赵福娟半导体量子点的电子态研究.docVIP

本科毕业论文论文题目： 半导体量子点电子态研究 学生姓名： 赵福娟 学号： 201009410107 专业： 电子科学与技术 指导教师： 董庆瑞 学 院： 物理与电子科学学院 2014年 5 月 20 日毕业论文（设计）内容介绍论文（设计）题 目半导体量子点的电子态研究选题时间2014/1/8完成时间2014/5/20论文（设计）字数10520关 键 词量子点 电子结构 量子尺寸效应 库仑阻塞效应论文题目的来源、理论和实践意义： 来源： 自从江崎和朱兆祥提出超晶格的设想以来，伴随着分子束外延和其他外延技术发展，各种半导体微结构的研究和应用已成为半导体科学和技术发展的最主要焦点，目前正经历一迅速发展时期，同时，集成电路已达到纳米量级的加工尺寸对集成电路发展的Moore律构成严重挑战，而半导体微结构其重点量子点的研究正孕育着新一代信息技术的科学基础。理论意义： 半导体量子点是一类新型低维量子结构。由于材料的尺寸可以与其中载流子的德布洛意波波长相比拟，载流子的波动性表现得十分明显，为凝聚态基础研究和固体电子学提供了物理基础，为我们理解物质的宏观特性提供了重要中介途径，而且其本身表现的特殊现象对量子力学和统计力学一些基本原理进行理论上的澄清和实验上的检验。实践意义： 低维半导体异质结构材料是新一代固体量子器件的基础, 高质量低维结构材料的可控生长和微细加工技术的不断进展, 可能触发新的微电子和光电子技术革命, 具有十分重要意义。论文的主要内容及创新点：主要内容：本文较为系统地介绍了半导体量子点的工艺，性质及应用的有关内容，详细列出数种典型量子点电子结构的计算方法。本文共有五章：第一章 介绍了量子点的概念和本文研究主旨；第二章 介绍半导体量子点的制备方法；第三章 半导体量子点的量子效应；第四章 列举了典型量子点电子结构计算方法，第五章 对半导体量子点应用原理解释。第六章，当前研究热点发展前景展望.创新点：本篇论文不仅介绍了半导体量子点的概念，当今制备技术，特别是对半导体量子点的量子效应、各种典型电子结构进行详细探讨，为电子结构计算提供了一种思路，注重理论计算与实践应用的结合，探讨了量子点在量子器件的设计和制造的基础理论依据和应用模型。附：论文（设计）本人签名： 2014 年 05月20日目录摘要4第一章 绪论51.1量子点的概念51.2 本文研究内容及意义5第二章 半导体量子点的制备6第三章 半导体量子点的量子效应73.1表面效应73.3库伦阻塞效应73.4宏观量子隧道效应73.5共振隧穿效应8第四章 半导体量子点的电子结构84.1箱型量子点94.2球型量子点104.3型量子点124.4磁场中的量子点14第五章 半导体量子点的应用、研究现状及前景展望165.1半导体量子激光器165.2半导体量子点在电子器件上的应用165.3 半导体量子点在生命科学中的应用175.4量子点在量子计算机中的应用175.5 目前半导体量子点研究亟待解决的问题18第六章 结束语18参考文献20半导体量子点的电子态研究赵福娟(山东师范大学 物理与电子科学学院)摘要：量子点，又称“人造原子”，它是纳米科学与技术研究的重要组成部分.由于载流子在半导体量子点中受到三维限制而具有的优异性能，构成了量子器件和电路的基础，在未来的纳米电子学、光电子学、光子、量子计算和生命科学等方面有着重要的应用前景，受到人们广泛重视。 本文从量子点定义出发，阐述了量子点制备方法、电子量子效应，重点讨论量子点电子结构，详细阐述量子点器件的应用，并对其应用前景进行展望。关键词：量子点 制备 电子结构 量子效应 量子器件Semiconductor Quantum Dot Electronic StateZhao Fujuan（College of Physics and Electronics, Shandong Normal University）Abstract: Quantum Dot, usually called “artificially made atoms”, are one of the most subjects of nanometer science and technology. The superior properties of semiconductor quantum dot resulting from the three dimensional confinement of the carrier constitute the