锰掺杂纤锌矿半导体量子线的光学和磁学性质

Dilute magnetic semiconductor(DMS) is a semiconductor which doped with a small amount of magnetic ions, dilute magnetic semiconductor have a broad prospect of application in the field of quantum information because the nature of the spin and the charge of the electron can be used simutaneously. Recently, several kinds of semiconductor, such as CdS, CdSe and ZnO, are widely concerned because of their excellent optical properties. In this project, the optical and magnetic properties of wurtzite semiconductor nanowires, which are doped with a small amount of magnetic impurities such as Mn ions, will be studied theoretically, the method used in this research is the effective-mass envelope wave function approximation. The effective-mass envelope wave function approximation is a very effective method to study the low-dimensional semiconductor materials when the external field is applied. Especially the Hamiltonians of the electron and the hole of the wurtzite nanowires have been derived under the magnetic field in the previous work, based on these Hamiltonians, the optical and magnetic properties influenced by the doped Mn ions in the wurtzite semiconductor nanowires will be further studied. For example, the optical absorption spectra, the degree of circular polarization and exciton states can be studied theoretically when Mn ions are doped in the wurtzite semiconductor nanowires, to a certain extent, the theoretical calculations can be compared with the experiments, and the properties of the wurtzite semiconductor nanowires devices can also be futher predicted by the theoretical calculations.

在半导体中掺入少量的磁性杂质构成稀磁半导体（DMS），稀磁半导体由于可同时利用电子的自旋和电荷属性，使其在量子信息处理领域有广泛的应用前景。近年来几种纤锌矿半导体材料如CdS、CdSe和ZnO具有优良的光学特性而受到广泛的关注。本项目从理论上研究磁场下纤锌矿半导体量子线中掺入少量磁性杂质如Mn离子后的光学和磁学性质，所采用的研究方法是有效质量包络波函数近似。当加入外场时，有效质量包络波函数近似是研究低维半导体材料非常有效的方法。尤其在前面的工作中我们从理论上推导出了纤锌矿半导体量子线在磁场下的电子和空穴哈密顿量，基于此哈密顿量我们可以进一步研究Mn离子对半导体量子线光学、磁学性质的影响。比如从理论上研究Mn掺杂纤锌矿半导体量子线光吸收谱、圆偏振光的偏振度和激子态等等，理论计算在一定程度上可与实验进行比较，也可以进一步对纤锌矿半导体量子线器件的性能进行预测。

在半导体中掺入少量的磁性杂质构成稀磁半导体（DMS），稀磁半导体由于可同时利用电子的自旋和电荷属性，使其在量子信息处理领域有广泛的应用前景。近年来一些纤锌矿和闪锌矿半导体材料如CdS、CdSe、ZnO、InAs和GaAs具有优良的光学和特性而受到广泛的关注。半导体量子线由于易于合成而成为在理论和实验上研究的热点，而且量子线只在一个维度上没受到限制而呈现出许多新奇的物理性质。同时，现在的密度泛函理论(DFT)计算半径比较大的量子线体系的电子结构非常耗时而且几乎不可能。然而，有效质量理论是研究低维半导体体系非常有效的方法。因此，在本项目中我们采用有效质量理论对少量磁性掺杂的纤锌矿和闪锌矿半导体量子线在外磁场中的光学和磁学性质进行研究。. 我们推导出了外磁场下适用于纤锌矿和闪锌矿量子线的六带和八带的有效质量k.p微扰哈密顿量，并通过Bessel函数展开法解析的得到了量子线体系的包络波函数以及上面几种量子线的电子结构。然后，我们通过平均场近似方法来处理磁性掺杂离子（如：锰离子）和半导体中载流子的sp-d 交换相互作用，得到了量子线的电子结构和磁光谱随锰离子浓度、外磁场以及温度的变化关系。最后，通过解析写出的半导体量子线的包络波函数，能使我们很容易计算量子线从导带子带跃迁到价带子带的光跃迁矩阵元，并进一步研究其中的光吸收谱和光增益等的光学性质。我们的理论研究对促进量子线尤其是稀磁量子线在半导体器件领域的应用具有重要理论意义。