（理论物理专业论文）极性半导体三元混晶及其低维系统中的声子极化激元.pdf

极性半导体三元混晶及其低维系统中的声子极化激元 摘要 由于其独特的物理性质以及在异质结、量子阱、超晶格、量子线、 量子点等半导体低维系统中的广泛应用，极性半导体三元混晶成为了 制造许多新型的电子和光电器件的重要材料因此，三元混晶中元激发 的研究也成为目前凝聚态物理中十分前沿的研究领域之一，受到了广 泛和持续的关注本文系统地研究了三元混晶体材料、半无限大体材 料、三元混晶薄膜材料、以及由三元混晶组成的双层薄膜系统、量子 阱、自由量子线的体、表面、界面声子极化激元的性质采用改进的无 规元素孤立位移模型和玻恩一黄近似，结合电磁场的麦克斯韦方程和边界条件， 研究了声子极化激元的色散关系及其相关问题另外，三元混晶的“单双模 性 对极化激元的影响也做了讨论，获得的结果主要有： 一、运用改进的无规元素孤立位移模型和玻恩一黄近似，研究了极 性三元混晶体材料的声子极化激元及其相关问题，以v 和i i 族三元 混晶a i , , g a l 4 s 、z n ：。c d l 呵s 和g a x l n l 斟为例，数值计算了声子极化激元的 频率作为波矢和混晶组分的函数以及振子强度随组分的变化规律研 究结果表明：体材料中的极化激元有被两个禁带隔开的三个传播带， 其中两支具有类声子特征的极化激元模的能量随组分的改变呈非线性 变化；对于不同材料，极化激元的“双模 性和“单模”性在色散曲 线中也体现了出来 二、采用改进的无规元素孤立位移模型和玻恩黄近似，结合电磁 场的麦克斯韦方程和边界条件，研究了半无限大极性三元混晶体材料 表面的声子极化激元模，数值计算了三元混晶a i x g a h a s 、z n x c d l 工s 和g a x i n l q n 系统的表面极化激元频率以及表面声子对波矢和组分的 依赖关系结果表明：在半无限大体材料中传播的表面极化激元，其频 率分为两支；表面模频率对组分的依赖是非线性的；不同材料的表面 极化激元模亦显示出“双模 和“单模”性特征 三、研究了极性三元混晶膜的表面声子极化激元以a i j g a h a s 、 z n j c d h s 和g a ，i n l j n 膜为例，获得了其中表面声子极化激元的频率 作为波矢和膜厚之函数的数值结果并进行了讨论结果指出：在三元混 晶膜中有四支表面声子极化激元，不同材料极化激元模的色散曲线亦 反映了材料声子模的“双模”和“单模”性 四、研究了由极性三元混晶组成的双层薄膜系统的表面和界面声 子极化激元数值计算了g a a s a i j g a l ，a s 、z n s e z n j c d l j s e 和 z n s z n s x s e l x 等双层薄膜系统表面和界面处的极化激元频率作为波矢 和组分的函数结果表明在极性三元混晶双层薄膜系统中有六支表面 和界面极化激元，三元混晶的“双模 性和“单模 性对其的影响在 色散曲线中体现了出来，研究了不同情况中表面和界面极化激元电场 的空间分布，并讨论了一些特殊的异质结构情形 五、进一步研究了由极性三元混晶组成的量子阱系统的界面声子 极化激元数值计算了g a a s a i ，g a h a s 、z n s j s e l 工z n s 和 z n ，c d h s e z n s e 等量子阱系统界面处的极化激元频率作为波矢、组分 和阱层厚度的函数结果表明在由极性三元混晶组成的量子阱系统中 有六支界面极化激元，三元混晶的“双模”性和“单模”性对极化激 元模的影响在色散曲线中表现了出来，此外，我们还研究了不同情况 下界面极化激元电场的空间分布 六、将工作进一步推进，研究了矩形自由量子线的表面声子极化 激元模，数值计算了a 1 x g a l 毒a s 矩形自由量子线的表面声子极化激元 频率结果显示极化激元模的频率对混晶组分、沿量子线z 方向的波 矢屯、以及量子线形状长宽比的依赖均十分敏感 关键词：三元混晶，声子极化激元，表面，界面，薄膜，双层薄膜系 统，量子阱，量子线 p h o n o n p o l a r i t o n si nt e r n a r ym i x e dc r y s t a l s a n dt h e i rl o w d i m e n s i o n a ls y s t e m so fp o l a r s e m i c o n d u c t o r s a b s t r a c t t e r n a r y m i x e dc r y s t a l s ( t m c s ) o f p o l a r s e m i c o n d u c t o r sa r e c o n s i d e r e dt ob ev e r yi m p o r t a n tm a t e r i a l sf o rm a n yn e we l e c t r o n i ca n d p h o t o e l e c t r o n i cd e v i c e sd u et ot h e i ru n i q u ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa sw e l la s t h e i r c o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o n i na r t i f i c a l l a y e r e d s t r u c t u r e sa n d l o w - d i m e n s i o n a ls e m i c o n d u c t o rs t r u c t u r e ss u c ha s h e t e r o s t r u c t u r e s ， q u a n t u mw e l l s ，s u p e r l a t t i c e s ，q u a n t u mw e l lw