basic of quantum devices and circuts. The research and the development as well as application semiconductor quantum dot are expected to attract more and more attention and greatly influence nanometer electronics and optoelectronics, photon and quantum computing and even the life sciences. And the paper focus on the electronic structure of quantum dots and the application of the devices of the semiconductor quantum dots as well as describes the future application of the quantum dots.Keywords: Quantum Dot Electronic Structure Quantum Size Effect Coulomb Blockade Effect 第一章 绪论1970年，半导体超晶格、量子阱概念的提出，开创了人工设计、制备低维量子结构材料研究的新领域，所谓低维量子结构材料，通常是指三维体材料之外的二维超晶格、量子阱、一维量子线和零维量子点材料。半导体量子点是一种三维尺寸都趋于载流子的德布罗意波长的半导体纳米结构，这种结构可有效限制载流子的空间分布和运动，有不同于体材料的量子物理特性，如电子结构、输运特性及光学性质，具有态密度和能量与函数类似的性质，同时量子点的形状结构和尺寸可人为调控，以调节其带隙、量子束缚能及激子的能量蓝移等电子状态，进而开辟了半导体纳米结构新的应用，可实现量子点器件的电学和光学性质的剪裁，得到低功耗、高性能的新型元器件，是国际研究的前沿热点领域。量子点结构是一个涉及物理、化学和材料等多学科交叉的研究领域，内容广泛。本文主要讨论半导体量子点的制备、性质和它的应用及发展前景。1.1量子点的概念 量子点也称人工原子，在20世纪晚期开始受到重视。指人造的尺寸为1100nm 的小系统内含110000 个可控制的电子，它的尺寸比团簇大，但小于光刻精度。量子点的三维尺寸都与该方向电子的波长或平均自由程可比拟甚至更小。因此载流子在三个方向的能量都是量子化的运动都受到了约束，故称为零维材料。它的性质与体材料显著不同，包括量子尺寸效应、量子干涉效应、非线性光学效应、表面效应、量子隧穿与库仑阻塞效应等，因此在纳米电子器件制造方面有极重要的前景。1.2 本文研究内容及意义 纳米科学是新世纪的科学前沿，它将改变人类的生产生活方式，同时它在基础科学方面向人们提出许多新的挑战并促进基础科学的发展，半导体量子点是半导体纳米材料的典型结构，其内电子展示了一些类自然原子的特性（如分立的能级结构和额外电子填充的壳层结构等），但量子点内注入的额外电子是人为可调的 ，用当今纳米技术课控制半导体量子点的形状尺寸，是研究相当广泛物理现象的非常有用的系统，且在未来量子功能器件中具有巨大的潜在的应用价值。人们制备量子点和研究其性质的努力进行了三十多年，取得很多进展。本文较为系统的介绍半导体量子点工艺，详细的列出典型量子点电子结构的计算及讨论方法，同时结合国内外研究进展，总结量子点的应用趋势及发展前景。本文共六章：第一章 介绍量子点的概念，分类及介绍本文的研究目的。第二章 介绍半导体量子点的制备方法。第三章 介绍半导体量子点的量子效应，如表面效应，量子尺寸效应等。第四章 列举典型量子点电子结构计算方法。第五章 介绍半导体量子点在各个方面的应用及前景展望。第六章 结束语第二章 半导体量子点的制备目前流行的量子点制备方法有三种，一是在量子阱或超晶格结构的基础上用高分辨电子束曝光直写刻蚀的方法。量子点的形状分布可控但容易损伤而引入缺陷和玷污。二是用胶体化学方法制备半导体纳米晶态量子点，但工艺仍不成熟。 三是利用晶体生长的S-K(stranski-krastanow)模式进行应变原位自组装生长量子点，也是最简便成熟的方法。 自组装法的原理是晶格失配度适中的两种材料如Ge/Si,InAs/GaAs等。