晶格振动对激子内部运动的影响

我们利用Haga研究极化子时所提出的微扰法,讨论极化晶体中由于晶格振动对激子内部运动的影响,从而修正了激子内部运动的有效约化质量;并且修正了激子基态的能量。     

激子理论

本文综述了我们近年来在激子理论方面的部分工作。第二节中从Frohlich激子一声子系哈密顿出发,用Haga研究极化子时提出的微扰法导出了激子的基态能量、有效质量以及内部势能;对激子的自陷条件、Wannier激子的稳定性等问题进行了分析,对于大激子和小激子两种极限情形,导出了能量和波函数的解析式;对于激子半径与屏蔽长度相近的中间情形,计算了激子的结合能,与实验值作了比较,较之他人的结果有了很大的改进。第三节中计及离子晶体的原子结构,用紧束缚法导出了Frenkel激子的自陷能和有效质量,导出了有效质量与温度的关系,计算了小激子的自陷能并与第二节所得的结果作了比较。第四节中对压电晶体,考虑声学声子与电子、空穴的作用,异出了激子的有效哈密顿,对压电激子的自陷能、有效质量以及电子空穴有效作用势作了讨论。第五节中讨论极性晶体中的表面激子,计及表面光学声子与电子—空穴的作用,导出了极性晶体中理想表面激子的有效哈密顿,对表面激子的自陷条件、电子—空穴有效作用势作了分析,并和体激子作了比较。     

一维晶体中光激子的有效哈密顿量

近年来,不少作者对激子和声子的作用进行了研究,对于晶格振动对激子运动的影响的三维情况也有人做了研究,指出其形成自陷条件的电子空穴质量比0.261<μ_e/μ_n<3.83,用变分法有人作过一维晶体光激子情形,其结果和我们用Haga微扰法得到的结果相仿。在电子空穴质量比0.678<μ_e/μ_n<3.732时,激子是稳定的。离子晶体中激子—光学声子哈密顿量:     

晶格振动对激子运动的影响

在本文中用Haga研究极化子时提出的微扰法讨论晶格振动对激子运动的影响。把作者过去的工作推广到电子和空穴质量不相等的普遍情形,在忽略反冲效应中不同波矢的声子之间的相互作用时,导出了激子的基态能量、有效质量、约化质量和内部势能。指出:激子的有效质量和电子、空穴与声子的相互作用有关;激子的约化质量不仅和电子、空穴与声子的相互作用有关,而且还和电子、空穴质量比有关;激子形成自陷态的条件并非由电子、空穴与声子相互作用的大小,而是由电子、空穴质量比决定,形成激子自陷的条件是电子、空穴质量比0.261<μ_e/μ_k<3.83。在μ_e/μ_k<0.261或μ_e/μ_k<3.83的情形,激子在极化晶体中并不形成自陷态。     

Frankel激子的有效质量与温度的关系

将作者讨论极化子的一种方法[1]推广到激子的情形,导出了激子有效质量随温度变化的关系式。第2期研 极性晶体中激子晶格系的哈密顿究简报 h“刁2 hZ日2月=一一万~一--二-不‘一一一二二—一二不 艺脚1 Ox宝艺脚2 dx奋一冬十万hvwb奋bw+万hv妥b扩b妥 1 ww+艺[Vi(x;一a:一x:)+玖(x:一a:一x:)+才 +Vi(x1一a;一x刀+瑕(x:一a二一x;)1(l)上式各项分别为电子和空穴的动能、电子空穴间的库仑势、光学支和声学支振动能、电子与正离子、空穴与正离子、电子与负离子以及空穴与负离子间的库仑作用能。 将激子晶格系的哈密顿分为两部分 H=H+H‘(2) hZ…     

极化晶体中的电子

在本文中研究极化晶体中电子的性质,计及晶格的原子结构,用二次量子化方法描述晶格的振动以及它和电子的相互作用,用紧束缚方法导出了极化子基态的能量     

二维极化子有效质量与温度的关系

本文计及晶格的原子结构讨论了极化晶体中二维极化子的性质。用二次量子化方法处理晶格振动及其与电子的相互作用,导出了二维极化子的自陷能和有效质量,给出了二维极化子有效质量与温度的关系。     

极化晶体中的激子

在本文中采用Haga研究极化子时提出的微扰法討論极化晶体中的激子,在忽略反冲效应中不同波矢的声子之間的相互作用时,导出激子的基态能量和有效质量。     

压电晶体中表面极化子的性质

研究了压电晶体中表面极化子的性质．首先用微扰法导出了压电晶体中表面极化子的有效哈密顿量，有效质量以及电子-表面声学声子作用的有效势，进而用变分法计算了表面态能量．研究结果指出：表面极化子的自陷能、有效势和有效质量不仅与压电常数、质量密度、声速、声子的德拜波数有关，而且也与电子至表面的距离有关．随着电子远离晶体表面，有效势、有效质量逐渐减小．压电晶体中电子-声学声子作用诱生的有效势是库仑型的，它使电子的能级降低，形成表面态．     

离子晶体中激子与晶格振动的相互作用

利用佛尔頓的变分函数,計算了激子——晶格互作用对激子的能级和有效貭量的影响,在有限温度下,除了圍繞激子的虛声子外,还存在实声子(晶格的热振动)激子与声子的作用使激子的能级降低,有效貭量增加,且二者都与温度有关。在絕对零度下,結果与利用古拉列的变分函数得到的結果一致。     