i r e s ，a n dq u a n t u md o t s t h e s t u d i e so fe l e m e n t a r ye x c i t a t i o n si nt m c sh a v er e c e i v e dp e r s i s t e n ta n d e x t e n s i v ea t t e n t i o na n db e c o m eo n eo ft h ef r o n t i e rr e s e a r c hf i e l d si n c o n d e n s e dm a t t e ri nr e c e n ty e a r s i nt h i st h e s i s ，w eh a v es y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e dt h ed i s p e r s i o np r o p e r t i e so fp h o n o n - p o l a r i t o n sa n dr e l a t e d p r o b l e m si nb u l ka n ds e m i i n f i n i t em a t e r i a l s ，s l a b s ，b i l a y e rs y s t e m s ， q u a n t u mw e l l s ，a n df r e e - s t a n d i n gq u a n t u mw i r e sc o n s i s t i n go fp o l a rt m c m a t e r i a l s p h o n o n - p o l a r i t o n si nt h e s es y s t e m sa r ei n v e s t i g a t e dw i t ht h e m o d i f i e d r a n d o m - e l e m e n t i s o d i s p a l c e m e n t ( m r e i ) m o d e l a n dt h e b o r n h u a n ga p p r o x i m a t i o n ，b a s eo nt h em a x w e l l se q u a t i o n sw i t ht h e b o u n d a r yc o n d i t i o n s m o r e o v e r ，t h ee f f e c t so ft h e “t w o - m o d e a n d “o n e - m o d e ”b e h a v i o r so ft h et m c so nt h ep h o n o n p o l a r i t o n sa r ea l s o d i s c u s s e d s o m em a i nr e s u l t so b t a i n e di nt h e t h e s i sa r eg e n e r a l i z e da s f o l l o w s ： 【1 】w i t h i nt h em r e im o d e la n dt h eb o r n h u a n ga p p r o x i m a t i o n ，t h e d i s p e r s i o n r e l a t i o n sa n d c o r r e s p o n d i n g o s c i l l a t o r s t r e n g t h s o f b u l k p h o n o n - p o l a r i t o n si np o l a rt m c sa r ei n v e s t i g a t e d t h en u m e r i c a lr e s u l t s o ft h ep o l a r i t o nf r e q u e n c i e sa sf u n c t i o n so ft h ew a v e - v e c t o ra n dt h e c o m p o s i t i o n ，a n dt h ed e p e n d e n c e so ft h e i ro s c i l l a t o rs t r e n g t h so nt h e c o m p o s i t i o n sf o rt e r n a r y m i x e dc r y s t a l sa l j g a l ，a s ，z n j c d l x s ，a n d g a x i n l ，na r eo b t a i n e da n dd i s c u s s e d i ti ss h o w nt h a tt h e r ea r et h r e e p r o p a g a t e d b a n d s s e p a r a t e db y t w of o r b i d d e nb a n d sf o rt h e p h o n o n p o l a r i t o n si nb u l km a t e r i a l s ，a n dt h ed e p e n d e n c eo f t h ee n e r g i e so f t w o b r a n c h e so fb u l kp h o n o n p o l a r i t o n s ，w h i c hh a v ep h o n o n - l i k ec h a r a c t e r i s t i c s ，o nt h e c o m p o s i t i o n s o ft e m a r ym i x e dc r y s t a