在分子束外延M B E 或金属有机化学汽相淀积M O C V D 始阶段是二维平面生长随着厚度的增加产生应变积累，导致在临界厚度时外延层转变为三维岛状生长以降低系统能量，最终形成了均匀且无位错的量子点。通过优化生长条件，可使量子点尺寸的不均匀性10%,密度控制在1081011cm。要充分发挥自组装量子点在纳米电子器件中的应用，实现其大小形状的人工调控是非常必要的。人们已在利用量子点间弹性作用而使其有序排列方面取得一定进展，而这对最终实现大小和形状的均一化是非常有利的目前人们提高，目前S-K 量子点均匀性和有序性的研究仍在进行之中。 第三章 半导体量子点的量子效应当颗粒尺寸进入纳米量级时，将表现出量子尺寸效应、量子限域效应、表面效应和宏观量子隧道效应等与宏观和微观系统不同的低维量子效应。3.1表面效应 随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面积随粒径减小而增大。随着量子点比表面积的增大，表面相原子数的增多，导致了表面原子的配位不足、不饱和键和悬键增多。使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合，从而引起量子点表面原子输运和结构的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们会影响量子点的发光性质以及引起非线性光学效应。同时量子点的表面张力亦随着粒径减小而增大，这将引起量子点的内部结构，特别是表面层晶格的畸变，使得晶格常数变小，从而发生显著的晶格收缩效应。Staduik等人通过XRD衍射分析表明，5nm的Ni超细微粒晶格常数收缩2.4。3.2量子尺寸效应 当粒子尺寸进入纳米量级时，由于量子尺寸效应，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，半导体纳米颗粒则出现分立的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道能级间距比粒子能级间距更宽，能隙变宽，这种现象称为量子尺寸效应。量子尺寸效应在光学性质方面表现在量子点电子性质的变化上，量子尺寸效应的最直接探测反映在带问吸收或发光峰向短波方向发生蓝移，这是由于纳米颗粒的能隙变宽。3.3库仑阻塞效应 如果一个量子点与其所有相关电极的电容之和足够小，这时只要有一个电子进入量子点，引起系统增加的静电能就会远大于电子热运动能量kBT这个静电能将阻止随后的第二个电子进入同一个量子点，这种现象叫做库仑阻塞效应。在实验上，可以利用电容耦合通过外加栅压来控制双隧道结连接的量子点体系的单个电子的进出。基于库仑阻塞效应可以制造多种量子器件，如单电子器件和量子点旋转门等。3.4宏观量子隧道效应 传统的功能材料和元件，其物理尺寸远大于电子的自由程，所观测的是群电子输运行为，具有统计平均结果，所描述的性质主要是宏观物理量。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑量子隧道效应。lOOnm被认为是微电子技术发展的极限，原因是电子在纳米尺度空间中将有明显的波动性，其量子效应将起主要功能。电子在纳米尺度空间中运动，物理线度与电子自由程相当，载流子的输运过程将有明显电子的波动性，出现量子隧道效应，电子的能级是分立的。利用电子的量子效应制造量子器件，要实现量子效应，要求在几个纳米到几十个纳米的微小区域形成纳米导电域。电子被“锁”在纳米导电区域，电子在纳米空间中显出的波动性产生了量子限域效应。纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导电。电子从一个量子阱穿越量子势垒进入另一个量子阱就出现了量子隧道效应，这种绝缘到导电的临界效应是纳米有序阵列体系的特点。3.5共振隧穿效应 共振隧穿效应在耦合量子点阵列系统中广泛存在。由于量子点结构对电子具有很强的三维限制作用，使得电子能级的值在各个方向上都是量子化的，且每个能级上都可以积累一定数目的电子。如果相邻两个量子点之间距离很近，以至于能移使量子隧穿过程发生，电子就可以在相邻量子点的能级间进行跃迁。如果改变外加电压，使电子所具有的能量与量子点中一个电子能级所对应的能量值相等，则电子就会隧穿到量子点中并发生共振。共振隧穿器件(resonant tunneling device，RTD)也被提出并进行了实验性的加工制造。RTD与传统的微电子学结合可构成微米-纳米混合式电子逻辑电路。