内建电场影响下棱柱型纤锌矿氮化物核壳结构纳米线中的电子态及光吸收性质

发布时间：2020-07-16 00:44

【摘要】：纤锌矿氮化物核壳结构纳米线(CSNW)是下一代晶体管、紫外发光和探测器等光电器件的重要候选材料。纤锌矿GaN/AlGaN CSNW多为三棱柱和六棱柱结构,其中三棱柱结构中沿[0001]方向存在由强压电和自发极化效应导致的强内建电场。本文首先验证基于有效质量近似的有限元差分法求解棱柱型CSNW本征能级和本征态的可行性。结果显示,数值方法解得的GaN矩形截面CSNW中的电子态的与解析解在误差允许范围符合很好。然后,采用三角形差分网格,将该有限元差分法推广到三棱柱和六棱柱GaN/Al_(1-x)Ga_xN CSNW电子态的求解,并进一步讨论三棱柱CSNW中内建电场对电子态的影响。结果显示:1.无内建电场时,三棱柱GaN纳米线与三棱柱GaN/Al_(1-x)Ga_xN CSNW中电子的基态、第一激发态的波函数具有与体系相同的几何对称性,且第一激发态具有两个简并态。2.计入内建电场后,CSNW中沿电场方向电势降落,电子的电势能升高,电子的基态能级降低且能级间距增大;同时,电子的波包沿电场反方向移动,且量子束缚效应增强,使得基态波函数峰值增大。内建电场使体系势场的对称性破坏,使电子第一激发态的能级简并消除。3.有或无内建电场时,等比例增大核壳厚度或单独增加壳层厚度,或增大Al_(1-x)Ga_xN壳层的Al组分,均使电子的基态和第一激发态能级减小且波函数峰值降低,同时能级差减小。在获得体系的电子态后,基于费米黄金法则,进一步分析三棱柱CSNW中的电子子带间跃迁光吸收性质及其尺寸与三元混晶效应。主要结论如下:4.在无内建电场和有内建电场两种情况下,单独增大壳层厚度,或使核壳厚度等比例增大时,电子跃迁矩阵元和能级间距均减小,最终使得电子由基态跃迁至第一激发态的一阶线性光吸收系数、三阶非线性光吸收系数绝对值和总光吸收系数均减小,同时光吸收波峰发生红移。5.当无内建电场时,固定体系尺寸,增大Al组分,电子跃迁矩阵元和能级间距减小,光吸收波峰发生红移;电子由基态跃迁至第一激发态的一阶线性光吸收系数、三阶非线性光吸收系数绝对值减和总光吸收系数均减小。6.有内建电场时,固定体系尺寸,增大Al组分时,光吸收波峰红移,但电子跃迁矩阵元增大,电子从基态跃迁至第一激发态的一阶线性光吸收系数、三阶非线性光吸收系数的绝对值和总的光吸收系数增大。期待本文结论有助于纤锌矿氮化物CSNW光电器件的结构设计。
【学位授予单位】：内蒙古大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304
【图文】：

示意图,纳米线,矩形截面,示意图

矩形截面的纳米线示意图

三棱柱,截面

图 2.3 三棱柱型 GaN/AlGaN CSNW 的截面示意2.3 The cross section of a triangular GaN/AlGaN C0, (x, y)∈S1x

示意图,差分网格,三角形,示意图

图 2.4 三角形差分网格示意图Fig. 2.4 Schematic diagram of triangular difference gri+1, j+1)，C(k-2, j), D(k, j), E(k+2, j), F(k-1, j-1

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