材料物理与化学专业毕业论文材料物理与化学专业毕业论文 精品论文精品论文 低维纳米结构中声学低维纳米结构中声学声子的输运性质研究声子的输运性质研究关键词：低维纳米结构关键词：低维纳米结构 声子输运声子输运 缺陷超晶格缺陷超晶格 透射系数透射系数 量子波导量子波导摘要：近几十年来，半导体低维量子结构因其新颖的物理性质和广泛的应用前 景，已成为凝聚态物理和材料科学中的重要前沿领域。同时，分子束外延等超 薄生长技术和精细束加工技术的日益完善和迅猛发展也为量子器件的不断推陈 出新给予了重要的技术支持。在本文中，我们对半导体低维纳米结构中的热输 运和热导作了较深入的探索，并获得了一些有意义的结果，以期能为相关量子 器件的设计和制造提供理论依据。 首先，我们在连续弹性近似模型下，利用 转移矩阵方法，研究了扩散层和缺陷层在多层薄膜结构中对声学声子输运的影 响，计算结果表明：不同频率的声学声子，大多数都能很好地穿透该结构，但 也有若干频率的声学声子只有较低的透射系数而在图像中形成相应的波谷；波 谷处的声学声子频率的大小与扩散层和缺陷层的厚度、含 Al 浓度、薄膜周期数 的变化没有关系；声学声子通过该结构的透射系数，与扩散层和缺陷层的厚度、 含 Al 浓度、薄膜周期数有密切关系，有些声学声子的透射系数对结构参数的变 化十分敏感。这些结论，一方面，告诉我们可以通过改变以上结构参数来调节 和控制声学声子通过该结构的透射系数；另一方面，可以为声子器件的设计和 相应的实验研究提供理论上的参考。 接着，我们利用连续介质弹性模型和散 射矩阵方法，研究了四垂直波导中的热输运，计算结果揭示了一些有趣的性质： 总透射系数对约化频率的透射谱展示了一系列共振的峰谷结构。当四垂直波导 中的一个弯曲高度火于或等于该量子波导中声子通道的最小维度时，透射谱中 就会出现禁止频隙；当弯曲高度足够大时，透射谱中会出现一个或多个禁止频 隙。有些具有较大弯曲高度的四垂直波导，它们对应的禁止频隙的宽度反而更 窄，禁止频隙的数目可能更少。在波导的弯曲部分只有 0 模时，可以看到声子 的透射系数随弯曲高度成周期性改变。 在弯曲区域的高度和长度较小时，四 垂直波导的热导对弯曲区域的高度和长度的变化十分敏感。随着温度的升高， 四垂直波导的热导先减小，达到最小值后再增大。第一个连接在单个波导上的 四垂直波导会抑制透射系数的增大和形成禁止频隙。在四垂直波导系列上每增 加一个四垂直波导，就会在透射谱上增加二个共振峰。这些结论对人工控制热 导和声子器件的设计具有指导意义。 我们也对低温下四通道量子结构的声子 输运和热导进行了数值分析。计算的结果表明：当声学声子通过对称四通道量 子结构时，声学波将在区域的边界发生多重反射，这些声学波在区域相互 干涉形成具有一定波长和周期的驻波。不同的声学声子模在对称四通道量子结 构中能够自动选择性地进入不同的输运通道。声学声子模的选择输运特性依赖 于区域的的宽度和长度、不同通道的横向宽度和相对位置。通过适当调谐该 纳米结构的几何参数，可以加强或者削弱声子在不同通道中的输运强度。当声 学声子通过非对称四通道量子结构时，不同的声学声子模也能够自动选择性地 进入不同的输运通道。不同声子通道在低温下的热导是非整数量子化的。因此， 该半导体四通道纳米结构在低温下可以用作声子模的分离器，或用于控制声学 声子输运。 最后，我们研究了两种不同性质的双缺陷对纳米线中的声学声子 热输运的影响，研究结果表明：当声学声子通过内含双缺陷的纳米线时，总透射系数（T）随约化声了频率（/）的变化图像呈现一系列的峰谷结构； 由于缺陷和纳米线的边缘对声波的多重反射，声波在该纳米线中相互干涉可以 形成驻波。透射系数的大小对双缺陷的宽度、长度和双缺陷的距离的变化十分 敏感。在有真空缺陷的纳米线中，当 T0 时，声子透射系数趋近于 1；当双缺 陷是硬材料时，在纳米线中传播的声学声子，其频率必须大于其阈限频率。 