بررسی خواص الکترونی و نوری نقطه های کوانتومی هرمی-شکل با اثرهای کرنش و لایه ی خیس
Abstract
نانوساختارهای نیم رسانا که به آن ها نقطه ی کوانتومی یا اتم های مصنوعی نیز گفته می شود، کاربردهای بسیاری در سامانه-های مختلف از جمله لیزرها و آشکارسازهای نوری پیدا کرده اند که این کاربردها به دلیل ویژگی های وابسته به اندازه و قطبش آن ها است. در هنگام رشد ساختارهای نامتجانس خودسامان یافته مثل inas/gaas، نقطه های کوانتومی در شکل-های مختلفی مثل هرم و نیمه بیضی وار رشد می کنند. به دلیل تفاوت ثابت شبکه بین مواد تشکیل دهنده ی این ساختارها، جزیره های سه بعدی بر روی یک لایه ی نازک دو بعدی به نام لایه ی خیس شکل می گیرند. به دلیل وجود لایه ی خیس و هندسه ی پیچیده ی نقطه های کوانتومی، امکان ارایه ی حل تحلیلی برای بررسی این نانوساختارها وجود ندارد. بنابراین، برای بررسی نقطه های کوانتومی با حداقل تقریب ها، از روش های عددی مثل روش المان محدود استفاده می شود. در این پایان نامه، ویژگی های الکترونی و نوری گذارهای بین زیرنواری نقطه های کوانتومی inas/gaas با در نظر گرفتن جفت-شدگی با لایه ی خیس بررسی شدند. بدین منظور و برای به دست آوردن ویژگی های الکترونی، معادله ی شرودینگر تک نوار در تقریب جرم موثر حل شد. برای به دست آوردن ویژگی های نوری، روش ماتریس چگالی کوانتومی استفاده شد. کرنش موجود در این ساختارها به عنوان یک پتانسیل اضافه در پتانسیل محدودیت در نظر گرفته شد. برای بررسی مدل-های واقع گرایانه، جفت شدگی بین نقطه ی کوانتومی و لایه ی خیس در نظر گرفته شد. به دلیل هندسه ی پیچیده ی نقطه-های کوانتومی، محاسبات به شکل عددی و با روش المان محدود انجام شد. برای نقطه های کوانتومی گنبدی-شکل، نیمه-بیضی وار و هرمی-شکل، ویژه مقادیر انرژی، توابع موج، فرکانس های گذار، قدرت نوسان، دوقطبی های گذار و ویژگی-های خطی و غیرخطی نوری بر حسب اندازه و هندسه به طور جامع مورد بررسی قرار گرفتند. سه ویژه حالت s (به عنوان حالت پایه)، p (به عنوان حالت برانگیخته ی اول با تبهگنی دوگانه) و wl (به عنوان حالت شبه پیوستار) به همراه گذارهای بین آن ها (که معمولاً در محدوده ی تراهرتز طیف قرار می گیرد) مطالعه شدند. نتایج این کار نشان دادند که گرچه در برخی از پژوهش ها، به منظور سادگی در انجام محاسبات از وجود لایه ی خیس صرف نظر می شود، لایه ی خیس اثرات قابل توجهی بر ویژگی های الکترونی و نوری می گذارد. هم چنین، نشان داده شد که گذارهای p-to-s و wl-to-p دارای قطبش درون صفحه ای هستند، در حالی که گذار wl-to-s دارای قطبش عمود بر صفحه است. در این کار، برای اولین بار، یک رقابت در شدت جذب و قدرت نوسان بین گذارهای wl-to-s و wl-to-p با تغییر اندازه ی نقطه-های کوانتومی نشان داده شد. برای تمام اندازه های نقطه ی کوانتومی، نشان داده شد که گذار p-to-s دارای بیشترین جذب خطی بین گذارها است که این موضوع در توافق با پژوهش های تجربی است. علاوه بر این، نشان داده شد که برای یک نقطه ی کوانتومی نیمه بیضی وارِ تخت، ویژگی های نوری غیرخطی و به ویژه کمیت عدد شایستگی، به دلیل افزایش برهم نهی بین حالت های p و s افزایش پیدا می کنند. در پایان، اثر میدان الکتریکی (اثر استارک) بر روی ویژگی های نقطه های کوانتومی بررسی شد و نشان داده شد که این اثر می تواند به عنوان راهی برای بهبود ویژگی های نوری نقطه های کوانتومی استفاده شود.