纤锌矿ZnO量子阱中的极化子效应_张国庆

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1、第４２卷第５期内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版）Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．５２０１３年９月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｓｅｐｔ．２０１３纤锌矿ＺｎＯ／ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ量子阱中的极化子效应张国庆，赵凤岐，李志强（内蒙古师范大学物理与电子信息学院，内蒙古呼和浩特０１００２２）摘要：采用Ｌｅｅ－Ｌｏｗ－Ｐｉｎｅｓ（ＬＬＰ）变分法，研究了纤锌矿ＺｎＯ／ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ量子阱中自由极化子能量和电子－声子相互作用对极化子能量的影响，给出极化子基态能量、跃迁能量，以及电子－声子相互作用对基态能量的贡献

2、随阱宽和组分的变化关系．结果显示，极化子基态能量和跃迁能量随着量子阱宽度的增大而减小，最后趋近于ＺｎＯ体材料的三维值．在窄阱中，界面声子对极化子能量的贡献大于定域声子的贡献，而在宽阱中，情况正好相反．纤锌矿ＺｎＯ／ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ量子阱中电子－声子相互作用对极化子能量的贡献比较大，远大于ＧａＡｓ／ＡＩｘＧａ１－ｘＡｓ量子阱中的相应值，因此讨论电子态能级问题时应考虑电子－声子相互作用．关键词：纤锌矿ＺｎＯ量子阱；电子－声子相互作用；极化子效应；极化子能量中图分类号：Ｏ４７１．３文献标志码：Ａ文章编号：１００１－－８７３５（２０１３）０５－－０５２７－－０５［１］ＺｎＯ是一种新型

3、的Ⅱ－Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，具有良好的化学稳定性和热稳定性，［２］［３－４］特别是在蓝光和紫外光方面的应用潜力很大，被认为是最有希望的纳电子和光电子材料．ＺｎＯ可用于［５－６］紫外光发射器件（ＬＥＤ）、激光二极管（ＬＤ）、太阳能电池和气敏传感器等，已成为光电子领域的研究热点．ＺｎＯ半导体有闪锌矿和纤锌矿两种结构，纤锌矿具有单轴异性、宽能带、多支独特声子等特性，其中声子以［７］［８－９］混合模（类纵模和类横模）的形式出现．ＺｎＯ量子阱材料是继ＧａＮ量子阱材料之后新的短波长半导体材料，随着高质量半导体薄膜生长技术的发展，用分子束外延等技术，人们已成功制备了ＺｎＯ量子阱

4、材料，［１０］如Ｍｇ掺杂ＺｎＯ（ＺｎＯ／ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ）可以实现禁带宽度连续可调，而且已用于太阳能电池方面的研究．近年来，人们对ＺｎＯ量子阱结构（ＺｎＯ／ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ为主）的光散射、发光和吸收光谱等内容进行了研［１１－１７］究，获得了一些实验和理论结果．目前，关于纤锌矿ＺｎＯ量子阱材料中声子模的传播特性、电子－光学声子相互作用对电子态行为影响的研究，以及电子－光学声子相互作用对纤锌矿ＺｎＯ量子阱材料中电子态能量、跃迁能量和结合能影响的研究还不深入，本文采用ＬＬＰ变分法研究纤锌矿ＺｎＯ／ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ量子阱中的自由极化子效应，给出系统基态能量、第一激发态能量和跃迁能

5、量随量子阱宽度的变化关系，计算中考虑了界面光学声子模和定域光学声子模（包括类ＬＯ和类ＴＯ）以及它们的各向异性．１理论计算考虑一个由两种不同极性半导体材料ＺｎＯ和ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ构成的对称量子阱结构，阱宽为ｄ，沿ｚ轴方向生长．阱内材料ＺｎＯ位于ｚ≤ｄ／２区，垒材料ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ位于ｚ＞ｄ／２区．该结构中电子－光学声子系统的哈密顿量为２Ｈ＝ｐ＋Ｖ（ｚ）＋ｈωａ＋（ｗ）ａ（ｗ）＋Ｈ，（１）∑ｊｊＩ２ｍｂλｗｊ其中：ｍｂλ是区间λ内的电子有效带质量；Ｖ（ｚ）是电子在量子阱中的势能，对于有限量子阱０，ｚ＜ｄ／２，Ｖ（ｚ）＝｛（２），Ｖ０ｚ≥ｄ／２，收稿日期：２０１３－０４－２４基金

6、项目：国家自然科学基金资助项目（１１２６４０２７）；内蒙古师范大学“十百千”人才培养基金项目（ＲＣＰＹ－２－２０１２－Ｋ－０３９）；内蒙古自治区２０１３年硕士研究生科研创新项目（Ｓ２０１３１０１３５０２）作者简介：张国庆（１９８２－），女，山西晋城人，内蒙古师范大学硕士研究生通信作者：赵凤岐（１９５９－），男（蒙古族），内蒙古通辽市人，内蒙古师范大学教授，主要从事凝聚态物理研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｑｚｈａｏ＠ｉｍｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．·５２８·内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版）第４２卷其中Ｖ０＝０．７［ＥｇＭｇＺｎＯ－ＥｇＺｎＯ］为势垒高度．方程（１）中最后一项是电子－光学声子相

7、互作用哈密顿量ｘ１－ｘ［ｇ（ｚ）ｅｘｐ（－ｉｑ·ρ）ａ＋（ｗ）＋ｈ．ｃ］．（３）Ｈ１＝∑ｊｊｗｊ［１８］对于对称定域声子模，耦合函数ｇｊ（ｚ）为１２－２４πｅｈＬ２ｇＳ，ＣＦ（ｚ）＝－ｉ［（／ω）（ε２２）ｄ／２－２ｑ（／ω）ｆ（ω）ｃｏｓ（ｋ／２）］×χｊ，１⊥ｑ＋ε１ｚｋ１ｍｓ１ｍｄｃｏｓ（ｋ１ｍｚ），ｚ＜ｄ／２，χｊ＝｛）），ｃｏｓ（ｋ１ｍｄ／２）ｅｘｐ（－κ２（ｚ－ｄ／２ｚ≥ｄ／２，其中：ｆｓ（ω）＝ｓｇｎ（ε１ｚ）槡－ε１⊥（ω）ε１ｚ（ω）ｓｉｎ（ｋ１ｍｄ／２）－ｓｇｎ（