单量子点中量子态的操控与探测

论文摘要

由于三维的限制作用,半导体量子点具有类似原子的分立能级,作为固态的量子体系,其在量子信息科学和光电器件方面有重要的应用。我们制备了嵌有自组织InAs/GaAs量子点的n-i-Schottky器件,并利用低温微区单量子点荧光谱和光电流谱方法研究了量子点在外场调制下的激子态和隧穿等性质。主要研究内容和结果如下:1.利用低温微区共聚焦系统,系统研究了Faraday和Voigt构型磁场下的单个InAs/GaAs量子点的光谱和光电流特性。通过量子限制Stark效应扫描中性激子能量的方法实现了与能量固定的窄带激光器的共振,从而观测到了光电流信号。除了传统的抗磁和塞曼分裂现象以外,我们在水平磁场下（Voigt构型）观测到了由于亮态和暗态耦合而导致的暗态的光学跃迁现象。由于使用的是窄带的连续激光器,因此光电流信号具有很高的分辨率,尤其是对器件结构优化的量子点。暗激子具有很长的相干时间,因此是一种很有前景的量子自旋比特。这个结果证明了量子点光电流谱是一种有效的探测量子点中暗激子态的手段。2.我们利用单量子点光电流谱方法研究了Faraday构型磁场对量子点中载流子隧穿的调节作用。由于磁场对空穴波函数的调控,在9 T的竖直磁场下观测到了空穴隧穿时间接近60%的增加。对于削尖金字塔形状的量子点,零磁场下空穴波函数分布在量子点底部并扩散到侧向边缘。量子点侧向边缘部分的势垒高度较低,因此空穴隧穿较快。在Faraday构型下,磁场使空穴波函数收缩到量子点中部,这减弱了侧向边缘处的隧穿并增加了平均隧穿时间。这种调节机制对电子的隧穿也适用,但是调节效果要弱一些。由于电子的限制势更均匀,电子波函数更局域在量子点中部,因此磁场下相对较弱的波函数收缩并不会显著地降低电子的隧穿速率。3.在单电荷水平理解载流子激发和输运过程在基于量子点的太阳能电池和光电探测器的研究中有重要意义。我们利用双色共振高分辨光电流谱方法研究了InAs/GaAs量子点中的带正电激子（X+）的巨大的光电流增强现象。X+中两个空穴间的Coulomb排斥作用会加速单个空穴的隧穿速率,而留下的另一个空穴可以作为初态被再次激发到X+态。这个过程导致了X+的光电流强度比中性激子要大30倍左右。利用功率响应饱和光电流谱方法结合四能级速率方程模型分析出单空穴和双空穴时的空穴隧穿时间,并结合电场的调节作用分析得出了空穴间的Coulomb相互作用使隧穿势垒等效降低了约8.05 meV。这个工作有助于理解纳米尺度太阳能电池中的能量转换过程,并有助于提高能量转换的量子效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 半导体量子点的自组织生长
•   1.2 半导体量子点的表征
•   1.3 半导体量子点的能级结构
•   1.4 自组织量子点的应用
•     1.4.1 量子点单光子源
•     1.4.2 量子点纠缠光子对
•     1.4.3 自旋量子比特
•     1.4.4 量子点激光器
•     1.4.5 量子点太阳能电池
•   1.5 本文的研究内容
• 第2章 器件制备与实验装置
•   2.1 量子点Schottky器件制备
•   2.2 共聚焦显微系统
•     2.2.1 共聚焦系统原理
•     2.2.2 attoLIQUID2000 共聚焦显微系统
•     2.2.3 配套测量系统
•   2.3 本章小结
• 第3章 量子点的基本光学与电学性质
•   3.1 量子点的光致发光谱
•   3.2 中性激子精细结构分裂
•   3.3 电场调节的量子点光谱
•   3.4 共振激发光电流谱的测量
•   3.5 本章小结
• 第4章 磁场对量子点激子态的调节作用
•   4.1 引言
•   4.2 磁场下单粒子模型
•   4.3 Faraday构型磁场下的中性激子能级
•   4.4 Faraday构型磁场下的光致发光谱和光电流谱的测量
•   4.5 Voigt构型磁场下的中性激子态能级
•   4.6 Voigt构型磁场下的光致发光谱和光电流谱的测量
•   4.7 本章小结
• 第5章 Faraday构型下磁场对量子点中载流子隧穿的调节作用
•   5.1 引言
•   5.2 Faraday构型磁场下中性激子的光电流谱
•   5.3 光与物质相互作用的二能级模型的速率方程理论
•   5.4 Faraday构型磁场下的功率响应光电流测量
•   5.5 磁场对量子点中空穴波函数的调节作用
•   5.6 光与物质相互作用的二能级系统半经典理论
•   5.7 磁场对量子点中电子波函数的调节作用
•   5.8 本章小结
• 第6章 Coulomb诱导的单量子点中巨大的光电流增强
•   6.1 引言
•   6.2 X+的双色共振激发光电流谱
•   6.3 Coulomb诱导的X+光电流增强
•   6.4 功率响应的X+光电流测量
•   6.5 电场对X+和X0 中空穴隧穿的影响
•   6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 本论文的创新点
•   7.3 未来工作的展望
• 参考文献
• 个人简历及发表文章目录
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 彭凯

导师: 许秀来

关键词: 量子点,光电流,暗激子,隧穿,量子点太阳能电池

来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

分类号: O471.1

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