量子异质结构理论与计算PDF电子书下载

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第1章 量子异质结构概述 1

1.1 “异质”的理解 1

1.1.1 晶格失配 2

1.1.2 带边失配 6

1.1.3 折射率失配 9

1.1.4 热失配 10

1.1.5 介电常数失配 11

1.2 “量子”的理解 11

1.3 量子异质结构的制备 13

1.4 载流子的统计特性 14

1.4.1 量子统计分布函数 14

1.4.2 量子态密度 16

1.4.3 半导体中的载流子浓度 24

本章参考文献 26

第2章 应力应变基础 29

2.1 应力与应变的概念 29

2.1.1 位移与应变张量 30

2.1.2 应力张量 31

2.2 应力与应变的关系：广义胡克定律 33

2.2.1 简化下标与劲度矩阵 34

2.2.2 立方晶体的弹性常数 35

2.2.3 六角晶体的弹性常数 36

2.3 弹性各向异性 38

2.4 应变能密度 43

本章参考文献 44

第3章 异质结构的应力应变计算 47

3.1 晶格失配 47

3.2 应变量子阱 49

3.2.1 应变分布 49

3.2.2 任意方向外延量子阱薄膜的有效双轴模量 52

3.2.3 量子阱超晶格的应变平衡 55

3.3 应变量子线 58

3.3.1 平面应变问题 59

3.3.2 量子线应变分布的有限差分法 60

3.3.3 格林函数法 63

3.3.4 有限元法 66

3.4 自组织量子点的应变分布 67

3.4.1 Eshelby的inclusion理论 68

3.4.2 格林函数法（各向同性） 71

3.4.3 傅里叶空间的格林函数法（各向异性） 74

3.4.4 半空间问题的inclusion理论 76

3.4.5 有限差分法 78

3.4.6 有限元法 80

3.5 原子势函数法计算量子点的应变分布 84

3.5.1 Stinger-Weber势函数 84

3.5.2 价力场势函数 85

3.5.3 Tersoff势函数 87

3.5.4 应力应变分布的原子势函数仿真 88

本章参考文献 90

第4章 异质结构中的位错 96

4.1 位错类型与伯格斯矢量 96

4.1.1 基本位错类型 96

4.1.2 伯格斯矢量 99

4.2 位错的应力、应变分布 100

4.2.1 应变分布 100

4.2.2 位错的应变能 103

4.3 位错力 105

4.4 位错应变分布的有限元计算 110

4.5 立方晶体和六角晶体中的位错 113

4.5.1 金刚石和闪锌矿结构中的位错 113

4.5.2 金刚石和闪锌矿结构的贯穿位错 114

4.5.3 金刚石和闪锌矿结构的失配位错 114

4.5.4 六角晶体中的位错 115

4.5.5 六角晶体中的穿透位错 116

4.5.6 六角晶体中的失配位错 116

4.6 异质外延薄膜的临界厚度 117

4.6.1 MB力平衡模型 117

4.6.2 van der Merwe模型 120

4.6.3 PB模型 120

4.6.4 压应变与张应变外延的区别 122

4.7 纳米衬底外延 123

4.7.1 刚性纳米衬底外延薄膜的临界厚度（Suhir模型） 123

4.7.2 协变纳米衬底外延层的临界厚度（Zubia模型） 125

4.7.3 三维受限的纳米外延 131

4.8 纳米衬底位错应变计算的有限元法 135

4.9 纳米衬底异质外延临界厚度的有限元法 139

4.9.1 外延薄膜的临界厚度 140

4.9.2 三维台型纳米衬底外延的临界厚度 143

4.9.3 纳米线轴向异质外延薄膜的临界厚度 146

4.9.4 纳米线轴向异质外延临界厚度的P-K法 154

4.10 应变异质外延量子点的位错形成位置和临界尺寸 158

4.10.1 自组织量子点位错的优先形成位置 158

4.10.2 自组织量子点的临界尺寸 170

4.11 其他与位错有关的问题 179

本章参考文献 181

第5章 异质外延生长理论与仿真 187

5.1 动力学蒙特卡罗法模拟外延生长的基本理论 187

5.1.1 生长过程中的势垒 188

5.1.2 晶格气模型、SOS假定以及off-lattice模型 192

5.1.3 周期边界条件 193

5.2 动力学蒙特卡罗算法 194

5.2.1 动力学蒙特卡罗算法流程 194

5.2.2 事件选择算法 196

5.2.3 动力学蒙特卡罗算法基础测试 198

5.2.4 理想均匀衬底同质外延的表面形态 199

5.3 格林函数方法计算应变 201

5.4 KMC仿真实验和表面形态 204

5.4.1 预应变衬底——垂直有序生长条件的优化 204

5.4.2 温度对半导体三维岛生长的影响 208

5.4.3 沉积速率对半导体量子点生长的影响 210

5.4.4 生长中断对原子岛表面形态的影响 211

5.4.5 原子结合能对量子点组分分布的影响 212

5.5 基于衬底工程的结构衬底量子点定位生长研究 213

5.6 动力学蒙特卡罗方法仿真自组织量子环 216

5.6.1 量子环的自组织生长模型 217

