（光学工程专业论文）半导体纳米颗粒载流子的超快弛豫过程.pdf

华南师范人学硕一l j 学位论义 u l t r a f a s tr e l a x a t i o np r o c e s so fp h o t o e x c i t e d c h a r g ec a r r i e r si ns e m i c o n d u c t o rn a n o p a r t i c l e s a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rn a n o m a l ：e r i a lh a s1 a r g e rn o n l i n e a re f f e c ta n du l t r a f a s t r e s p o n d e ds p e e d ，m a k ei tt h em o s tp o t e n t i a lm a t e r i a lf o rt h ed e v i c e so fh i g hs p e e d i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g e s p e c i a l l y , t h eu l t r a f a s tr e s p o n d e ds p e e dm a k ei th a st h e p o t e n t i a lt ob r e a kt h el i m i t e do fe l e c t r o n i cd e v i c e s m a k eu l t r a f a s ti n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gb e c o m ep o s s i b l e r e c e n t l y , al o to fw o r k ，i n c l u d i n gt h e o r ya n a l y z i n g a n de x p e r i m e n tr e s e a r c h i n g ，h a sb e e nd o n et or e v e a lt h em e c h a n i s mo fu l t r a f a s t r e s p o n d t h i st h e s i sp r e s e n ts o m et h e o r yd i s c u s so nu l t r a f a s tr e s p o n s e 1 w ei n t r o d u c et h em a i np r o p e r t ya n dt h e o r yo ft h en a n o m a t e r i a lb r i e f l y , a n dt h a na n a l y s i ss o m ec o m m e n te x p e r i m e n tt e c h n o l o g yu s e di nu l t r a f a s ts t u d y 2 b a s i co nt h eq u a n t u mr e s t r i c te f f e c ta n ds u r f a c ee f f e c tt h e o r y , t h e e l e c t r o n i cs t r u c t u r eo fs e m i c o n d u c t o rn a n o p a r t i c l ei sm o d e l e d ，a n dt h e u l t r a f a s t r e l a x a t i o np r o c e s so fp h o t o e x c i t e dc h a r g ec a r r i e r s i ns e m i c o n d u c t o rn a n o p a r t i c l e s i sd e s c r i p t e db yr a t ee q u a t i o n 3 t h e n ，s e v e r a lp a r a m e t e r s ，t h a tw o u l da f f e c tt h i sp r o c e s s ，a r ed i s c u s s e d t h er e s u l ts h o w st h a t w i t ht h ei n c r e a s i n go fe x c i t e di n t e n s i t yo rt h ed e c r e a s i n g o fs u r f a c es t a t ed e n s i t y , t h ee l e c t r o ns a t u r a t i o no ft h es u r f a c es t a t ew o u l dc a u s e s t h ee l e c t r o nb u i l d u po fc o n d u c t i o ns t a t ea