半导体量子阱中激子波函数及其 Fourier系数的计算和应用

雷小丽; 王大威; 梁士雄; 吴朝新

doi:10.7498/aps.61.057803

摘要

利用准玻色子方法发展的激子动力学方程是研究半导体纳米结构中激子超快动力学的有效理论手段. 为了将这种方法应用于半导体量子阱, 需要知道量子阱中的激子波函数及其在动量空间的表示, 从而得到激子动力学方程中所必须的系数. 详细讨论了理想和实际量子阱中的激子波函数, 特别是其在动量空间的表示, 并进一步讨论了激子动力学方程中所必须系数的计算方法. 通过求解这些系数, 对量子阱中因激子密度变化而引起的太赫兹脉冲作用下激子能级间跃迁过程中的非线性效应进行了理论预测, 得到了与实验符合很好的结果.

关键词:

Abstract

Excitonic dynamic equations, which are derived from the quasi-Boson approach, are useful tools in investigating the ultrafast optical responses of semiconductor nanostructures. To apply these equations to the exciton dynamics in semiconductor quantum wells, we need exciton wavefunctions and their representations in momentum space to obtain the coefficients in the excitonic dynamic equations. By discussing in detail the exciton wavefunctions and their momentum-space representations, we present a method of obtaining the essential coefficients in the excitonic dynamic equations. We finally use these coefficients to understand the nonlinear effects in the terahertz-pulse-induced intraexcitonic transitions caused by high exciton densities. The obtained theoretical results are in good agreement with recent experimental results.

Keywords:

作者及机构信息

1.
西安交通大学电子信息与工程学院陕西省信息与光子技术重点实验室, 物理电子与器件教育部重点实验室, 西安 710049;

2.
西安邮电学院理学院, 西安 710061

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 10904122)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Shaanxi Key Laboratory of Photonics Techonology for Information and Key Laboratory for Physical Electronics and Devices of the Ministry of Education, School of Electronic and Information Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;

2.
Xi'an University of Post and Telecommnunications, Xi'an 710061, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No.10904122).

