一维半导体纳米结构中声子输运机理与声子复合调控研究

It is well recognized that, with the development of semiconductor materials and nanotechnology, the device size decreases to nanoscale, which is named the quantum device. However, the thermal regulation in the semiconductor nanostructures is a critical question for the design of the quantum devices. Due to the size effect and boundary effect, it is very difficult to measure the thermal transport properties of the quantum devices. In this project, based on the phonon modes, configurations and regulation ways, by using several computational methods, we investigate the thermal transport properties of the one dimensional semiconductor nanostructures to provide valuable theoretical supports and new ideals for exploring the thermal transport properties of the semiconductor nanostructures and designing the quantum devices. The main contents include: (i) make clear the mechanism of the phonon mode, phonon-phonon coupling and electron-phonon coupling for the one dimensional semiconductor nanostructures; (ii) explore the effect of the crystal structure (zinc blende, wurtzite and twin crystal), cross-sectional shape, size effect, growth direction and boundary condition (stress-free and hard-wall boundary) on the thermal transport properties of the one dimensional semiconductor nanostructures；(iii) investigate the compound regulation (strain@defect, strain@impurity, strain@surface-functionalization and impurity@defect) on the thermal transport properties of the one dimensional semiconductor nanostructures and probe the regulation mechanisms.

众所周知，半导体材料和纳米技术的快速发展使相关器件的特征尺寸已经缩小到了纳米量级，研究者称之为量子器件。然而，半导体纳米结构的热调控是目前量子结构和器件设计中的一个关键问题，由于器件的尺寸效应、边界效应等，其测量具有一定难度。本项目拟采用多种理论计算方法，从声子模式、体系构型和调控方式对其热输运性质进行研究，中心目标是探索一维半导体纳米结构的热学性质和设计半导体量子器件提供了理论基础和新的思路,并为后续相关研究打下基础。主要内容包括：1)研究一维半导体纳米结构中声子模式、声-声耦合与电-声耦合效应的物理机理；2)研究晶体结构(闪锌矿、纤锌矿和孪晶型)、截面形状、生长方向、尺寸效应和边界条件(自由边界与硬壁边界)对一维半导体纳米结构声子输运性质的影响；3)研究复合调控方式（应变@缺陷、应变@杂质、应变@表面功能化和杂质@缺陷）对一维半导体纳米结构中声子输运进行调控并探讨其机制。

低维半导体纳米结构中的热输运性质是量子器件领域中的前沿研究热点。随着器件尺寸降至纳米尺度，其热输运性能与块体材料截然不同。而且，随着器件的尺寸减小，散热问题严重制约着器件的性能。尽管目前在低维纳米结构热输运性质的实验和计算方面取得了一些进展，但是关于热量子器件的研究仍处在原理性阶段，还有大量基础理论研究工作需要做。我们采用了多层次的计算手段（连续弹性模型理论、散射矩阵方法、非平衡格林函数方法和第一性原理计算方法），重点围绕具有广泛应用前景的一维半导体纳米结构热输运性质展开工作，在此基础上进一步研究了一维半导体纳米结构中电学、磁学和自旋输运性质，获得了一些有意义的创新结果：（一）研究了一维圆柱形半导体纳米线中的热输运性质。计算结果表明，在圆柱形纳米线中，传输热量的声子主要是扭转模，是完全不同于矩形结构中的水平极化的SH声子模。此外，扭转声子模之间能够发生干涉，产生模耦合效应；（二）研究了声子腔、分支结构、异质结界面等对一维半导体纳米结构热输运性质的影响。发现声子腔、分支结构、异质结界面能够有效的调控其热输运性质，不同的结构具有不同的调控机制；（三）研究了表面悬挂键和表面修饰对一维半导体纳米结构的电学和磁性性质的调控。计算结果表明，表面阳（阴）离子悬挂键等同与正（负）电荷，在表面位置产生局域磁矩，表面被修饰后，磁性消失。表面悬挂键能够有效调控过渡金属掺杂纳米结构的总磁矩，我们揭示了调控机制，并建立了有效理论模型；（四）设计了基于石墨烯纳米条带的四个DNA碱基分子的自旋电子器件。发现碱基分子能够同时展示出高效的自旋过滤、负微分电阻、自旋整流和开关效应等多功能性质。总之，通过本项目研究，我们对一维半导体量子体系中的载流子传输机制及其器件的性能调控方法有了一个比较系统深入的认识。