n dl e a d st oa1 0 n g e rl i f et i m e ；t h e r e l a x a t i o no fd e e pt r a p p e de l e c t r o n si st h em a i nl i m i to fr e s p o n s et i m ef o r n a n o p a r t i c l e s a tl a s t ，t h i sm o d e li su s e dt oa n a l y z ep u m p - p r o b ee x p e r i m e n t ， s h o w i n gp o t e n t i a lu s ei ne x p e r i m e n t a la n a l y s i s k e yw o r d s ：s e m i c o n d u c t o rn a n o p a r t i c l e ；u l t r a f a s tc a r r i e rr e l a x a t i o n ；r a t e e q u a t i o n ；p u m p - p r o b e 华南师范大学硕十学位论文 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论 f i 1 llll l l li l l l l l ll l i i y 17 6 7 9 6 3 目录 1 1 1 纳米材料的物理理论l j j j 么锅- ( k u b o ) 厘趁2 工j 2j 孽子尼矿窟毛厘乒2 j i 4 么弛玩璃= 应4 1 1 s 宏鞠量子碰道效应5 l l 6 房乏将蝴鸯矛黪妒裁应， j j 7 刃詹厥嗨易5 邑痘6 1 2 半导体纳米晶6 1 3 论文主要研究内容8 第二章超快动力学实验方法 9 2 1 超短脉冲激光发展回顾9 2 1 j 锸揪老器， 2 l 2 筠哦纭乒敬右1 2 2 l 3 攒锗泼长：扬震门 2 2 瞬态吸收( 泵浦一探测) 一1 3 2 3 瞬态荧光1 5 2 2 1 龙兕亡黝z 连术j j z z z y 当学哀匆，了芘希j 8 2 3 四波混频技术2 0 2 4z 一扫描技术( z - - s c a n ) 。2 1 2 4 本章小结2 2 第三章载流子超快弛豫物理模型2 3 3 1 半导体纳米颗粒的量子限制效应2 3 3 2 表面态2 6 3 3 基本弛豫过程3 0 王i j 蔹黼子茹彭发3 d 3 3 2 载流子的重额分布( 带内弛豫) | 3 0 3 3 3 载流子俘获s 复合3 j 3 4 速率方程3 2 3 5 本章小结3 3 第四章数值模拟研究和结果3 4 4 1 激发密度对弛豫过程的影响3 4 4 2 表面态密度对弛豫过程的影响3 6 4 3 深能级弛豫率对弛豫过程的影响3 8 4 4 泵浦探测实验结果分析4 1 4 5 本章小结4 2 华南师范人学顾l ：学位论义 第五章总结4 3 参考文献4 4 在校期间发表的论文5 l 致谢5 2 i v 华南师范人学硕一b 学位论文 第一章绪论 纳米材料是指颗粒尺寸在纳米量级的超细材料，它大于原子团簇，小于通常 的细微粉末，一般在l 1 0 0 衄之间，是介于原子、分子和固体体相之间的物质 状态，有时也称为物质的第四相，具有传统固体不具备的许多奇特的物理和化学 性质。促使人们开始对纳米材料性质进行大规模研究的起因源于1 9 8 3 年美国 h u 9 4 l e s i f j ：究所的r k j a i n 年 1 1 r c l i n d 发表的一篇论文【l 】，他们在市售的c d s 。s e , 一。 半导体微晶掺杂的光学滤波玻璃上观测到很高的三阶非线性光学效应( 1 3x 1 0 8 e s u ) 和快速的光学响应( p s 量级) ，有望在超高速的光运算、全光开关和光通 讯等方面具有广泛的应用前景。正是以这篇文章为契机，科学工作者们开始积极 投身到这一领域中来，从而提出了纳米微粒量子尺寸效应的理论：当半导体材料 从体相逐渐减小到一定临界尺寸以后，其载流子的运动将受到限制( 类似于在箱 中的运动) ，导致其动能增加，相应的电子结构也从体相时的连续能带结构变为 类原子的分立能级，并且由于动能的增加使原来的带隙增加了( 即光吸收向短波 方向移动) ，粒径越小，带隙增加越大。现在人们只要通过控制微粒的尺寸就可 以调节材料的带隙大小，以满足不同的需要，因此半导体纳米材料已成为当今“能 带工程”的一个重要组成部分。 1 1 纳米材料的物理理论 纳米材料为物理学家提出了许多新的课题，由于纳米材料尺寸小，与电子 的德布罗意波长和激子波尔半径相当，此时电子被局限在一个体积十分微小的纳 米空间，电子输运受到限制，电子的平均自由程很短，电子的局域性和相干性增 强。尺度的下降不但使纳米体系包含的原子数大大降低，还会导致宏观固定的准 连续能带消失( 表现为分立的能级) ，这使得纳米体系的光、热、电和磁等物理 性质和常规块体材料的大为不同，从而出现了许多新奇特性，如硅的可见光发射 【2 ，3 1 ，量子霍尔效j 应【4 t5 1 ，部分霍尔效应【6 】，二维的金属一绝缘体转换f 7 1 等。