参考文献

[1]	Laughlin R B 1983 Phys. Rev. Lett. 50 1395
[2]	Tsekoun A, Go R, Pushkarsky M, Razeghi M, Patel C K N 2006Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 103 4831
[3]	Wang D W, Zhang A, Yang L, Dignam M M 2008 Phys. Rev. B77 115307
[4]	Gan Z Z, Yang G Z 1982 Acta Phys. Sin. 31 237 (in Chinese) [甘子钊, 杨国桢 1982 物理学报 31 237]
[5]	Zang H, Liu L, Liu J J 2007 Acta Phys. Sin. 56 487 (in Chinese) [张红, 刘磊, 刘建军 2007 物理学报 56 487]
[6]	Li M, Mi X W 2009 Chin. Phys. B 18 5534
[7]	Wang D W, Lei X L, Wu Z X 2011 J. Phys. Condens. Matter 23345801
[8]	Ji Z W, Lu Y, Chen J X, Mino H, Akimoto R, Takeyama S 2008Acta Phys. Sin. 57 1214 (in Chinese) [冀子武, 鲁云, 陈锦祥, 三野弘文, 秋本良一, 山正二郎 2008 物理学报 57 1214]
[9]	Jauho A, Johnsen K 1996 Phys. Rev. Lett. 76 4576
[10]	ćerne J, Kono J, Inoshita T, Sherwin M, Sundaram M, Gossard C1997 Appl. Phys. Lett. 70 3543
[11]	Kono J, Su M, Inoshita T, Noda T, Sherwin M, Allen Jr S, SakakiH 1997 Phys. Rev. Lett. 79 1758
[12]	Phillips C, Su M Y, Sherwin M S, Ko J, Coldren L 1999 Appl.Phys. Lett. 75 2728
[13]	Amo A, Lefrère J, Pigeon S, Adrados C, Ciuti C, Carusotto I,Houdr R, Giacobino E, Bramati A 2009 Nat. Phys. 5 805
[14]	Amo A, Sanvitto D, Laussy F P, Ballarini, Valle E D, Martin M D,Lema?Itre A, Bloch J, Krizhanovskii D N, Skolnick M S, TejedorC, Vi L A 2009 Nature 457 291
[15]	Haug H, Koch SW1990 Quantum Theory of the Optical and ElectronicProperties of Semiconductors (Singapore: World Scientific)
[16]	Mi X W 2004 J. Appl. Phys. 95 1191
[17]	Wang D W, Hawton M, Dignam M M 2007 Phys. Rev. B 76115311
[18]	de Leon B S, Laikhtman B 2001 Phys. Rev. B 63 125306
[19]	Betbeder-Matibet O, Combescot M 2002 Eur. Phys. J. B 27 505
[20]	Lloyd-Hughes J, Beere H E, Ritchie D A, Johnston M B 2008Phys. Rev. B 77 125322
[21]	Johnsen K, Kavoulakis G M 2001 Phys. Rev. Lett. 86 858
[22]	Kaindl R A, Carnahan M A, Hagele D, Lovenich R, Chemla D S2003 Nature 423 734
[23]	Cao J C 2003 Phys. Rev. Lett. 91 237401
[24]	Huber R, Kaindl R A, Schmid B A, Chemla D S 2005 Phys. Rev.B 72 161314
[25]	Combescot M, Betbeder-Matibet O 2003 Europhys. Lett. 62 140
[26]	Usui T 1960 Prog. Theor. Phys. 23 787
[27]	Utsunomiya S, Tian L, Roumpos G, Lai G W, Kumada N, FujisawaT, Kuwata-Gonokami M, Yamamoto Y 2008 Nat. Phys. 4700
[28]	Parfitt D G W, Portnoi M E 2002 J. Math. Phys. 43 4681
[29]	Dignam M M, Sipe J E 1990 Phys. Rev. B 41 2865
[30]	Yang L, Rosam B, Lachaine JM, Leo K, Dignam MM2004 Phys.Rev. B 69 65310
[31]	Wang D W, Dignam M M 2009 Phys. Rev. B 79 165320
[32]	Wang D W 2008 Ph. D. Dissertation (Queen's University atKingston)
[33]	Peyghambarian N, Gibbs H M, Jewell J L, Antonetti A, Migus A,Hulin D, Mysyrowicz A 1984 Phys. Rev. Lett. 53 2433
[34]	Schmitt-Rink S, Chemla D S, Miller D A B 1985 Phys. Rev. B 326601