第四章 半导体量子点的电子结构由于量子点是处于宏观固体和微观分子的中介状态， 其电子结构经历了从纯体相材料的连续能带到类分子的准分裂能级，因而其电子结构的研究可以从两方面人手。一种是从分子体系向量子点结构的过渡， 这就是所谓的化学键理论。它主要从物质的化学组成、晶体结构等短程序排列以及杂化轨道理论等出发研究其电子状态。如原子轨道线性组合模型、团簇模型和双曲线能带模型等就属于这一种；另一种则是从固体能带理论出发向量子点结构的演变。它从晶体结构的长程序周期性出发, 导出了体系中电子的能量是由一些密集的能级组成的能带。有效质量近似、经验的紧束缚方法、微扰以及变分计算等就属于这一种。对于不同类型的量子点和采用不同的理论框架与计算方法, 所得到的对电子结构的描述结果也不尽相同。计算结果的近似程度取决于理论模型的近似性、引人参量的合理性和计算过程的适度性。下面简要介绍箱型量子点、球型量子点、型量子点以及磁场中量子点的电子结构。4.1箱型量子点用X、Y和Z三维空间坐标描述箱型几何形状的量子点。当它的三个方向上的尺寸和都减小到时, 就得到了三维量子限制。在该量子体系中, 由于电子在X、Y和Z三个方向上的运动都是量子化的, 所以用k、l和n三个量子数来表征。在箱形量子点中, 电子波函数应满足三维薛定愕方程： (1)相应的电子波函数为,三个方向的薛定愕方程分别为： (2) (3) (4)取无限深方形势阱作近似, 则计算得出电子在三个方向上的能量本征值，综合得量子点体系中电子的总能量为 (8)与此相应, 有效状态密度为 (9)上述各式中、为箱形量子点在X、Y、Z三个维度上的量子化能级。由有效状态密度式可知，随着量子点尺寸的减小， 体系的能量会进一步增， 即能量的量子化效应也越显著。利用光波导理论中的有效折射率方法对其波函数和量子化能级进行讨论，当时或者当阱的顶部远高于量子化能级位置时，也可以得到与有效状态密度式相类似的计算结果。图1(a)和1(b)是箱形量子点的结构形状与态密度分布。4.2球型量子点将量子点看作一个球形，可以在球极坐标形式下求解其电子结构，表征球形量子点的尺寸参数是量子点的半径R0。原子团簇、超微粒子、多孔硅以及采用选择生长与蚀刻技术制备的纳米半导体量子点，原则上都可以按球形量子点讨论其电子状态。最早期的工作是采用有效质量近似，假定球形量子点具有抛物线型能带结构及球形无限对称势阱，在量子点半径R与体相激子玻尔半径之比分成三种受限情况下，对其激子的能量蓝移进行了计算。当R时，即在弱受限条件下，最低的激子能量蓝移，M 为激子平移质量， ， 和分别为电子和空穴的有效质量。当时，即在电子受限条件下，其中，,分别为电子和空穴的玻尔半径；当，即在强受限条件下， ，为电子和空穴的折合质量，采用上述模型的假定， 引人库仑屏蔽势， 采用变分计算， 在强受限条件下体系的哈密顿量为：- (10)上式中,和分别为量子点和基质的介电常数，和分别为电子与空穴的坐标,为电子与空穴相对于球形量子点中心的张角,凡是在求势分布时的展开球函数。量子点中最低量子化能量, 即式哈密顿量的基态能量为 (11)式中, 第一项为体材料的禁带宽度, 第二项为量子受限项, 第三项为库仑屏蔽项, 最后一项为表面极化项，其值为由式可以看出, 式中各项作为量子点半径R的函数延边关系。量子受限项与1/R2 成正比, 而库仑势与1/R成反比，二者都随的减小而增大。前者导致能量向高能方向移动, 即谱峰蓝移。当量子点半径大于体相激子玻尔半径, 即R时，量子受限作用很小, 主要体现电子一空穴的库仑作用项, 表现为激子受限。而当R减小时, 受限项的增大超过库仑势的增大而成为主要项, 因而最低激发态能量向高能端移动, 粒子能级出现量子化。球形量子点的量子尺寸效应, 已在具有间接带隙的Si,Ge量子点，ZnS,PbS型化合物量子点和型GaAs/AlGaAs量子点中由实验证实。图是Pbs超微粒的电子能量随粒径尺寸的变化关系。可以看出, 理论计算与实验结果符合一致。当粒子半径减小到5nm以下时电子能量急剧增加。 对于具有纳米级InAs单量子点, 利用高空间分辨率阴极发光谱研究证实, 其发光谱由若干超窄谱线组成, 其峰值半宽为0.15meV。并由此第一次实验证实了量子点的零维函数电子态密度的存在。对于由化学方法制备的半导体小球, 由光学方法也证实了它们的量子约束效应。从直径为4.5nm的CdSe小球在不同压力下的吸收谱可以看出, 吸收峰相对于体带隙有明显蓝移, 并可分辨出两个峰。直径越小, 能量位移越大。4.3型量子点型量子点具有与型量子点不同的能带结构，它可以参照型超晶格加以说明。