晶体薄膜中激子的有效半径与能级结构

应用等效哈密顿方法［１］研究了晶体薄膜中Ｗａｎｎｉｅｒ激子的能级结构。但本文中考虑了激子有效半径随薄膜厚度的变化及其对能级结构的影响。具体对ＧａＡｓ晶体薄膜作了计算。得到了不同薄膜厚度下激子的结合能和基态、第一激发态的能量。     

极性晶体表面激子在外磁场中的性质

我们采用顾世洧研究体内激子的方法,讨论了极性晶体表面激子在法向恒定弱磁场中的性质。计及晶格振动表面模的影响,对慢激子导出了表面激子的自能、有效作用势,以及重整化质量。我们发现激子的自能不仅与电子、空穴质量比有关,而且与磁场强度有关,磁场的作用使激子的自能变大。     

非极性晶体中的声学形变势激子

本文采用顾世洧研究激子所采用的方法,研究了非极性晶体中纵声学振动通过形变势对激子性质的影响。在忽略反冲效应中虚声子间的相互作用的近似下,导出了激子的基态能量,有效质量,约化质量和内部势能。发现激子的自能与晶体中电子和空穴的质量比以及导带底和价带顶的形变势常数有关,并且就几种特殊情况作了讨论。     

NiSi薄膜的拉曼研究

在Si(100)衬底上通过电子束蒸发法外延生长晶体取向单一的NiSi薄膜材料. 利用极化拉曼实验分析技术并结合群论以及晶格振动理论对NiSi薄膜拉曼峰的对称性进行指认. 在此基础上计算了各类声子峰对应的晶格振动模式. 我们还讨论了两种不同的激光退火方法对晶体质量的影响.     

激子极化激元光子学研究进展

研究光与物质相互作用是腔量子电动力学的一个重要方向.早在20世纪50年代,黄昆先生就提出了固体环境中的光子与晶格连续作用的时间演化图像,并指出光子-声子时间上连续不断的相互转化会在物质中形成声子极化激元波,从理论上计算了声子极化激元波的色散关系.Hopfield把这种图像推广到半导体环境中的光子-激子作用上.随后人们在微腔中实现了单原子、单量子点激子的真空拉比振荡.随着半导体微腔生长和微纳加工工艺的提高,激子极化激元的凝聚、超流、涡旋等宏观量子态被实验证明.通过控制微腔结构和光场调控的手段,人们进一步实现了对宏观量子态的相干调控.有机半导体、钙钛矿、二维半导体等新材料体系展现了极大的激子束缚能,有望实现室温量子器件的制备.微腔激子极化激元的研究进入了黄金时代.本文首先从激子极化激元的基本图像入手,详细介绍激子极化激元的概念、色散关系以及常见的激子极化激元体系.其次,总结了研究微腔激子极化激元的材料体系和实验方法,详细介绍了平板微腔和微纳材料自构型微腔的工作原理和具体实例,以及共焦显微荧光光谱和角分辨荧光光谱.第三,对激子极化激元的量子调控进行了总结.详细介绍了激子极化激元的重要宏观量子态以及通过微纳加工和光场调控的方式对宏观量子态的操控.具体分析了两个量子态操控的实例,包括氧化锌超晶格中多重量子态的制备以及凝聚体的参量散射过程.第四,对新型材料中激子极化激元的研究进行了总结,包括二维半导体、有机半导体和钙钛矿.最后,对本文进行总结,并且从理论、实验的角度分别预测了该领域的发展趋势.     

二维晶体中的声激子

本文采用Huybrechts研究极化子提出的线性组合算符方法,讨论了晶体中表面激子和表面声学声子的相互作用,导出了强、弱耦合下表面激子的有效哈密顿量。发现自陷能与电子和空穴的质量比和瑞利波速有关。     

一维极性分子链中的非线性效应

运用连续极限近似方法，通过求解声子和激子的运动方程，得到了在不考虑激子与声子的相互作用和考虑激子与声子相互作用两种情况下的极性分子简谐链和非简谐链中晶格振动的孤子解，并得出了激子与声子的相互作用的非线性效应类似于晶格三次势的非线性效应，以及相同的非线性效应不论是同时作用还是单独作用都具有相同的非线性效应的结论。     

二维晶体中的声激子

本文采用Huybrechts研究极化子提出的线性组合算符方法,讨论了晶体中表面激子和表面声学声子的相互作用,导出了强、弱耦合下表面激子的有效哈密顿量。发现自陷能与电子和空穴的质量比和瑞利波速有关。     

极化子有效质量与温度的关系

极化子的有效质量与温度的关系在许多作者之间一直存在着对立的看法,有些作者认为极化子的有效质量随温度升高而变大,另一些作者则认为极化子的有效质量随温度上升而变小。我们基于Sewell的工作,改用场论方法进行计算。计及晶格的原子结构,电子晶格系的哈密顿为     

一维晶体中形变势声学激子的性质

用 Haga 处理极性晶体中极化子时所采用的变分法,导出了一维晶体中通过形变势和声学声子相作用的激子的有效哈密顿量