介观纳米体系的电子输运性质

系电子输运的研究提出更高的要求和巨大的挑战! 图1.2 不同维度介观纳米体系的电子态密度图。湘潭大学博士学位论文4 1.2.1 二维介观纳米体系 1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念——两种晶格匹配很好的半导体材料交替排列的周期性结构。他们的设想两年后通过分子束外延方法得以实现。图1.3(a)所示就是一种典型的半导体超晶格。在GaAs和AlAs层的交界处形成势阱。势阱内的电子在平行界面方向可自由运动,但在垂直界面方向,电子运动将由于能级分裂而被冻结。这样的电子系统被称为二维电子气结构。如果势垒层厚度足够宽,使得相邻阱内的电子波函数没有相互作用,这种结构也被成为量子阱。由于载流子的运动在与界面垂直的方向受到限制,使得原晶体的电子能带劈裂成一系列的子能带,折叠回布里渊区,形成新的能带结构。利用这种能带折叠效应,可将间接带隙材料变为直接带隙材料,或改变能带间隙,这也被称为能带工程。图1.3 (a) GaAs/AlAs超晶格 (b) 超晶格场效应晶体管二维半导体量子阱和超晶格已经显示出许多有趣的量子效应并被广泛应用于器件的研究。利用它对晶体能带的可裁剪性,可以制备成电子的能量过滤器。利用二维电子气的高迁移率特性制备出来的高电子迁移率晶体管大大改善了晶体管的高频特性。图1.3(b)是一个场效应晶体管的原理图,中间的超晶格通道增强了载流子的输运能力,从而增强了输出功率。而基于超晶格结构共振隧穿效应实现的共振隧穿二极管和实空间热电子转移器件显示出许多常规器件无法实现的功能。另外,在光电子学方面超晶格的应用也取得重要进展。在二维电子气中运动的电子所发射的光比在体材料中三维运动的电子发射的光更强,能量更集中,因此更适合于制作激光器。目前用量子阱制成的激光器阈值电流可低于10A·cm-2(约1mA),只有通常的双异质结激光器的1/100。此外,量子阱、超晶(a) (b)