所谓型超晶格, 即对于由两种材料组成的组分型超晶格，如果第一种材料的导带底低于第二种材料的导带底, 同时第一种材料的价带顶也低于第二种材料的价带顶，因而使得电子态位于第一种材料中，而空穴态位于第二种材料中。图2是型超晶格的能带图。由图可知，电子和空穴位于不同的势阱中，二者在空间上处于分距状态，因此具有较长的复合寿命与较小的激子束缚能。象一族AlInAs/InP、InAs/GaSb、GaAs/GaSb、-的Si/Ge,以及一的ZnTe/ZnSe的子点等都属于型量子点。型量子点的电子结构, 如激子束缚能等已广为人们研究。Laheld等对具有限定偏移V和Vb的型量子点系统进行了变分计算, 表明激子束缚能强烈依赖于量子点半径R, 并且与电子和空穴的有效质量相关。在有效质量近似下, 电子一空穴对的哈密顿量为 (12)式中 （13）哈密顿量（12）的基态能量可以利用双曲函数的非正交基组确定, 即 （14）其中是展开系数，其中和为变分参数,。量子点中的激子束缚能Eb可表示为体系的封闭能量Ec。与球形量子点中基态能量之差, 即： （15）作为能量和长度的单位, 引人有效里德堡能量： （16）和有效的玻尔半径： （17）可以得到无量纲能量： （18）和无量纲半径： （19）图3 (a)、(b)、(c)和分别是在有限，Vh=0和Ve、Vh均为有限三种条件下，利用上述的变分计算得到的无量纲激子束缚能随无量纲量子点半径的变化关系。由图3(a)可知，激子束缚能的量子尺寸效应十分显著。量子点体系的能量由电子的动能、空穴的动能以及库仑相互作用能三部分构成。当 3时，电子的动能本质上等于体系基态的能量，并支配着其它能量的贡献。由图3(b)可知，当量子点半径较大和限定带偏移较小时，激子具有较小的束缚能。 所有的曲线都显示出，对应于一个最大的激子束缚能，存在一个。而且随的减小而增大。图3(c)显示出一个令人感兴趣的特点，即随着的增加, 则减小。这是因为和中的任何一个增加，都将对哈密顿量是一个正的微扰，从而导致基态能量E0的增加，故使减小。4.4磁场中的量子点 当在一个三维电子气系统的Z方向加有磁场Bz时，电子只能在Z方向自由运动，而在垂直于磁场的X、Y方向，电子能级被量子化，并产生分立的朗道能级 （21）式中 为回旋共振角频率，为Z方向的波矢，为电子的有效质量。若将一量子阱结构放置于磁场中，使磁场垂直于量子阱平面，如此有磁场造成的二维量子限制和量子阱本来的一维限制构成了具有三维量子限制的量子点。此为一箱型量子点，电子能级完全分立，既有 （22）量子点中电子和空穴的基态能级（l=m=0）的有效能隙为 （23）式中 是体材料的能隙，其有效状态密度为 (24)对于用Si-MOS结构的双门器件实现量子点周期阵列，当在Z方向加有磁场时，假设全部相关的态都来自半导体绝缘体界面反型层的最低子能带，并考虑X、Y方向的抛物线型限制，单电子的哈密顿为 (25)其中， 是角动量的Z分量，对于这个二维振子问题，可使用振子算符， ，因此有 (26)其中杂化频率, 的本征值为 (27)这里，当B=0时，限制势的振子的谱为，当B时，简并度被消除，是由于Zeeman 分裂导致，随着磁场增加，Zeeman 分裂能级收敛到朗道能级，对应的能级为 。对于有个电子的量子点体系，情况更为复杂。 S.Nomura等人采用有效质量近似研究了CdSe量子点在磁场下的电子状态，在考虑了库仑作用，电子-空穴相互作用和价带混合效应下，发现磁场不仅诱导能级分裂，而且会影响激发态的光跃迁几率，其光跃迁几率通过轨道波函数的畸变和价带混合的变化由磁场加以调制，在弱磁场下，来自量子封闭的Zeeman 效应的跃迁起主导作用。而在强磁场下，来自于量子封闭的Paschen-Bac效应的跃迁支配着跃迁过程。第五章 半导体量子点的应用及前景展望量子点在光电子学、纳米电子学、生物医学、生命科学和量子计算等领域有着非常广泛的应用和应用前景。5.1半导体量子点激光器 量子点激光器是以量子点为有源区，其激射特性、物理性质具有无与伦比的优势，故量子点激光器的研制是量子点应用的首选器件。自从1994年量子点激光器研制成功以来，量子点激光器的研究一直很活跃，人们开发出各种方法制造量子点激光器，成果显著，例如，日本东京大学用电子线描绘及腐蚀法来制造量子点激光器；日本富士通和美国贝尔实验室用SK(StranskiKrasrtanow)法制造共振型的InAs量子激光器，其特点是在室温下可连续振荡，漏电流随温度上升慢，阈值电流和温度关系很弱；垂直腔面发射激光器是半导体激光器研究中的一个热点，具有低电流工作、光束质量好，面发射便于面集成和光耦合效应等特点。