施引文献

[1]	Laughlin R B 1983 Phys. Rev. Lett. 50 1395
[2]	Tsekoun A, Go R, Pushkarsky M, Razeghi M, Patel C K N 2006Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 103 4831
[3]	Wang D W, Zhang A, Yang L, Dignam M M 2008 Phys. Rev. B77 115307
[4]	Gan Z Z, Yang G Z 1982 Acta Phys. Sin. 31 237 (in Chinese) [甘子钊, 杨国桢 1982 物理学报 31 237]
[5]	Zang H, Liu L, Liu J J 2007 Acta Phys. Sin. 56 487 (in Chinese) [张红, 刘磊, 刘建军 2007 物理学报 56 487]
[6]	Li M, Mi X W 2009 Chin. Phys. B 18 5534
[7]	Wang D W, Lei X L, Wu Z X 2011 J. Phys. Condens. Matter 23345801
[8]	Ji Z W, Lu Y, Chen J X, Mino H, Akimoto R, Takeyama S 2008Acta Phys. Sin. 57 1214 (in Chinese) [冀子武, 鲁云, 陈锦祥, 三野弘文, 秋本良一, 山正二郎 2008 物理学报 57 1214]
[9]	Jauho A, Johnsen K 1996 Phys. Rev. Lett. 76 4576
[10]	ćerne J, Kono J, Inoshita T, Sherwin M, Sundaram M, Gossard C1997 Appl. Phys. Lett. 70 3543
[11]	Kono J, Su M, Inoshita T, Noda T, Sherwin M, Allen Jr S, SakakiH 1997 Phys. Rev. Lett. 79 1758
[12]	Phillips C, Su M Y, Sherwin M S, Ko J, Coldren L 1999 Appl.Phys. Lett. 75 2728
[13]	Amo A, Lefrère J, Pigeon S, Adrados C, Ciuti C, Carusotto I,Houdr R, Giacobino E, Bramati A 2009 Nat. Phys. 5 805
[14]	Amo A, Sanvitto D, Laussy F P, Ballarini, Valle E D, Martin M D,Lema?Itre A, Bloch J, Krizhanovskii D N, Skolnick M S, TejedorC, Vi L A 2009 Nature 457 291
[15]	Haug H, Koch SW1990 Quantum Theory of the Optical and ElectronicProperties of Semiconductors (Singapore: World Scientific)
[16]	Mi X W 2004 J. Appl. Phys. 95 1191
[17]	Wang D W, Hawton M, Dignam M M 2007 Phys. Rev. B 76115311
[18]	de Leon B S, Laikhtman B 2001 Phys. Rev. B 63 125306
[19]	Betbeder-Matibet O, Combescot M 2002 Eur. Phys. J. B 27 505
[20]	Lloyd-Hughes J, Beere H E, Ritchie D A, Johnston M B 2008Phys. Rev. B 77 125322
[21]	Johnsen K, Kavoulakis G M 2001 Phys. Rev. Lett. 86 858
[22]	Kaindl R A, Carnahan M A, Hagele D, Lovenich R, Chemla D S2003 Nature 423 734
[23]	Cao J C 2003 Phys. Rev. Lett. 91 237401
[24]	Huber R, Kaindl R A, Schmid B A, Chemla D S 2005 Phys. Rev.B 72 161314
[25]	Combescot M, Betbeder-Matibet O 2003 Europhys. Lett. 62 140
[26]	Usui T 1960 Prog. Theor. Phys. 23 787
[27]	Utsunomiya S, Tian L, Roumpos G, Lai G W, Kumada N, FujisawaT, Kuwata-Gonokami M, Yamamoto Y 2008 Nat. Phys. 4700
[28]	Parfitt D G W, Portnoi M E 2002 J. Math. Phys. 43 4681
[29]	Dignam M M, Sipe J E 1990 Phys. Rev. B 41 2865
[30]	Yang L, Rosam B, Lachaine JM, Leo K, Dignam MM2004 Phys.Rev. B 69 65310
[31]	Wang D W, Dignam M M 2009 Phys. Rev. B 79 165320
[32]	Wang D W 2008 Ph. D. Dissertation (Queen's University atKingston)
[33]	Peyghambarian N, Gibbs H M, Jewell J L, Antonetti A, Migus A,Hulin D, Mysyrowicz A 1984 Phys. Rev. Lett. 53 2433
[34]	Schmitt-Rink S, Chemla D S, Miller D A B 1985 Phys. Rev. B 326601