l si sn o n l i n e a r t h e “t w o - m o d e a n d “o n e m o d e ”b e h a v i o r so fp h o n o n - p o l a r i t o n sa r ea l s os h o w ni nt h e d i s p e r s i o nc u r v e so fb u l kp h o n o n p o l a r i t o n s 【2 】b ye m p l o y i n g t h em r e im o d e la n dt h e b o r n - h u a n g a p p r o x i m a t i o nb a s e do nt h em a x w e l l se q u a t i o n sw i t ht h eb o u n d a r y c o n d i t i o n s ， w eh a v e i n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y t h e s u r f a c e v p h o n o n - p o l a r i t o n s i ns e m i - i n f i n i t ep o l a rt m c s t h ee n e r g i e so ft h e s u r f a c e p h o n o n - p o l a r i t o n s h a v eb e e nc a l c u l a t e d t h e n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n sf o rs e v e r a li i i - va n di i - - v ic o m p o u n ds y s t e m sa r ep e r f o r m e d a n dt h e p o l a r i t o na n ds u r f a c ep h o n o nf r e q u e n c i e s a sf u n c t i o n so ft h e w a v e v e c t o ra n dt h ec o m p o s i t i o n sf o rt e r n a r ym i x e dc r y s t a l sa 1 x g a l x a s ， z n x c d1 x s ，a n dg a x i n l x n a s e x a m p l e s a r eg i v e na n dd i s c u s s e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r et w ob r a n c h e so fs u r f a c ep h o n o n p o l a r i t o n si n s e m i - i n f i n i t es y s t e m s t h ed e p e n d e n c eo ft h et w ob r a n c h e so fp o l a r i t o n s o nt h ec o m p o s i t i o n so ft m c si sf o u n dn o n l i n e a r t h e “t w o - m o d e a n d “o n e - m o d e b e h a v i o r so fs u r f a c ep h o n o n p o l a r i t o n sa r ea l s os h o w ni n t h e i rd i s p e r s i o nc u r v e s 【3 】s u r f a c ep h o n o n p o l a r i t o n s i ns l a b so fp o l a r t e r n a r y m i x e d c r y s t a l s a r e i n v e s t i g a t e d t h e n u m e r i c a lr e s u l t so ft h es u r f a c e p h o n o n p o l a r i t o n & e q u e n c i e s a sf u n c t i o n so ft h ew a v e - v e c t o ra n d t h i c k n e s sf o rs l a b so ft e r n a r ym i x e dc r y s t a l sa i ，g a l ，a s ，z n j c d t j s ，a n d g a ，i n l ，na r eo b t a i n e da n dd i s c u s s e d i ti s s h o w nt h a tt h e r ea r ef o u r b r a n c h e so fs u r f a c ep h o n o n p o l a r i t o n si ns l a bs y s t e m s t h e “t w o - m o d e a n d “o n e m o d e ”b e h a v i o r so fs u r f a c ep h o n o n p o l a r i t o n sa r ea l s os h o w n i nt h e i rd i s p e r s i o nc u r v e s 【4 】 w eh a v e i n v e s t i g a t e d t h e s u r f a c ea n d i n t e r f a c e p h o n o n p o l a r i t o n