中国科学院半导体所是国内开展自组织研究的单位，王占国院士的研究组于1997年实现量子点激光器的激射；1998年制作出波长为096am，功率达1W大功率量子点激光器：2000年获得室温下PL峰值在l，3am的量子点材料，向1，3am激光器迈出了一大步。5.2 半导体量子点在电子器件上的应用基于库仑阻塞效应可以制造单电子器件和量子点旋转门等多种量子器件。另外。量子点共振腔雪崩光电二极管、量子点超辐射发光二极管、量子点共振垂直腔增强器件、量子点信息存储器件、量子点光放器、量子点异质结场效应晶体管、量予点红外控测器、量子点微腔光控测器、量子点网络自动机等都是量子点的具体应用。量子点单光子光源可稳定地发出单个电子流，将在量子密码通信领域有重要的应用前景；量子点红外探测器具有可以探测垂直x射线的光、有利于制造温度高的器件、降低热发射和暗电流以及不需要冷却等优点，已经成为光探测器研究的前沿，将在夜视、跟踪、医学诊断、环境监测、空间科学等方面发挥着巨大的作用。5.3半导体量子点在生命科学中的应用 在量子点研究早期，量子点的应用主要集中在光电研究方面，直至lJ20世纪90年代后期，在生命科学、生物医学研究方面的应用前景才逐渐明朗化。1998年Chart和Bruchez两个研究小组证明量子点可作为生物荧光探针并且适用于活细胞体系，发现新型荧光探针特别重要，将会大大地促进生命科学、生物医学的发展。如果能够解决量子点与生物分子的偶联，以及如何进入细胞的问题，那么就可将量子点交联在特异性抗体上，通过抗体和细胞内不同的细胞器或骨架系统特异性结合，这等于用量子点给细胞器或骨架系统贴上“标签”以便分辨，进行研究。由于量子点的高荧光量子产率等优越的荧光特性，它在基因芯片、蛋白质芯片中大有作为，可用于基因芯片、蛋白质芯片的搜索，大大提高检出的灵敏度、分辨率等。同样的原理也可应用于药物筛选，达到双高通量药物筛选，在医学研究中的成像技术、病变组织的诊断和治疗等方面亦有应用前景，例如，通过观察量子点标记分子与其靶分子相互作用的部位，及其在活细胞内的运动轨迹，从而了解分子之间作用机制，细胞生长发育的细节以及各种病变规律。借助于量子点优越的荧光光谱特性及其合适的空间尺度，可用量子点进行生物大分子光谱编码，研究生物大分子结构、功能与相互作用。5.4 量子点在量子计算机中的应用 量子计算机是应用量子力学原理进行计算的装置，其基本信息单元叫做量子比特，是实现量子计算的关键。根据量子理论，电子可同时处于两个位置，原子的能级在某一时刻既可处于激发态，又可处于基态，这意味着以这些系统构造出的基本计算单位-比特不仅能在相应于传统计算机的逻辑状态0和1稳定存在，而且也能在相应于这些传统位的混合态或叠加态存在，称为量子比特，既量子比特能作为单个的0或1存在。也可同时既作为0又作为1，而且用数字系数代表了每种状态的可能性。量子点是非常有前途的一种作为量子比特的材料。此外，量子网络自动机，量子点红外探测器也是当今科研热点，前景非常好。5.5 目前半导体量子点研究亟待解决的问题1. 如何控制自组织半导体量子点的生长，理解自组织生长过程的内在机理，可有效得到尺寸均匀且空间分布有序的量子点。2. 全面了解量子点的特性，这是为了真正认识这种纳米结构，也是基于量子点的新型元器件的要求，需大量的实验和系统的数据分析及复杂的理论计算，类似原子构成分子、晶体的概念，基于人工原子间相互作用，可以构造人工分子（量子点分子）、人工晶体（量子点晶体），因此含量子点结构的物理特性也是人们努力探索的方向。3. 量子点器件的应用，探索基于量子点的物理特性和原理的新型量子点结构原型器件，量子点的元器件的设计和制造不但要考虑量子点的特性，且要考虑制造工艺的可行性、简单性，从而使新型元器件具有很高的性价比，更重要的是大面积，大密度的集成新型元器件。第六章 结束语 半导体量子点的制备、光学、电学和应用等方面在理论和实验两个方面已的进展。由于半导体量子点微结构所特有的量子效应和独特的性质，一方面为我们理解物质的宏观性质提供了重要的中介途径，同时，为使其在未来各种功能器件的设计和应用中发挥重要作用；另一方面其本身表现出的特殊现象,有助于对量子力学和统计力学的一些基本原理进行理论上的澄清和实验上的检验。目前，随量子点理论研究工作的进展，量子点中少电子体系、非均匀量子点、量子点间的耦合以及量子点晶格的研究日益引起人们的广泛关注，非均匀量子点（有内部结构的量子点）中载流子的能谱及波函数与均匀量子点有很大差别，将导致非均匀量子点会有新异的光电性能。