[1]	黄月蕾, 单寅飞, 杜灵杰, 杜瑞瑞. 拓扑激子绝缘体的实验进展. 物理学报, 2023, 72(17): 177101. doi: 10.7498/aps.72.20230634
[2]	玛丽娅, 李豫东, 郭旗, 艾尔肯, 王海娇, 曾骏哲. In0.53Ga0.47As/InP量子阱与体材料的1 MeV电子束辐照光致发光谱研究. 物理学报, 2015, 64(15): 154217. doi: 10.7498/aps.64.154217
[3]	赵凤岐, 张敏, 李志强, 姬延明. 纤锌矿In0.19Ga0.81N/GaN量子阱中光学声子和内建电场对束缚极化子结合能的影响. 物理学报, 2014, 63(17): 177101. doi: 10.7498/aps.63.177101
[4]	杨双波. 温度与外磁场对Si均匀掺杂的GaAs量子阱电子态结构的影响. 物理学报, 2014, 63(5): 057301. doi: 10.7498/aps.63.057301
[5]	丁美斌, 娄朝刚, 王琦龙, 孙强. GaAs量子阱太阳能电池量子效率的研究. 物理学报, 2014, 63(19): 198502. doi: 10.7498/aps.63.198502
[6]	杨双波. 掺杂浓度及掺杂层厚度对Si均匀掺杂的GaAs量子阱中电子态结构的影响. 物理学报, 2013, 62(15): 157301. doi: 10.7498/aps.62.157301
[7]	李立, 刘红侠, 杨兆年. 量子阱Si/SiGe/Sip型场效应管阈值电压和沟道空穴面密度模型. 物理学报, 2012, 61(16): 166101. doi: 10.7498/aps.61.166101
[8]	陈爱喜, 陈渊, 邓黎, 邝耘丰. 非对称半导体量子阱中自发辐射相干诱导透明. 物理学报, 2012, 61(21): 214204. doi: 10.7498/aps.61.214204
[9]	苏安, 高英俊. 双重势垒一维光子晶体量子阱的光传输特性研究. 物理学报, 2012, 61(23): 234208. doi: 10.7498/aps.61.234208
[10]	孟维欣, 郝玉英, 许慧侠, 王华, 刘旭光, 许并社. 基于一种新型有机金属配合物的量子阱结构有机电致白光器件的性能研究. 物理学报, 2011, 60(9): 098102. doi: 10.7498/aps.60.098102
[11]	郑莹莹, 邓海涛, 万静, 李超荣. 有机-无机杂化钙钛矿自组装量子阱结构的能带调控和光电性能的研究. 物理学报, 2011, 60(6): 067306. doi: 10.7498/aps.60.067306
[12]	张运炎, 范广涵. 量子阱数量变化对双波长LED作用的研究. 物理学报, 2011, 60(7): 078504. doi: 10.7498/aps.60.078504
[13]	屈媛, 班士良. 纤锌矿氮化物量子阱中光学声子模的三元混晶效应. 物理学报, 2010, 59(7): 4863-4873. doi: 10.7498/aps.59.4863
[14]	姜文龙, 孟昭晖, 丛林, 汪津, 王立忠, 韩强, 孟凡超, 高永慧. 双量子阱结构OLED效率和电流的磁效应. 物理学报, 2010, 59(9): 6642-6646. doi: 10.7498/aps.59.6642
[15]	王海霞, 殷雯. 周期耦合量子阱中的输运问题. 物理学报, 2008, 57(5): 2669-2673. doi: 10.7498/aps.57.2669
[16]	额尔敦朝鲁. 温度和极化子效应对准二维强耦合激子基态的影响. 物理学报, 2008, 57(1): 416-424. doi: 10.7498/aps.57.416
[17]	申晔, 邢怀中, 俞建国, 吕斌, 茅惠兵, 王基庆. 极化诱导的内建电场对Mn δ掺杂的GaN/AlGaN量子阱居里温度的调制. 物理学报, 2007, 56(6): 3453-3457. doi: 10.7498/aps.56.3453
[18]	李培咸, 郝跃, 范隆, 张进城, 张金凤, 张晓菊. 基于量子微扰的AlGaN/GaN异质结波函数半解析求解. 物理学报, 2003, 52(12): 2985-2988. doi: 10.7498/aps.52.2985
[19]	陈贵宾, 陆卫, 缪中林, 李志锋, 蔡炜颖, 沈学础, 陈昌明, 朱德彰, 胡钧, 李明乾. 离子注入诱导量子阱界面混合效应的光致荧光谱研究. 物理学报, 2002, 51(3): 659-662. doi: 10.7498/aps.51.659
[20]	. CdSe/CdMnSe多量子阱的激子光学性质的研究. 物理学报, 2001, 50(6): 1167-1171. doi: 10.7498/aps.50.1167

计量

文章访问数: 9835
PDF下载量: 573
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板