si nb i l a y e rs y s t e m sc o n s i s t i n go fp o l a rt e r n a r ym i x e d c r y s t a l s t h e n u m e r i c a lr e s u l t so ft h es u r f a c e a n d i n t e r f a c e v i p h o n o n - p o l a r i t o nf r e q u e n c i e sa sf u n c t i o n so ft h ew a v e - v e c t o r ，t h i c k n e s s ， a n dt h ec o m p o s i t i o n so ft h et e r n a r ym i x e dc r y s t a l si ng a a s a 1 工g a l 工a s ， z n s z n s j s e l 工，a n dz n s e z n x c d i j s eb i l a y e rs y s t e m sa r eo b t a i n e da n d d i s c u s s e d i ti ss h o w nt h a tt h e r ea r es i xb r a n c h e so fs u r f a c ea n di n t e r f a c e p h o n o n p o la r i t o n s i n b i n a r y t e r n a r ys y s t e m s t h e e f f e c t so ft h e “t w o - m o d e a n d “o n e - m o d e b e h a v i o r so ft h et e r n a r ym i x e dc r y s t a l so n t h es u r f a c ea n di n t e r f a c ep h o n o n p o l a r i t o nm o d e sa r es h o w ni nt h e d i s p e r s i o n c u r v e s t h ee l e c t r i cf i e l d so fs u r f a c ea n di n t e r f a c e p h o n o n p o l a r i t o n s a r ea l s op r e s e n t e df o rv a r i o u sc a s e s s o m es p e c i a l c a s e sa r ea ls od i s c u s s e di nt h ee n d 【5 】t h e i n t e r f a c e p h o n o n p o l a r i t o n s i n q u a n t u mw e l ls y s t e m s c o n s i s t i n go fp o l a rt e r n a r ym i x e dc r y s t a l a r es t u d i e d t h en u m e r i c a l r e s u l t so ft h ei n t e r f a c ep h o n o n - p o l a r i t o nf r e q u e n c i e sa sf u n c t i o n so ft h e w a v e - v e c t o r ，t h i c k n e s s ，a n d t h e c o m p o s i t i o n s o ft h e t e r n a r y m i x e d c r y s t a l s i n g a a s a i j g a l j a s ，z n s j s e l ，z n s ，a n dz n x c d t x s e z n s e q u a n t u mw e l ls y s t e m sa r eo b t a i n e da n dd i s c u s s e d i ti ss h o w nt h a tt h e r e a r es i xb r a n c h e so fi n t e r f a c e p h o n o n p o l a r i t o n s i n q u a n t u m w e l l s t r u c t u r e s t h ee f f e c t so ft h e “t w o m o d e ”a n d “o n e m o d e ”b e h a v i o r so f t h et e r n a r ym i x e dc r y s t a l so nt h ei n t e r f a c ep h o n o n p o l a r i t o n sa r es h o w n i nt h ed i s p e r s i o nc u r v e s t h ee f f e c t so ft h e t w o - m o d e a n d o n e m o d e b e h a v i o r so ft h et e r n a r ym i x e dc r y s t a l so nt h ei n t e r f a c ep h o n o n - p o l a r i t o n m o d e sa r es h o w ni nt h e i rd i s p e r s i o nc u r v e s t h ee l e c t r i cf i e l d so ft h e v n i n t e r f a c ep h o n o n p o l a r i t o n sa