量子点耦合结构具有的库仑阻塞与单电子隧传效应对设计与制备单电子器件有广泛的应用前景。可预计，半导体量子点将开辟凝聚态物理与材料物理学的全新的研究领域，并将对设计和制造具有优异物理性质与功能特性的新型材料提供了理论依据。综合上述，材料的物理和化学特性最根本是由材料的电子结构决定，半导体量子点电子结构量子效应明显。目前实验条件下，半导体量子点电子结构受多种条件影响，如各种量子效应，各种电场、磁场、光场等外场；各种量子效应在各种条件下对量子点少电子体系、非均匀量子点；量子点之间的耦合和相互作用，量子点晶格结构等等，其基本理论研究讨论方法如上，但随着人们对其研究的深入，提出了多种近似理论计算模型，如有效质量近似理论(EMA)、紧束缚近似理论（ETBM）、赝势方法（EPM）等。理论、实验和研究方向的展开挖掘出量子点在低维物理研究和应用中潜在的、巨大的价值。参考文献：1 吴晓春，陈文驹，物理，1995；24（4）：2182王占国, 微纳电子技术, 2002,1:93 叶良修，半导体物理学，2007（10）：391，4464阎守胜，固体物理基础/ 北京：北京大学出版社，2000.3215王防震，半导体量子点的光谱和光学性质研究D上海，复旦大学，20056郭光灿，半导体量子点的量子计算与量子信息，中国科学技术大学出版社，20087 彭英才，半导体量子点的电子结构，固体电子学研究与进展，Vol.17,No.28 ZdetsisADOptical and electronic properties of small size semiconductor nanocrystals 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Technol.B,1986,4:358-36012 Kastner M A.The single-electron transistor.Rev.Mod.Phys.,1992,64:84913 王亚东，黄靖云，叶志镇，半导体量子点的器件应用，半导体光电Vol.21 No.514 卢金军，童菊芳，半导体量子点的制备、性质和应用，孝感学院学报,JUN.200715 赵凤瑗，张春玲，王占国，中科院半导体研究所，半导体材料科学实验室评述第 20 页 共 31页指导教师意见（包括选题的意义，资料收集或实验方法、数据处理等方面的能力，论证或实验是否合理，主要观点或结果是否正确，有何独到的见解或新的方法，基础理论、专业知识的掌握程度及写作水平等,并就该论文是否达到本科毕业论文水平做出评价）高质量低维结构材料的可控生长和微细加工技术不断发展，使得半导体量子点成为当今研究热点，其应用前景广阔，赵福娟同学的学士学位论文半导体量子点的电子态研究选择半导体量子点的电子态等相关问题进行研究，选题合理，揭示了半导体量子点中新的物理效应及其机制，并为设计和制造具有优良性能的量子器件提供了物理模型和理论依据，选择该题目进行研究有较强的理论意义和实践意义。作者在论文撰写前期资料收集全面，分析了不同半导体量子点制备的优缺点，从各方面分析了量子点的量子效应和输运特性，立足基础着重讨论半导体量子点的电子结构计算，并提出了创新性材料：半导体量子点在优良性能量子器件的设计和制造中的应用模型和基础理论依据。论文表明，该同学阅读了较多的参考文献，对该研究领域较熟悉，具备了一定的文献综述能力。论文语言较通顺，结构合理，基本观点正确，给出的相关分析有一定的参考价值。论文表明，该同学专业知识掌握较好，语言文字功底扎实，具备一定的独立从事科研的能力该文达到了学士学位论文水平。成绩： 指导教师（签名）： 2014 年 05 月10日注：成绩按优、良、中、合格、不合格五级分制计。评阅人意见（包括选题的意义，资料收集或实验方法、数据处理等方面的能力，论证或实验是否合理，主要观点或结果是否正确，有何独到的见解或新的方法，基础理论、专业知识的掌握程度及写作水平等，并就该论文是否达到本科毕业论文水平做出评价）论文选题符合专业培养目标，能够达到综合训练目标，题目有较高难度，工作量大。选题具有较高的学术研究（参考）价值。 该生论文资料收集全面，查阅文献资料能力强，写作过程中能综合运用半导体物理、量子力学及固体物理知识，独立全面分析半导体量子点等问题，不但查阅了半导体量子点发展初期的原始研究，而且注意到当今量子点发展的新动态，研究新热点，综合运用知识能力强。 