因此， 对这些新奇特性的研究，人们必定重新认识和定义现有的物理理论和规律，从而 导致新理论的引入和新规律的建立。 。芦南师范人学顾：i ：学位论义 1 1 1 久保( k u b o ) 理论 久保理论【8 9 1 是由久保及其合作者提出的关于金属粒子电子性质的理论。与通 常处理体材料费米面附近电子态能级分布的传统理论不同，它有新的特点。这是 因为当颗粒尺寸进入到纳米量级时，由于量子尺寸效应原大块金属的准连续能级 产生离散现象。为了更好使超微颗粒的新理论和实验相结合，久保提出了如下公 式： k b 丁 0 时出现自聚焦现象， 当t l ， 0 时出现自散焦现象。若被测样品的厚度很薄，就可以忽略自聚焦或自散 焦效应引起的光束截面在样品中的变化。当样品位于光束截面最小位置时( z = o ) ，其非线性折射率最大，但此时束腰和远场光强分布的改变量最小。若样品沿 一z 方向移动时，远场光轴处的光强变大，沿+ z 方向移动时光强变小，则说明 被测材料的非线性折射率刀， 0 。随着样品远离z = 0 点，照射到样品上的光强将变小，n ，的贡献也越来越小，因此它所引起的远 场光强的变化也越来越小。所以利用z 一扫描技术可以方便地判断出物质非线性 折射率，z ，的符掣2 9 1 。 2 4 本章小结 本章介绍了研究超快过程的意义及常用实验方法。这些实验方法的出现使实 验时间分辨率突破了电子测量器件慢时间响应速度的限制，为超快过程的研究提 供了有力的工具。这其中，泵浦探测实验由于原理简单，光路搭建灵活，功能强 大，成为了最常用的方法。在下面的章节中，我们会将本文所建立的模型引入到 泵浦探测实验的分析上来。 华南师范大学硕： ：学位论义 第三章载流子超快弛豫物理模型 载流子的弛豫过程依赖于材料的能级结构，在半导体纳米颗粒中，由于量子 限制效应和表面效应，其能级结构与体材料有很大的不同，从而使其载流子的弛 豫过程也不相同。在本章中，首先从量子限制效应和表面效应出发，分析了半导 体纳米颗粒的能级结构，然后结合材料与超快脉冲光的作用过程，建立了以电子 速率方程来描述的载流子的弛豫过程。 3 1 半导体纳米颗粒的量子限制效应 半导体纳米颗粒的一个显著的特征是具有量子限制效应，此效应是决定材料 能级结构的其中一个重要因素。 人们对半导体纳米颗粒能级的认识首先是从其吸收光谱随颗粒尺寸的减小 而蓝移开始的，到现在有了一致的认识，即由于量子限制效应使半导体纳米晶的 带隙随颗粒尺寸的减小而增大。而半导体的尺寸从三维方向不断减4 , n d , 于相应 体材料的激子玻尔半径a 口时，体系内的电子受界面势垒的限制作用增强，发生 量子限制效应，即电子态密度由体材料中的抛物线形分布转变为零纬材料中的万 函数分布，并且体系中电子与空穴的能量随颗粒的尺寸而变化。许多学者从理论 1 5 2 1 和实验【5 3 ，剐上对其纳米材料的能级结构进行了广泛的研究。对零维半导体材 料，假设能带是抛物线型的，电子及空穴处于无限高球形势垒中，忽略库仑作用， 电子和空穴的哈密顿量写成： 台一芸缱一甍畿堋咖) 3 一 势能表达式为： ，ot k 。 假设电子和空穴之间不存在相互作用，则电子和空穴波函数可以分离为二者的 积： 甲( 名，r h ) = 唬( 乞) 丸( ) 3 3 华南师范人学硕i j 学位论文 求解s c h r o d i n g e r ；b - 程得到电子和空穴的归一化波函数为： 小悟鬻 3 4 其中- - l = m = l ( 1 = 0 ，1 ，2 ；n = l ，2 ，3 ) ，j l 是b e s s e l 函数，y l m 是球谐函数， 由边界条件 山( 素) k = o 3 - 5 求得能量本征值为： 碟= 瓦h 2 z 未 3 6 m e ，m h 是电子和空穴的有效质量，r 是纳米颗粒的半径，是n 级球b e s s e l 函数的 根，故纳米晶的最低跃迁能相对于体材料带隙e g 增加： 恤篆 3 7 n 是电子一空穴对的约化质量。 考虑到价带简并、非抛物线型的日* - 匕k 量及有限势垒后，用有效质量模型计算得 到如下结果。 电子质量： 耻嘉 3 8 其中i ，k 为标记能量顺序的量子数，r 是纳米晶粒尺寸，m 。与材料的能带结构有 关，以下式表示为： 土m e = 上m oit + 2 厂+ 争( 毒+ 赤 i 3 9 i j i 厶g丘g + 川 其中f 表征高能带对电子有效的贡献，e 口= v 2 m 。是能带参数。 空穴能量的计算比较复杂，只给出位于价带顶的四重简并能级的表达式为： 州舻訾 3 加 华南师范大学硕上学位论文 = m 肺m m 是轻、重空穴的有效质量之比，矽( ) 是下面等式的一次根： j o ( 缈) ：( 厕) + 2 ( 缈) o ( 廊) = 0 3 1 1 。( x ) 是球b e s s e l 函数。 于是，电子一空穴的跃迁能为： 壳彩= t + 局，七+ e ( ，z ，) 一 3 1 2 对于l s 。能级有厶= 1 8 e 2 妇，1 p 。和1 d 。时有如= 1 7 e 2 触，k 为介电常数。 以上结果表明，被限制在球形势阱内的电子和空穴随着势阱半径的减小，它们所 在不同能态的间隔增大，即表现出了量子限制效应。并且，当样品的的尺寸分布 较窄并且颗粒尺寸小于口b 时，量子限制效应才比较明显