硅量子点表面钝化的发光研究

通过第一性原理模拟计算发现，对硅量子点表面的钝化条件不同，引入的局域态也不同。我们分别用Si=0和Si-O-Si键对量子点表面进行钝化，在带隙中引入了局域态；而分别用Si—H和岛一OH键对量子点表面进行钝化，在带隙中没有引入任何局域态。结合硅量子点的制备实验和发光的检测，可以解释硅量子点在不同条件下的发光机理。     

硅量子点表面掺氮的电子结构计算

本文在量子点表面掺入氮原子,用第一性原理方法模拟计算硅量子点（111）面上的电子结构.本文主要解决两个问题：（1）比较研究六种不同大小的量子点结构掺杂和未掺杂氮原子情况下的带隙宽度和电子态密度变化;（2）分别用广义梯度近似（GGA）和局域密度近似（LDA）两种不同的算法计算六种量子点结构的带隙宽度和态密度,并比较GGA和LDA算法的特点.计算结果发现：带隙随着量子点的尺度变小而展宽,这符合量子受限规律;在量子点表面掺杂氮原子会减小带隙宽度;重要的是发现LDA算法对局域态更加敏感.     

氧气中加工生成硅量子点的受激发光

用纳秒脉冲激光辐照加工生成硅量子点结构,经过适当退火后,在605 nm和693 nm处检测到受激发光峰并能观察到有明显的光增益现象和阈值行为。通过在硅量子点表面建立Si-O-Si桥键和Si=O双键键,用第一性原理对氧气中用激光加工的硅基量子点的电子态密度进行模拟计算,结果表明两种键在量子点中都形成局域态,但局域态位置不同。结合理论和实验,得出产生受激发光峰增强效应和阈值行为的主要原因,并提出硅量子点纳米激光这一新思想,量子受限效应决定激光的抽运能级,局域态在导带和价带之间为粒子数反转提供必要条件。     

Ⅲ族氮化物量子点中类氢杂质态结合能

在有效质量近似下,运用变分方法,考虑内建电场（BEF）效应和量子点的三维约束效应,研究了纤锌矿结构的GaN／Al,Ga1-xN,InxGa1-xN／CaN柱形量子点中类氢杂质态结合能随量子点的结构参数（量子点高度L和量子点半径尺）、Al或In含量和类氢杂质位置的变化规律,并计算了考虑量子点内外电子有效质量不同后对杂质态结合能的修正．结果表明：类氢杂质位于量子点中心时,杂质态结合能随量子点高度、半径的增加先增大后减小,存在最大值．对GaN／Al;Ga1-xN量子点,随着Al含量的增加,杂质态结合能增大;杂质从量子点下界面沿z轴上移至上界面过程中,结合能存在最大值．对InxGa1-xN／GaN量子点,随着In含量的增加,结合能先缓慢增大后缓慢减小,存在最大值;杂质从量子点下界面沿z轴移至上界面过程中,杂质态结合能增大．量子点内外电子有效质量的失配使杂质态结合能增大。     

氮化物半导体量子点核-壳结构杂质态的结合能

在连续介电模型和有效质量近似下,采用变分法从理论上研究了GaN/Al_xGa_(1-x)N量子点核-壳结构中杂质态结合能,计算了该结构中杂质态结合能随量子点核-壳结构核尺寸、壳尺寸、Al组分以及杂质位置的变化关系.结果表明:杂质态结合能随着量子点半径(核和壳尺寸)的增加单调减小;当杂质位置到量子点中心距离d增加时,杂质态结合能呈现先增大后减小的趋势,出现一极大值;杂质态结合能随Al组分的变化受杂质位置影响较大,呈现不同的变化趋势,且变化比较明显.     

准周期光子晶体的态密度

本文研究了准晶光子晶体的局域态密度和全态密度.结果表明,准晶光子晶体的局域态密度分布具有和准晶光子晶体完全相同的对称性,带隙内光子晶体中的态密度很小,不同的准晶光子晶体的局域态密度随介电材料的占空比的变化是不同的,这对构造准晶光子晶体是非常重要的.准晶光子晶体的全态密度所显示的带隙和透过率显示的带隙的一致性表明准晶光子晶体在某种程度上是各向同性的.     

界面效应对GaN/Ga1-xAlxN量子点中杂质态的影响

在有效质量近似下采用变分法以及界面处导带弯曲用三角势近似,研究了氮化物半导体GaN/Ga1-xAlxN材料中杂质态的结合能随量子点尺寸及电子面密度的变化关系.结果表明,导带弯曲对结合能的影响不容忽视.当电子面密度较大时候,随着量子点尺寸的增大,杂质态结合能随电子面密度的增大呈线性变化,而在电子面密度较大时,结合能随着量子点半径的增加而迅速减小,且在某个尺寸附近出现极小值,然后缓慢增大.与其不同的是,对Zn1-xCdxSe/ZnSe结构,结合能则随着量子点半径的增加呈现非线性单调减小.     

硅基超晶格Ⅵ(A)/Si6/SiO2/Si6/Ⅵ(A)的电子结构

硅的有效光发射是硅基光电器件研究的一个关键问题,因此一直受到广泛的关注.本文采用第一性原理对新的硅基材料Ⅵ(A)/Sim/SiO2/Sim/Ⅵ(A)(m=6,Ⅵ(A)=O,Se)的能带结构、态密度和电荷密度等进行了计算研究.通过改变掺入Ⅵ(A)族原子氧和硒的对比,分析了SiO2层、不同的Ⅵ(A)族原子以及它们与最近邻Si原子的相互作用对硅基材料电子性质的影响.研究表明,在局域密度近似(LDA)下,O/Si6/SiO2/Si6/O结构在X点存在准直接带隙的特征,而Se/Si6/SiO2/Si6/Se在Γ点存在很小的直接带隙.     

间接带隙纳米半导体材料的量子限制理论

研究了间接带隙材料量子点的量子限制理论,阐明了间接带隙到直接带隙光跃迁性质的转变机理,计算了激子跃迁能和激子结合能,这些理论结果提示了在纳米 Si、Ge 发光过程中的量子限制效应的重要性。     

纳秒脉冲激光制备的纳米硅光致发光研究

在氧气、空气或氮气环境中,用脉冲激光辐照加工出的纳米硅有较强的PL发光,将这些PL光谱进行高斯去卷积处理,可以得到不同的子峰,这是因为在氧气、空气或氮气中加工出的纳米硅能带带隙中有与氧和氮有关的局域态。结合 计算结果,在纳米硅中Si=0双键和si—N键等可引入的局域态对PL发光有贡献。