这两种缺陷对热导的影响有本质的不同。若双缺陷是真空，当 T0 时，可以看 到普适的量子化热导和热导平台。然而，若双缺陷是硬材料，当 T0 时，纳米 线的热导为 0，激发 0 模必须大于其阈限温度。这些结论既让人们获得了一些 有关缺陷的重要性质，又为实现人工控制热导和声子器件的设计提供了又一新 的思路。正文内容正文内容近几十年来，半导体低维量子结构因其新颖的物理性质和广泛的应用前景， 已成为凝聚态物理和材料科学中的重要前沿领域。同时，分子束外延等超薄生 长技术和精细束加工技术的日益完善和迅猛发展也为量子器件的不断推陈出新 给予了重要的技术支持。在本文中，我们对半导体低维纳米结构中的热输运和 热导作了较深入的探索，并获得了一些有意义的结果，以期能为相关量子器件 的设计和制造提供理论依据。 首先，我们在连续弹性近似模型下，利用转移 矩阵方法，研究了扩散层和缺陷层在多层薄膜结构中对声学声子输运的影响， 计算结果表明：不同频率的声学声子，大多数都能很好地穿透该结构，但也有 若干频率的声学声子只有较低的透射系数而在图像中形成相应的波谷；波谷处 的声学声子频率的大小与扩散层和缺陷层的厚度、含 Al 浓度、薄膜周期数的变 化没有关系；声学声子通过该结构的透射系数，与扩散层和缺陷层的厚度、含 Al 浓度、薄膜周期数有密切关系，有些声学声子的透射系数对结构参数的变化 十分敏感。这些结论，一方面，告诉我们可以通过改变以上结构参数来调节和 控制声学声子通过该结构的透射系数；另一方面，可以为声子器件的设计和相 应的实验研究提供理论上的参考。 接着，我们利用连续介质弹性模型和散射 矩阵方法，研究了四垂直波导中的热输运，计算结果揭示了一些有趣的性质： 总透射系数对约化频率的透射谱展示了一系列共振的峰谷结构。当四垂直波导 中的一个弯曲高度火于或等于该量子波导中声子通道的最小维度时，透射谱中 就会出现禁止频隙；当弯曲高度足够大时，透射谱中会出现一个或多个禁止频 隙。有些具有较大弯曲高度的四垂直波导，它们对应的禁止频隙的宽度反而更 窄，禁止频隙的数目可能更少。在波导的弯曲部分只有 0 模时，可以看到声子 的透射系数随弯曲高度成周期性改变。 在弯曲区域的高度和长度较小时，四 垂直波导的热导对弯曲区域的高度和长度的变化十分敏感。随着温度的升高， 四垂直波导的热导先减小，达到最小值后再增大。第一个连接在单个波导上的 四垂直波导会抑制透射系数的增大和形成禁止频隙。在四垂直波导系列上每增 加一个四垂直波导，就会在透射谱上增加二个共振峰。这些结论对人工控制热 导和声子器件的设计具有指导意义。 我们也对低温下四通道量子结构的声子 输运和热导进行了数值分析。计算的结果表明：当声学声子通过对称四通道量 子结构时，声学波将在区域的边界发生多重反射，这些声学波在区域相互 干涉形成具有一定波长和周期的驻波。不同的声学声子模在对称四通道量子结 构中能够自动选择性地进入不同的输运通道。声学声子模的选择输运特性依赖 于区域的的宽度和长度、不同通道的横向宽度和相对位置。通过适当调谐该 纳米结构的几何参数，可以加强或者削弱声子在不同通道中的输运强度。当声 学声子通过非对称四通道量子结构时，不同的声学声子模也能够自动选择性地 进入不同的输运通道。不同声子通道在低温下的热导是非整数量子化的。因此， 该半导体四通道纳米结构在低温下可以用作声子模的分离器，或用于控制声学 声子输运。 最后，我们研究了两种不同性质的双缺陷对纳米线中的声学声子 热输运的影响，研究结果表明：当声学声子通过内含双缺陷的纳米线时，总透 射系数（T）随约化声了频率（/）的变化图像呈现一系列的峰谷结构； 由于缺陷和纳米线的边缘对声波的多重反射，声波在该纳米线中相互干涉可以 形成驻波。透射系数的大小对双缺陷的宽度、长度和双缺陷的距离的变化十分 敏感。在有真空缺陷的纳米线中，当 T0 时，声子透射系数趋近于 1；当双缺陷是硬材料时，在纳米线中传播的声学声子，其频率必须大于其阈限频率。 