤波导器件、光子晶体器件等。纳米局域光场和倏逝场的探测发现了许多远场探测无法得到的结果 ,为光电器件纳米结构的研究提供了有力证据     

聚焦离子束研制半导体材料光子晶体

介绍了利用聚焦离子束设备在多种半导体材料上成功研制的近红外波段二维光子晶体，给出了相关微加工结果，发现微加工的尺寸和理论设计尺寸相吻合；测试了所加工的无源光子晶体光子带隙和有源光子晶体的发光谱. 实验证明聚焦离子束可以研制二维光子晶体及相关光子晶体器件. 关键词： 聚焦离子束 半导体材料 光子晶体     

铅卤钙钛矿法布里-帕罗谐振腔激光器

随着后摩尔时代的到来,对大容量、高速度信息处理的需求使得半导体器件应用由电子集成转向光子集成,高性能微纳激光器是实现光子集成的重要环节.种类丰富的半导体材料促进了半导体微纳激光器的快速发展,近年来,随着大量新型半导体材料(如二维半导体、铅卤钙钛矿等)的涌现,有望实现半导体微纳激光器性能的进一步提升.由于钙钛矿材料具有高光吸收、缺陷高容忍、激子结合能大等优异光学性质,使其成为高增益、低阈值半导体微纳激光器的优秀候选材料.法布里-珀罗(F-P)谐振腔激光器是钙钛矿激光器中研究广泛、结构简单、应用价值较高的一类激光器.本文以铅卤钙钛矿F-P谐振腔激光器为例,对其工作机理以及近年来的研究成果进行综述,从激子与光子弱耦合的光子激光和强耦合的极化子激光两个方面出发,详细介绍了钙钛矿材料既作为增益介质又作为谐振腔的F-P结构激光器以及仅作为增益介质的F-P腔激光器的激光的产生原理和影响因素,最后总结了钙钛矿F-P谐振腔激光器当前面临的挑战,展望了其进一步发展可能具备的前景.     

Spintronic with semiconductors

Soon afterwards the discovery of the giant magnetoresistance in metallic multilayers, researchers have attempted to integrate spintronic properties with semiconductor materials. They came up against several difficulties related to the structural and electronic properties of the ferromagnetic metal-semiconductor interface. We will report on the recent progress made in this field of spintronic with semiconductors. First of all we will explain the interfacial resistance conditions required to inject and detect efficient spin current in a semiconductor and in a second part we will show that efficient spin injection experiments have been now achieved thanks to the addition of a tunnel resistance at the interface. We will then report on the magnetoresistance experiment performed with diluted magnetic semiconductors as ferromagnetic material. This type of material can constitute an alternative road to achieving electrical control spintronic devices. Finally, we will finish by reporting on research for a highly spin-polarized source to inject spin-polarized current in a semiconductor. It will be mainly focused on tunnel magnetoresistance junctions with semiconductor barriers and hot electron transistor. To cite this article: J.-M. George et al., C. R. Physique 6 (2005).