Mn掺杂ZnO量子线的电子结构及磁学性质研究

摘要

随着第三次科技革命的兴起与科技的发展，人类对微观世界的认知日渐精细，目前已经可以达到10-15 m的水平。随着尺度上的减小，纳米材料以其独特的物理性质受到科学界的广泛关注。氧化锌作为传统的宽禁带直接带隙半导体材料，其在光电、压电、热电和铁电等诸多领域都有其独特的性能，其具有非常巨大的应用潜力和研究价值。人们在微观上对纳米半导体材料的研究包含了二维量子阱、一维量子线、零维量子点或量子环。
　　近代以来，ZnO基稀磁半导体以其在自旋电子学中巨大的潜在应用前景引起了世界上众多科研工作者的广泛关注。相关的理论和实验结果不断得到报道。在量子阱、量子点和量子环方面科学界已经有了非常丰富的研究成果，但是在量子线的研究方面却相对较少。本文紧密围绕ZnO量子线的电子结构这题问题展开，并探讨其在磁场下所受到的影响，除此之外，本文还分析了锰掺杂氧化锌稀磁半导体量子线在磁场中价带能带的变化情况，并研究了该材料在磁场中表现出来的一些磁光性质。本文主要解决的问题和得到的结论如下：
　　（1）第一章阐述纳米材料的发展历程，展示其研究的意义。本章主要就ZnO和稀磁半导体的性质、特点进行简单说明，以及对本文用到的一些理论进行简单阐述。
　　（2）第二章主要将论文中运用的理论模型进行详细的推导，包括k·p微扰法计算能带结构、有效质量理论。
　　（3）第三章主要计算ZnO量子线的能带结构。首先以效质量近似为基础推导出纤锌矿空态和电子态的哈密顿量，通过解薛定谔方程，求出几个不同角动量Jh时10个最低的价带子带。通过对比B=0T和B=20T时能带变化可知，在无磁场下所有的价带子带都是双重简并的，当加入磁场后简并态会发生劈裂。
　　（4）第四章主要研究了Mn掺杂ZnO量子线的电子结构和磁学性质。本章以六带k·p微扰有效质量理论为基础求得磁场下Mn掺杂ZnO量子线的电子和空穴态，利用贝塞尔函数展开法求解薛定谔方程，进而计算出不同角动量J h下10个最低的价带子带。我们发现，所有的价带子带在磁场下将不再简并。此外，我们还发现，在磁场B不为0时，所有Jh为正的空穴态将发生反转，为负时不会发生反转。在本章的后半部分，我们计算并绘制了Mn掺杂ZnO量子线在?点附近一些低能量的磁吸收谱，通过对比分析，我们发现吸收峰的数量会随着载流子浓度和温度的升高而变多。在计算准费米能级时发现，Mn掺杂ZnO量子线导带的准费米能级不随Mn离子浓度的变化而发生改变，但价带的准费米能级却会随着Mn离子浓度的增加而增大。

目录

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1 绪 论

1.1 纳米低维半导体材料

1.2稀磁半导体概述

1.3氧化锌概述

1.4 电子结构理论概述

1.5 有效质量包络函数

2 理论模型和计算方法

2.1 k·p微扰方法计算带边的能带结构

2.2 无磁场的有效质量理论[56]

2.3 磁场下的有效质量方程

3 氧化锌量子线的能带结构

3.1 引言

3.2 纤锌矿在磁场中的电子态和空穴态

3.3 结果和讨论

4 锰掺杂氧化锌量子线的能带结构及磁学性质

4.1 引言

4.2锰掺杂纤锌矿量子线在磁场中的电子态和空穴态

4.3 结果和讨论

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 后续研究展望

致谢

参考文献

附录A. 作者在攻读硕士学位期间的工作和发表的论文