低維納米結構中聲學聲子的輸運性質研究.pdf

1、近幾十年來，半導體低維量子結構因其新穎的物理性質和廣泛的應用前景，已成為凝聚態(tài)物理和材料科學中的重要前沿領域。同時，分子束外延等超薄生長技術和精細束加工技術的日益完善和迅猛發(fā)展也為量子器件的不斷推陳出新給予了重要的技術支持。在本文中，我們對半導體低維納米結構中的熱輸運和熱導作了較深入的探索，并獲得了一些有意義的結果，以期能為相關量子器件的設計和制造提供理論依據。 首先，我們在連續(xù)彈性近似模型下，利用轉移矩陣方法，研究了擴散層和缺

2、陷層在多層薄膜結構中對聲學聲子輸運的影響，計算結果表明：不同頻率的聲學聲子，大多數都能很好地穿透該結構，但也有若干頻率的聲學聲子只有較低的透射系數而在圖像中形成相應的波谷；波谷處的聲學聲子頻率的大小與擴散層和缺陷層的厚度、含Al濃度、薄膜周期數的變化沒有關系；聲學聲子通過該結構的透射系數，與擴散層和缺陷層的厚度、含Al濃度、薄膜周期數有密切關系，有些聲學聲子的透射系數對結構參數的變化十分敏感。這些結論，一方面，告訴我們可以通過改變以上結

3、構參數來調節(jié)和控制聲學聲子通過該結構的透射系數；另一方面，可以為聲子器件的設計和相應的實驗研究提供理論上的參考。 接著，我們利用連續(xù)介質彈性模型和散射矩陣方法，研究了四垂直波導中的熱輸運，計算結果揭示了一些有趣的性質：總透射系數對約化頻率的透射譜展示了一系列共振的峰谷結構。當四垂直波導中的一個彎曲高度火于或等于該量子波導中聲子通道的最小維度時，透射譜中就會出現禁止頻隙；當彎曲高度足夠大時，透射譜中會出現一個或多個禁止頻隙。有些具

4、有較大彎曲高度的四垂直波導，它們對應的禁止頻隙的寬度反而更窄，禁止頻隙的數目可能更少。在波導的彎曲部分只有0模時，可以看到聲子的透射系數隨彎曲高度成周期性改變。 在彎曲區(qū)域的高度和長度較小時，四垂直波導的熱導對彎曲區(qū)域的高度和長度的變化十分敏感。隨著溫度的升高，四垂直波導的熱導先減小，達到最小值后再增大。第一個連接在單個波導上的四垂直波導會抑制透射系數的增大和形成禁止頻隙。在四垂直波導系列上每增加一個四垂直波導，就會在透射譜上增

5、加二個共振峰。這些結論對人工控制熱導和聲子器件的設計具有指導意義。 我們也對低溫下四通道量子結構的聲子輸運和熱導進行了數值分析。計算的結果表明：當聲學聲子通過對稱四通道量子結構時，聲學波將在區(qū)域Ⅱ的邊界發(fā)生多重反射，這些聲學波在區(qū)域Ⅱ相互干涉形成具有一定波長和周期的駐波。不同的聲學聲子模在對稱四通道量子結構中能夠自動選擇性地進入不同的輸運通道。聲學聲子模的選擇輸運特性依賴于區(qū)域Ⅱ的的寬度和長度、不同通道的橫向寬度和相對位置。通過

6、適當調諧該納米結構的幾何參數，可以加強或者削弱聲子在不同通道中的輸運強度。當聲學聲子通過非對稱四通道量子結構時，不同的聲學聲子模也能夠自動選擇性地進入不同的輸運通道。不同聲子通道在低溫下的熱導是非整數量子化的。因此，該半導體四通道納米結構在低溫下可以用作聲子模的分離器，或用于控制聲學聲子輸運。 最后，我們研究了兩種不同性質的雙缺陷對納米線中的聲學聲子熱輸運的影響，研究結果表明：當聲學聲子通過內含雙缺陷的納米線時，總透射系數（T）

7、隨約化聲了頻率（ω/△）的變化圖像呈現一系列的峰－谷結構；由于缺陷和納米線的邊緣對聲波的多重反射，聲波在該納米線中相互干涉可以形成駐波。透射系數的大小對雙缺陷的寬度、長度和雙缺陷的距離的變化十分敏感。在有真空缺陷的納米線中，當T→0時，聲子透射系數趨近于1；當雙缺陷是硬材料時，在納米線中傳播的聲學聲子，其頻率必須大于其閾限頻率。 這兩種缺陷對熱導的影響有本質的不同。若雙缺陷是真空，當T→0時，可以看到普適的量子化熱導和熱導平臺。