这两种缺陷对热导的影响有本质的不同。若双缺陷是真空，当 T0 时，可以看 到普适的量子化热导和热导平台。然而，若双缺陷是硬材料，当 T0 时，纳米 线的热导为 0，激发 0 模必须大于其阈限温度。这些结论既让人们获得了一些 有关缺陷的重要性质，又为实现人工控制热导和声子器件的设计提供了又一新 的思路。 近几十年来，半导体低维量子结构因其新颖的物理性质和广泛的应用前景，已 成为凝聚态物理和材料科学中的重要前沿领域。同时，分子束外延等超薄生长 技术和精细束加工技术的日益完善和迅猛发展也为量子器件的不断推陈出新给 予了重要的技术支持。在本文中，我们对半导体低维纳米结构中的热输运和热 导作了较深入的探索，并获得了一些有意义的结果，以期能为相关量子器件的 设计和制造提供理论依据。 首先，我们在连续弹性近似模型下，利用转移矩 阵方法，研究了扩散层和缺陷层在多层薄膜结构中对声学声子输运的影响，计 算结果表明：不同频率的声学声子，大多数都能很好地穿透该结构，但也有若 干频率的声学声子只有较低的透射系数而在图像中形成相应的波谷；波谷处的 声学声子频率的大小与扩散层和缺陷层的厚度、含 Al 浓度、薄膜周期数的变化 没有关系；声学声子通过该结构的透射系数，与扩散层和缺陷层的厚度、含 Al 浓度、薄膜周期数有密切关系，有些声学声子的透射系数对结构参数的变化十 分敏感。这些结论，一方面，告诉我们可以通过改变以上结构参数来调节和控 制声学声子通过该结构的透射系数；另一方面，可以为声子器件的设计和相应 的实验研究提供理论上的参考。 接着，我们利用连续介质弹性模型和散射矩 阵方法，研究了四垂直波导中的热输运，计算结果揭示了一些有趣的性质：总 透射系数对约化频率的透射谱展示了一系列共振的峰谷结构。当四垂直波导中 的一个弯曲高度火于或等于该量子波导中声子通道的最小维度时，透射谱中就 会出现禁止频隙；当弯曲高度足够大时，透射谱中会出现一个或多个禁止频隙。 有些具有较大弯曲高度的四垂直波导，它们对应的禁止频隙的宽度反而更窄， 禁止频隙的数目可能更少。在波导的弯曲部分只有 0 模时，可以看到声子的透 射系数随弯曲高度成周期性改变。 在弯曲区域的高度和长度较小时，四垂直 波导的热导对弯曲区域的高度和长度的变化十分敏感。随着温度的升高，四垂 直波导的热导先减小，达到最小值后再增大。第一个连接在单个波导上的四垂 直波导会抑制透射系数的增大和形成禁止频隙。在四垂直波导系列上每增加一 个四垂直波导，就会在透射谱上增加二个共振峰。这些结论对人工控制热导和 声子器件的设计具有指导意义。 我们也对低温下四通道量子结构的声子输运 和热导进行了数值分析。计算的结果表明：当声学声子通过对称四通道量子结 构时，声学波将在区域的边界发生多重反射，这些声学波在区域相互干涉 形成具有一定波长和周期的驻波。不同的声学声子模在对称四通道量子结构中 能够自动选择性地进入不同的输运通道。声学声子模的选择输运特性依赖于区 域的的宽度和长度、不同通道的横向宽度和相对位置。通过适当调谐该纳米 结构的几何参数，可以加强或者削弱声子在不同通道中的输运强度。当声学声 子通过非对称四通道量子结构时，不同的声学声子模也能够自动选择性地进入 不同的输运通道。不同声子通道在低温下的热导是非整数量子化的。因此，该 半导体四通道纳米结构在低温下可以用作声子模的分离器，或用于控制声学声 子输运。 最后，我们研究了两种不同性质的双缺陷对纳米线中的声学声子热 输运的影响，研究结果表明：当声学声子通过内含双缺陷的纳米线时，总透射系数（T）随约化声了频率（/）的变化图像呈现一系列的峰谷结构；由 于缺陷和纳米线的边缘对声波的多重反射，声波在该纳米线中相互干涉可以形 成驻波。透射系数的大小对双缺陷的宽度、长度和双缺陷的距离的变化十分敏 感。在有真空缺陷的纳米线中，当 T0 时，声子透射