第六章-低维和无序体系光谱.ppt

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1、第六章低维和无序体系光谱超晶格的吸收与发射光谱一维和零维体系光谱非晶体系的吸收光谱非晶体系的发光光谱低维体系：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（<100nm）或由它们作为基本单元构成的材料按维度分为：二维（2D）、一维（1D）、零维（0D）体系二维（2D）体系：薄膜、多层膜、超晶格体系---量子阱一维（1D）体系：纳米线、纳米带、纳米管、纳米同轴电缆、异质结与超晶格纳米线---量子线零维（0D）体系：原子团簇、胶体悬浮颗粒、纳米颗粒---量子点低维体系(a)低温（4K）下将单个的Xe原子在Ni的表面排列出IBM的标识；(b)Fe原子在Cu(111)表面构成一个量子

2、栅栏，栅栏内的波纹是由表面态电子的散射引起。利用扫描隧道显微镜(STM)构造纳米尺度的结构Block-by-blockgorwthofsing-crystallineSi/SiGesuperlatticenanowires,YiyingWu,RongFan,andPeidongYang,NanoLetters,Vol.2(2),83-86,2002Si/SiGe超晶格纳米线下图（FE-SEM像)，纳米带的宽度为100~500nm，厚度在10~30nm之间，长度在10µm以上ZnO:In纳米带右图（TEM像）：插图是其电子选区衍射（SAED）像；LargeScaleFabr

3、icationofFlexibleAg/Cross-LinkedPVACoaxialNanocablesbyaFacileSolutionApproachLinbaoLuo,Shu-HongYu*,Hai-ShengQian,TaoZhou,J.Am.Chem.Soc.2005,127,2822-2823.超晶格的吸收与发射光谱超晶格的能量状态XZYEc1Ev1Ec2Ev2Eg2Eg1d2d1l∆Ec∆Ev超晶格多量子阱能带结构示意图ABABABABABAB考虑单量子阱情况，即势垒足够厚时可将单量子阱比拟成单个原子，原子间距大大时，为单一能级，间距减小，单一能级展宽成能带

4、。电子在Z方向的运动被限制在势阱中，则能量状态为电子（空穴）在Z方向能量为定域能级，X，Y方向仍为准连续能谱量子阱的多支抛物线状能谱超晶格的吸收光谱量子阱中电子和空穴的态密度为台阶型，其联合态密度也为台阶结构选择定则：半导体GaAs态密度和吸收光谱（a）三维晶体的带间吸收光谱（b）二维台阶状态密度和三维态密度（虚线）（c）二维体系的带间吸收光谱台阶上的锐峰为激子吸收峰为什么？超晶格GaAs/Ga0.8Al0.2As在T=2K时的吸收光谱实验结果随着势阱层的减薄，吸收边蓝移；厚度增加到400nm时，吸收同体材料类似。以上实验结果和分析的意义采用近代薄膜技术，可以人工制造量子

5、力学意义上的一维周期性势阱，证明了量子力学关于在势阱中运动的粒子能量的量子化理论；与三维晶体不同，在二维体系中出现了台阶状联合态密度和台阶状吸收光谱，说明有效质量近似在二维体系中同样适用；由于量子尺寸限域效应，二维体系的吸收边比相应的三维固体的吸收边蓝移，这种蓝移量的大小，可通过调节势阱层厚度，也就是通过能带工程来控制。超晶格的发光光谱由于量子限域作用：电子-空穴的复合发光效率显著提高电子-空穴易形成激子发光蓝移应用：利用MQW结构，可制备波长可调（尤其是蓝光或紫外波长）和高效发光的LED和LDGaAs/Ga0.67Al0.33As多量子阱室温下的PL光谱GaN多量子阱蓝

6、色发光二极管结构示意图e-lhe-hh一维和零维体系光谱量子尺寸效应：一个e-h系统能量，除T和U外还应考虑量子尺寸限域能设晶粒尺寸为R，激子的等效波尔半径为aB=ae+ah分三种情况：弱限域效应：R>>aB，R>>ae，R>>ah体系能量主要由库仑作用决定，量子限域作用表现为蓝移效应体系能量主要由量子限域作用（附加能大）决定，库仑作用看成微扰e和h尺寸限域效应不同，h在强限域的e中运动，之间发生库仑作用强限域效应：R<>ahCdS激子能量随着晶粒尺寸的变化，表现为蓝移一维和零维体系态密度一维体系：Nz(E-Eg)-1/2，N

7、x,y为函数，故为须状曲线，光谱为分离谱线XYZ零维体系：Nx,y,z为函数，故为线状结构，光谱为更窄的线谱一维和零维体系光谱镶嵌在硅酸盐玻璃中的纳米颗粒在4.2K的激子吸收谱1:31nm2:2.9nm3:2.0nm1:24nm2:3.6nm3:2.3nm1:33nm2:2.3nm3:1.2nmCuCl纳晶吸收光谱的峰值能量与晶粒尺寸的关系由于晶粒尺寸有一定分布，故为带谱弱限域效应强限域效应非晶体系的吸收光谱非晶固体的能带结构微晶无规网络无定型材料的两种结构模型掺杂和无序引起的带边的演化(a)完整晶体;(b)只有一个局域不