r ea l s op r e s e n t e df o rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 【6 】t h e s u r f a c e p h o n o n p o l a r i t o n s i n f r e e s t a n d i n gr e c t a n g u l a r q u a n t u mw i r e s a r ed e r i v e da n d a n a l y z e db a s e d o nt h em a x w e ll s e q u a t i o n sw i t ht h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s n u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ns e v e r a l f r e e s t a n d i n ga 1 j g a l 工a sq u a n t u mw i r e si sp e r f o r m e d t h er e s u l t sr e v e a l t h a t t h ed i s p e r s i o nf r e q u e n c i e so fs u r f a c ep h o n o n p o l a r i t o n s m o d e s s e n s i t i v e l yd e p e n do nt h eg e o m e t r i cs t r u c t u r eo ft h er e c t a n g u l a rq u a n t u m w i r e s ，t h ef r e ew a v e v e c t o r 疋i nz d i r e c t i o na n dt h ec o m p o s i t i o n so ft h e t m cm a t e r i a l k e y w o r d s ：t e r n a r ym i x e dc r y s t a l s ，p h o n o n - p o l a r i t o n s ，s u r f a c e ，i n t e r f a c e ，s l a b s ， b i l a y e rs y s t e m s ，q u a n t u mw e l l s ，q u a n t u mw i r e s 原创性声明 本人声明：所星交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果除本文已经注 明引用的内容外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得内蒙古大学及其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名： 日期： 指导教师签 日 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文盼全 部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索， 也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间 取得的研究成果属于内蒙古火学作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学 就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表 学位论文作者签名：指导教师签名 盏 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外研究现状 1 1 1 三元混晶中光学声子模的研究 多种物质均匀地混合而成的晶体谓之混晶金属元素构成的混晶即合金， 例如，黄铜、钢等，另一类常见的混晶是半导体混晶，它们又可分为元素( 例 如硅锗合金等) 和化合物( 例如a i j g a l ，a s ，z n ，c d h s 等) 混晶两类我们研究 的三元混晶则属于半导体化合物混晶由于三元混晶具有许多二元晶体所没有 的独特的物理性质，例如：其带隙能和光学声子频率都能被浓度x 直接控制， 从而被广泛地应用于许多人造层状材料和半导体低维系统，如：量子阱、超晶 格、量子线和量子点等，成为制造许多新型的电子和光电设备的重要材料，在 过去的几十年里，混晶在实验和理论两方面都得到了广泛的研究【1 ，2 】 有关混晶的最早的研究应该追溯到上个世纪2 0 年代，k r u g e r 等人【3 】在实 验上对混合卤化物晶体进行了红外反射测量，发现其剩余射线频率随着混晶组 分的变化线性地移动后来，由于实验技术的限制，混晶的研究曾一度转入低 潮，直至l9 6 0 年激光问世，才使混晶的研究重新活跃起来，大量的物理学工 作者都投身于这一领域的研究【4 】 19 6 4 年，l o g a n 等人【5 】在做g e s i 合金的声子辅助电子隧穿实验时发现了 一个特殊的声子模，它的频率是浓度工的线性函数，且随着浓度的变化从纯s i 的声子模频率变化到纯g e 的声子模频率，之后，在l9 6 5 年p o t t e r 和s t i e r w a t t 6 】 在研究三元混晶g a a s j s b l ，的红外性质时，也仅仅发现了一个单吸收峰，它的 频率随着浓度x 的增加连续地从纯g a s b 的声子频率值变化到了纯g a a s 的值， 类似地，g u l i s s e 等人【7 】也发现了l q i j c 0 1 j o 的剩余射线频率为浓度x 的线性函 数，此外，人们在一些混合卤化物晶体也发现了相同的性质【8 10 】，科学家们 