新型二维材料量子点中激子物性研究

Semiconductor quantum dots (QDs) have attracted intensive attention as a platform for both basic scientific research and new device applications in the past decades. In the low-dimensional quantum systems, the exciton binding energy will be much larger, and will be more stable even at a higher temperature, strong electric and magnetic field. Recently, topological insulators and monolayer two-dimensional materials including transition metal dichalcogenides developed rapidly and attracted intensive attention. Many researches focused on monolayer transition metal dichalcogenides for its large exciton binding energy, the photoexcitation and valleys are related in its two valleys. In addition, the exciton effect has a major impact on its optical absorption, luminescence and other physical processes. Another researches focused on topological insulator for spin-dependent edge states exist in the bulk band gap. In its nanostructures such as quantum dot, the quantum states in the gap of the topological insulator are fully spin-polarized and show ringlike density distributions near the boundary of the quantum dot and spin-angular momentum locking. These properties are suitable for generating entangled terahertz photon pairs in this quantum dots, but they don’t draw enough attention. This project will be focused on the exciton, charged exciton, biexciton property in two-dimensional material and topological insulator quantum dots as well as coupled quantum dots with configuration interaction method and their influence on optical absorption, emission and other physical processes in such quantum dots. Besides, the electric and magnetic effects will be considered. Furthermore, the application in optoelectronic devices will be explored.

半导体量子低维结构因其具有丰富的物理效应和广阔的应用前景引起了物理学家的广泛关注。量子点中激子相比半导体体材料，束缚能显著增加，而且在较高温度和电场作用下更稳定。近年来，过渡金属硫族化合物等二维材料和拓扑绝缘体成为凝聚态物理学的研究热点。过渡金属硫族化合物中激子束缚能大，激子自旋与能谷锁定，因而光激发和能谷是相关的；拓扑绝缘体体能隙中存在手征的边缘态，在其圆形量子点中，边缘电子态能级等间隔分布、存在二重简并且自旋轨道锁定。这些特性有利于利用该量子点中的激子制备太赫兹量子光源，目前国际上对二维材料和拓扑绝缘体量子点中激子的研究相对较少。因此本项目将在单电子研究的基础上，采用构型相互作用方法研究二维材料和拓扑绝缘体量子点及耦合双量子点中激子、带电激子和双激子效应，以及激子效应对该量子点光吸收、发光等物理过程的影响，同时研究外加电场和磁场对上述物理性质的调控机理，探索其在光电子器件方面的应用。

半导体量子低维结构因其具有丰富的物理效应和广阔的应用前景引起了物理学家的广泛关注。围绕该项目，我们主要开展了如下研究工作：1.从理论上研究了矩形量子点中的单电子态和少电子态，对于单电子态，我们发现边缘态的能级结构从矩形量子点到正方形形变时表现为鲁棒的特性，而体内的电子态则对形变非常敏感。对于少数个电子的情形，我们发现电子将首先填充费米能级上的边缘态，能量增加表现为奇偶数的振荡行为，体现出类似于原子的壳层结构，并且提出可以通过输运来测量这一特殊的电子结构。2.我们通过构形方法研究了HgTe拓扑绝缘体量子点中的单个和少数个激子，对单激子，发现激子的能量和束缚能随量子点半径的增加而减小，还可以通过减小能带参数M来降低激子的能量，而M可以通过外加垂直电场和改变HgTe量子阱的厚度进行调控。对于双激子，发现激子束缚能始终为负，即激子间是排斥相互作用。对于更多的激子，我们得到了激子递增能谱，利用此可以近似的得出边缘态电子的数目，即可以得出边缘态电子的壳层结构。3.我们与中科院等合作从理论上证明了在一个垂直磁场下的多电子半导体量子环中电子的各向异性分布，是由Rashba自旋轨道耦合效应同Dresselhaus自旋轨道耦合效应之间的相互竞争引起的。这种特性可以通过翻转外加垂直电场的方法来改变，并且可以用光吸收的手段来探测。我们的理论提供了一种全电的手段来调控纳米结构中的电子态及其光学属性。提出该方案可以用于固体量子计算，成果得到科技日报的专访和多家公众号的转载。4.我们受重庆邮电大学学报邀请撰写综述论文《基于半导体量子点的量子通信》，我们综述了基于半导体量子点单光子和纠缠光子对的制备。5.我们研究了新型二维材料硅烯中的物理性质，解析的给出了硅烯中隧穿几率随入射角的变化关系，并且通过外加电场等手段进行调控。6. 我们紧接着之前关于拓扑绝缘体量子点的工作，研究了拓扑绝缘体量子点中边缘态电子和磁性离子间的sp-d交换相互作用。