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各向异性与量子点平衡形态及应变分布研究

江瑛  
【摘要】:半导体量子点以其特有的光电特性和极具潜力的应用前景,成为半导体领域的热点课题。纳米尺度的量子点结构对内部载流子具有较强的三维限制作用,表现出明显优于大块体材料的光学特性。为了得到具有优异光电特性的量子点器件,研究人员对影响量子点特性的内外因素进行了深入研究,分别从理论和实验两个方面进行探讨。在自组织生长过程中,各向异性值、热膨胀系数、晶格常数以及晶体对称性等物理参数都会对量子点的成核位置、分布排列、平衡形态以及应变分布产生重大影响。因此,研究各物理参数对异质外延量子点体系的影响便成为迫切需要解决的科学问题。 目前,关于各向异性与自组织量子点的平衡形态及应变分布等的关系还没有系统性的定量研究。本文基于各向异性弹性理论的有限元方法对异质外延量子点进行了系统的研究,主要工作和成果如下: 1.基于弹性理论和有限单元法研究了不同各向异性值孤立金字塔形量子点的应力、应变分布。研究表明,应变与应力主要集中在界面附近,在量子点内部由下往上,逐渐变小。量子点各向异性系数不同时,量子点内的应力、应变分布特征大体相同,数值略有差异。所有这些应变都会随着各向异性的增大而相应的增大。 2.计算了不同各向异性值量子点的相关能量,得到了各向异性与平衡形态的函数关系。结果表明,应变弛豫能随着各向异性系数的增大而减小,量子点平衡高宽比随着各向异性数值的增大呈现先增大后减小的分布特征。当A =1时,即各向同性材料时,平衡高宽比数值最大。 3.基于异质外延体系的热力学平衡理论和能量学理论研究了不同各向异性系数时量子点及外延体系的弹性弛豫、生长模式转变过程中临界体积和临界成核功。在相同高宽比下,各向异性系数愈大,应变弛豫能愈小,即愈不利于岛状生长。另外,量子点和外延体系的弛豫因子都随着高宽比的增加都不断降低,但量子点弛豫的应变能大于浸润层弛豫的应变能。临界成核体积、成核功以及临界转变体积都随着各向异性系数的增大而增大。


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