文章篇幅完全符合学院规定，内容完整，层次结构安排科学，主要观点突出，逻辑关系清楚，在半导体量子点应用原理解释上深入浅出，在半导体量子点电子结构的计算中结合量子力学和固体物理有一定创新。论文有一定个人见解。 语言表达流畅，格式完全符合规范要求；参考了丰富的文献资料，其时效性较强。该文达到了学士学位论文水平。 成绩： 评阅人（签名）： 2014年05 月10日注：成绩按优、良、中、合格、不合格五级分制计。答辩委员会意见（应根据论文内容和答辩情况，并参考指导教师意见、评阅人意见对论文的综合水平做出具体评价）经过审阅，赵福娟同学的半导体量子点的电子态研究论文，结构合理，资料齐全，文笔流畅，逻辑严密，层次分明，数据可靠，结论合理。反映了作者具有较扎实的基础理论和较深入的专业知识，具有一定的独立科学研究能力。同意指导老师和评阅老师的意见。在论文答辩中，作者陈述清晰，能正确地回答答辩委员会提出的问题。答辩委员会认为该论文达到了本科毕业论文的要求和水平，经投票表决，一致通过严亮同学本科毕业论文答辩，同意毕业，建议授予学士学位。成绩： 答辩委员会主任（签名）： 2014年 05 月 10 日学院学位分委员会意见 成绩： 学位分委员会主任（签名）： （公章） 年 月 日注：成绩按优、良、中、合格、不合格五级分制计。山东师范大学本科毕业论文（设计）题目审批表学院:物理与电子科学学院 系别/教研室:应用物理 时间: 2014年01月07日课题情况题目名称半导体量子点的电子态研究课题性质 基础应用研究 教师姓名董庆瑞职称副教授学位博士课题来源科研 成果类别论文 主要研究内容与研究目标 主要研究内容：介绍半导体量子点的定义、分类，半导体量子点的制备方法及适用条件，详细研究半导体量子点的量子效应如量子尺寸效应、表面效应及量子输运的库仑阻塞效应，并且阐述量子效应如何与实践相结合，重点讨论半导体量子点的电子结构计算方法。主要研究目标：在研究半导体超晶格原理的基础上，通过对半导体量子点的研究成果及应用，提出创新性建议 指导教师签字： 2014年01月07日 选题学生签字： 2014年01月07日 系所或教研室审题意见选题符合专业培养目标，体现综合训练基本要求，题目难易程度适宜，同意开题。负责人签字: 2014年01月07日学院审批意见学院学位分委员会主任签字: 年 月 日山东师范大学本科毕业论文（设计）开题报告论文题目： 半导体量子点的电子态研究 学院名称： 物理与电子科学学院 专 业： 电子科学与技术 学生姓名： 赵福娟 学 号： 201009410107 指导教师： 董庆瑞 2014 年 03 月 11日一、选题的性质： 基础应用研究二、选题的目的和意义 半导体量子点是一类新型低维量子结构，由于材料的尺寸可与其中载流子的德布罗意波长相比，载流子的波动性表现十分明显，其能量只能取一些特定分立值，此量子效应可使得低维半导体材料结构呈现许多特别的物理性质，为凝聚态基础研究和固体电子学提供了物理基础，为我们理解物质的宏观特性提供了重要中介途径，而且其本身表现的特殊现象对量子力学和统计力学一些基本原理进行理论上的澄清和实验上的检验。这将有助于对基本理论的检验，更有助于新一代信息时代的发展。希望通过这么一篇论文使读者对半导体量子点有初步的了解并能激起读者对该领域研究的兴趣，将来能投身于这一领域的探究。三、与本课题相关的国内外研究现状，预计可能有所创新的方面 近年来在关于量子点及其祸合量子点系统的研究中，发现了量子混沌，量子Hall效应，单电荷现象等，并建立了针对这种人造结构的“人造原子物理学”以及与之相关的量子力学等一系列理论。虽然目前实验上我们还未能直接测量一个单个的量子点的能级和确定它的相应电子态，但却可以通过对单电子电导(SEC)、单电子电容谱(SECS)或单电子隧穿(SET)的研究间接地测量到单量子点中少电子系统的能级随外磁场的变化。2001年，普渡大学的Jeong和Chang首次探测到连在一起的一对量子点中每个量子点上电子的自旋状态，并以此为基础研制成计算机电路板上的开关线路。该成果标志着以半导体材料为基础的量子计算机的研制又向前迈进了一步。量子点技术与芯片技术结合还可能创造超高通量分析各种靶分子的技术平台，以及药物的高速筛选，从而促进新生物工程产业的发展，这也是未来要有所创新与发展的方向。四、课题研究的可行性分析 本篇论文所用到的理论知识主要有：量子力学，固体物理，半导体物理，传感器原理，红外探测器等等理论基础。并且，通过查阅相关资料和指导老师的指导，能够及时了解该领域的发展、研发现状。目前已基本确定考取中国科学