5.6.2 自组织量子环生长尺寸的设计和优化 218

5.7 基于连续性方程的外延薄膜表面演化 221

5.7.1 半导体外延薄膜演化的方法介绍 222

5.7.2 基于参数优化的薄膜演化数值实现 224

本章参考文献 225

第6章 异质外延半导体纳米结构的组分分布 230

6.1 应变异质外延量子点的组分分布 230

6.1.1 热力学平衡组分分布理论 232

6.1.2 移动渐近线方法 235

6.1.3 GeSi／Si（001）量子点组分分布 238

6.1.4 InGaAs／GaAs（001）量子点组分分布 243

6.1.5 量子点相互作用引入的组分分布 246

6.1.6 位错芯附近的应变对组分分布的影响 250

6.2 稳态合金半导体纳米线轴向组分分布 252

6.2.1 瞬态合金纳米线生长模型 253

6.2.2 GaAs基合金半导体纳米线轴向组分分布 255

6.2.3 稳态合金纳米线生长模型 259

本章参考文献 261

第7章 电子结构计算 266

7.1 单带k·p及有效质量近似 266

7.1.1 能量相关的有效质量近似 266

7.1.2 单带有效质量近似 269

7.1.3 单带有效质量近似在量子异质结构中的典型应用 271

7.2 数值计算方法 275

7.2.1 有限差分法 275

7.2.2 平面波展开法 279

7.2.3 基于偏微分方程组的有限元法 282

7.2.4 薛定谔方程的自洽解 282

7.3 多带k·p理论 285

7.3.1 闪锌矿半导体 285

7.3.2 纤锌矿半导体的k·p公式 296

7.4 压电效应 299

7.4.1 压电效应与压电势 299

7.4.2 半耦合与全耦合模型 304

7.5 在量子异质结构中的应用 305

7.5.1 有限元法 305

7.5.2 平面波展开法 308

本章参考文献 312

第8章 量子异质结构应变工程及应用 316

8.1 隔离层和盖层对量子点应变分布的影响 316

8.1.1 物理模型 317

8.1.2 隔离层和盖层的影响 318

8.2 量子点应变补偿 322

8.2.1 应变补偿物理机制 323

8.2.2 应变补偿模型 324

8.2.3 应变补偿方案设计 325

8.2.4 应变补偿层对量子点光学特性的影响 329

8.3 应变减少层调控量子点发光波长 331

8.3.1 应变减少层的物理模型 332

8.3.2 应变减少层对应变、带边和发光波长的影响 332

8.3.3 其他应变减少层材料 336

8.4 异变外延及应用 337

8.5 位错过滤技术 339

8.5.1 InAs／GaAs量子点位错过滤 341

8.5.2 贯穿位错过滤的临界条件 344

8.5.3 AlN／GaN量子点的位错过滤 346

8.6 台形衬底外延量子点的组分形貌控制 349

8.6.1 Si／Ge量子点在正方台形衬底的异质外延 349

8.6.2 AlN／GaN量子点在六角台形衬底的异质外延 355

8.7 刻蚀图形衬底纳米岛的应变弛豫和电子结构 361

8.7.1 Si（001）衬底上生长GeSi纳米岛 361

8.7.2 GaAs（001）衬底In（Ga）As纳米岛的电子结构 370

8.8 基于应变的量子点有序生长控制 379

本章参考文献 383

第9章 量子点与微腔相互作用及光学结构设计 391

9.1 量子点与微腔耦合的腔量子电动力学系统 391

9.1.1 Jaynes-Cummings模型 392

9.1.2 存在耗散的J-C模型与主方程 393

9.2 基于量子点的单光子源 394

9.2.1 单光子源与二阶相关函数 394

9.2.2 光子阻塞效应 395

9.2.3 量子点-双模腔耦合系统亚泊松分布光的产生 397

9.3 磁场作用下量子点-腔的光开关和光逻辑 401

9.3.1 磁场作用下的量子点与微腔耦合系统 402

9.3.2 磁场作用量子点-微腔的光开关和光逻辑应用 405

9.4 基于量子点双模腔耦合系统的少光子光开关和逻辑门 409

9.4.1 系统哈密顿量 409

9.4.2 系统的能级结构与干涉相消 410

9.4.3 系统模式转换时间 412

9.4.4 基于干涉相消的开关效应 414

9.4.5 基于串级系统的AND和OR逻辑门 417

9.5 光子晶体微腔的结构设计 420

9.5.1 不同对称结构的光子晶体平板腔 421

9.5.2 几何投影法 425

9.5.3 光子晶体腔的几何投影法优化 429

9.6 单光子器件纳米线顶端结构的优化 432

9.6.1 模型与优化方法 433

9.6.2 优化结果 435

本章参考文献 438

附录A 四元合金半导体的参数拟合公式 443

附录B 坐标变换与张量变换 444

附录C 弹性张量坐标变换数值程序 447

附录D Mathematica弹性张量坐标变换数值程序 450

附录E 对坐标的曲线积分和曲面积分 453

附录F 三维量子点形状特征函数的傅里叶变换 458

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