内蒙古大学博士学位论文 把这种类型的混晶称为“单模 性( “o n e m o d e ”b e h a v i o r ) 混晶 1 9 6 6 年，贝尔实验室的v e r l e u r 和b a r k e r 【l1 】以及斯坦福大学的c h e n 等人 【i2 】在研究g a a s j p l x 的晶格振动谱时发现了两支声子模频率，分别类似于纯 g a a s 和纯g a p 的声子模，且其振子强度与混晶组分x 近似地成线性关系随后 v e r l e u r 和b a r k e r 【1 3 】又在c d s j s e l j 以及i l e g e m e s 和p e a r s o n 【1 4 在a i ，g a l 工a s 等混晶中也观测到了类似的性质，人们将具有此种性质的混晶称为“双模”性 ( t w o m o d e ”b e h a v i o r ) 混晶，随后的七、八十年代，混合卤化物晶体以及v ， i i 族混晶的晶格振动谱都得到了广泛而深入的研究【l5 - 2 7 1 上世纪九十年代以后，由于m n 族半导体在高效绿蓝发光二极管和激光 二极管中的广泛应用【2 8 】以及金属有机物化学汽相沉积( m o c v d ) 和分子束外 延( m b e ) 技术的不断发展，n 族三元混晶得到了更广泛的研究 2 9 3 3 】 科学家们为了研究三元混晶中声子模的性质提出了许多理论模型，最早的 理论模型是m a t o s s i 【3 4 在l9 51 年提出的仅考虑最近邻力常数的线性双原子链 模型，他运用这一模型讨论了混晶n a 工k t j c i 的单模性；l a n g e r 3 5 在l9 6 1 年 又提出了一个虚晶近似( v i r t u a lc r y s t a la p p r o x i m a t i o n ，v c a ) 模型；同时， c h a n g 3 6 】以及c h e n 等人【1 2 】为了研究三元混晶中声子模的性质分别提出了赝 单胞( p s e u d o u n i t c e l l ，p u c ) 模型和任意元素孤立位移 ( r a n d o m e l e m e n t - i s o d i s p l a c m e n t ，r e i ) 模型；后来c h a n g 和m i t r a 3 7 又对任意 元素孤立位移模型进行了改进( m o d i f i e dr a n d o m - e l e m e n t i s o d i s p l a c m e n t ，m r e i ) ， 在上述理论中，最成功的是赝单胞( p u c ) 模型和任意元素孤立位移( r e i ) 模型及 其修正( m r e i ) 为了更清楚地说明混晶的“单双模性质，我们我们运用改进的无规元素 孤立位移模型【4 和玻恩黄近似【3 8 】画出了几种典型三元混晶的长波光学声子 的能量随组分的变化关系，如图1 1 所示由图可以看出：在三元混晶 a 1 ，g a l j a s 中有两组光学声予频率在x = 0 时，频率较低的一组的c o i t 和0 3 i l 分 别对应于二元晶体g a a s 的横、纵光学声子频率：工= l 时，频率较高的c 0 2 t 和2 l 分别对应于a l a s 的横、纵光学声子频率于是，我们把这两组光学声子模分 别称为类g a a s 模和类a l a s 模，a i j g a l j a s 则属于“双模”性混晶而对于 z n j c d l ，s 和g a j i n l ，n ，情况则有所不同在这两种混晶中亦有两组光学声子 频率，其中频率较高的光学声子模2 t 和2 l 在x = o 时，分别对应于二元晶体 2 第一章绪论 c d s 和i n n 的横纵光学声子频率：在x = l 时，则分别对应于z n s 和g a n 的光 学声子频率至于频率较低的两支模，其横模与纵模的色散曲线0 9 l t 和0 3 l l 十 分接近，甚至几乎重合，以致振子强度很弱而不易观测，因此是不重要的所 以，我们将它们称为“单模”性混晶 、 o g 、_ _ 一 收 oo0 图1 1 几种典型三元混晶的长波光学声子的能量随组分的变化关系：( a ) a i ，g a i 抽、( b ) z n x c d l x s 、 ( c ) c r a l i n l n f i g 1 1 t h ee n e r g i e so fl o n g - w a v e l e n g t ho p t i c a lp h o n o n so fs e v e r a lt e r n a r ym i x e dc r y s t a l s ：( a ) a i j g a l 4 s ，( b ) z n ，c d l 。s ，a n d ( c ) g a l i n l 。n 三元混晶中其他元激发，如激子f 3 9 4 3 】、极化子【4 4 - 4 6 、以及电子声子 相互作用【4 7 - 5l 】等问题的理论工作同样也取得了很大的进展至今，三元混晶 仍是凝聚态物理研究的热点之一【5 2 - 5 6 1 1 2 声子极化激元的研究 我们知道极性晶体的原胞由两个分别带正电和负电的粒子构成，正负离子 间的相对振动( 长波光学模) 必然伴随着交变的电磁场由于光子是横向电磁场 激发的量子，光照射离子晶体时，将激发横向电磁场，从而对离子晶体中光频 3 内蒙古大学博士学位论文 支横波振动产生影响，特别是当光子频率c o = q c 与横光学声子模( t o 声子) 的频 率t o ( 约l0 1 3 s 1 ) 相近时，两者产生很强的耦合，其结果将使光子和声子的色 散曲线都发生重大的改变，形成光子横光学声子的耦合模式，既有声子的性 质又有光子的性质这种耦合振动模的量子称为极化激元( p o l a r i t o n ) 3 8 】，它是 离子晶体中的元激发由于= t o 时对应的光子波数q = t o c = t o t o c ( 约10 3 c m 1 ) 与布里渊区间的尺寸( 约10 s c m j ) 相比是小量，属于长波范围，因此极化激元是 长波横向光频支振动与电磁场的耦合的量子极化激元对于揭示晶体中的光 学现象起着关键作用，从而对离子晶体中的电学和光学特性产生重大影响 自从19 51 年黄昆先生富有开创性的工作建立以来f 3 8 】，极化激元一直是人 们研究的热点2 0 世纪7 0 年代以来，极化激元的概念已推广到电磁波与固体 中( 包括表面、界面和超晶格) 一切电性与磁性集体激发的线性耦合系统，人们 将光子与t o 声子、激子、磁振子和等离激元的线性耦合模量子都称为极化激 元，并已被r a m a n 光谱实验所证实时至今日，声子极化激元【5 7 - 6 0 】、激子 极化激元【61 - 6 3 】、磁极化激元【6 4 6 6 】、等离激元极化激元【6 7 7 0 等都得到了 广泛的研究 声子极化激元的许多性质是通过光谱实验得到的h e n r y 和h o p f i e l d 7 1 】在 19 6 5 年提出并做了第一个关于体声子极化激元的拉曼散射实验，测到了g a p 晶体中体声子极化激元的低频支色散曲线后来随着光谱技术的发展，科学家 们利用不同的相干光方法研究了体声子极化激元的产生、色散以及衰减等性 质，例如：相干反斯托克斯散射( c a r s ) 7 2 ，时域c a r s 7 3 】，以及最近的脉 冲受激拉曼散射( i s r s ) 7 4 7 6 和t h z 时域光谱技术【7 7 1 上世纪6 0 年代，随着表面科学的发展和光谱技术的改进，表面和界面声 子极化激元成了人们研究的热点拉曼散射( r a m a ns c a t t e r i n g ) 和衰减全反射 ( a t t e n u a t e dt o t a lr e f l e c t i o n ，a t r ) 是研究表面和界面声子极化激元的两种常用的 实验方法1 9 7 2 年，m a r s c h a l l 和f i s c h e r 7 8 运用a t r 方法第一次测得了半无 限大g a p 晶体表面的声子极化激元，表面声子极化激元模位于g a p 晶体的横光 学声子频率与纵光学( l o ) 声子频率之间，且位于光线在真空中的色散曲线的 右边，在此频率区间内g a p 晶体的介电函数为一负值之后，19 7 3 年e v a n s ， u s h i o d a 和m c m u l l e n 7 9 采用拉曼散射方法测得了g a a s 晶体薄膜材料的表面 声子极化激元，但他们只测得了低频支色散曲线，而没有测到高频支，他们将 4 第一章绪论 这一结果解释为是由于高频支表面模与体l o 声子模的频率非常接近，以至于 被l o 声子峰挡住而没有被观测到，随后在19 7 5 年，p r i e u r 和u s h i o d a 8 0 】通过 改进实验装置和改善实验技术，使用了一个计算机控制的光谱仪系统和一种数 字背景减去技术，成功地将高频支从l o 声子峰中分离了出来后来w a t a n a b l e 等人【81 ，8 2 】又分别运用远红外反射( f a 卜i n f r a r e dr e f l e c t i o n ) 技术和拉曼散射方法 测得了g a p 晶体薄膜材料表面的声子极化激元之后a 1 2 0 3 【8 3 】、g a n 8 4 】和 a i n 【8 5 等各向异性材料表面的声子极化激元都得到了研究时至今日，表面声 子极化激元在高密度红外数据存储【8 6 】、表面增强红外吸收【8 7 】、相干热发射 【8 8 】、亚波长声子光子学【8 9 ，9 0 1 等领域被广泛研究 随着量子阱、超晶格、量子线、量子点等低维纳米系统在人造光电与电子 材料中的广泛应用，以及分子束外延和金属有机物化学汽相沉积等微结构制造 技术的进一步发展，多层薄膜材料结构表面和界面处的声子极化激元也得到了 广泛研究19 7 5 年h a l e v i 9l 】研究了两个半无限大极性二元晶体界面处的声子 极化激元，得到了和半无限大二元晶体与真空表面的极化激元模完全不同的结 果，随后在19 8 3 年，w e n d l e r 和j a g e r 9 2 研究了两个二元晶体薄膜表面和界 面处的声子极化激元，得到了一些新的表面和界面模19 7 3 年m i l l s 和 m a r a d u d i n 9 3 】研究了三层结构( a i r f i l m s u b s t r a t e ) 表面和界面处的声子极化激 元，由于衬底材料被看作是非极性的，故此只得到了一支表面模和一支界面模， 分别位于薄膜材料与真空的表面和与衬底的界面处，这一构型类似于量子阱结 构，为人们以后研究量子阱结构中的声子极化激元奠定了基础，后来，l9 8 8 年n a k a y a m a 等人【9 4 】又研究了g a a s a i a s 异质结系统的表面和界面声子极化 激元模，其结构为( a i r g a a s ( 6 0 n m ) a i a s ( 5 0 0 n m ) g a a s ( 2 0 0 n m 缓冲层) 和3 0 0 p m 衬底) ，在此结构中他们得到了四支界面模和一支表面模，其中表面模位于g a a s 晶体( 6 0 n m ) 与真空的表面处，而界面模则位于异质结结构的g a a s ( 6 0 n m ) 与 a i a s ( 5 0 0 n m ) 以及a i a s ( 5 0 0 n m ) 与g a a s ( 2 0 0 n m 缓冲层) 的界面处，表面模和其 中的两支界面模位于g a a s 的t o 和l o 声子的频率区间内，而其余的两支界 面模则位于a l a s 的t o 与l o 声子的频率区间内，这两个频率区间恰好是体声 子极化激元的禁区但由于g a a s 的t o l o 声子频率区间能带宽度很小，仅为 a