Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Condensed Matter Physics, Inner Mongolia Minzu University, Tongliao 028043, China
2 College of Physics and Electronic Information, Inner Mongolia Minzu University, Tongliao 028043, China
Excitons have significant impacts on the properties of semiconductors. They exhibit significantly different properties when a direct semiconductor turns in to an indirect one by doping. Huybrecht variational method is also found to influence the study of exciton ground state energy and ground state binding energy in AlxGa1?xAs semiconductor spherical quantum dots. The AlxGa1?xAs is considered to be a direct semiconductor at Al concentration below 0.45, and an indirect one at the concentration above 0.45. With regards to the former, the ground state binding energy increases and decreases with Al concentration and eigenfrequency, respectively; however, while the ground state energy increases with Al concentration, it is marginally influenced by eigenfrequency. On the other hand, considering the latter, while the ground state binding energy increases with Al concentration, it decreases with eigenfrequency; nevertheless, the ground state energy increases both with Al concentration and eigenfrequency. Hence, for the better practical performance of the semiconductors, the properties of the excitons are suggested to vary by adjusting Al concentration and eigenfrequency
exciton effects aluminum gallium arsenide crystal direct band gap semiconductor indirect band gap semiconductor Journal of Semiconductors
2024, 45(3): 032701
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院 物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
常规的分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器中，增益区域所对应的自由谱间距应大于DBR高反射率带宽的1/2，以获得稳定的单模激射。该条件限制了DBR激光器的阈值和功率特性。文章首次提出并实现了基于DBR选模的太赫兹量子级联激光器（THz-QCL），并突破了上述限制。作者所实现的THz-QCL采用脊波导结构，利用解理腔面和DBR反射镜构成谐振腔，利用有源区增益谱较窄的特点，通过调整DBR反射率谱使增益谱与DBR高反射带在频域中部分重叠，从而获得了单模激射的THz-QCL。该方案使得DBR高反射带显著宽于自由谱间距，即显著提高了激光器中增益区域的长度，从而降低阈值并提高功率特性。实验上，作者研制出增益区域长达3.6 mm的DBR激光器，单模激射的频率为2.7 THz，边模抑制比达到25 dB，该激光器的阈值和温度特性与相同材料制备的法布里-泊罗腔多模激光器相当。文章中的工作为实现高性能单模太赫兹量子级联激光器提供了新的研究思路。
半导体激光器 量子级联 太赫兹 分布式布拉格反射镜 单模 光子禁带 semiconductor lasers quantum cascade terahertz distributed Bragg reflector single mode photonic band gap
武汉理工大学 理学院 物理系, 武汉 430070
为了设计制造新型的位相延迟器, 利用1维光子晶体的特性, 在折射率为1.52的玻璃上, 镀制了由硫化锌(ZnS)与冰晶石(Na3AlF6)构成的多周期二次元一维光子晶体,进行了数值模拟计算及理论分析。结果表明, 在带隙范围内, 1维光子晶体的等效折射率是虚等效折射率;在斜入射时, 带隙内的p光和s光的反射光各自位相增加, 出现位相延迟, 其偏振态发生改变, 由线偏振光变为椭圆(圆)偏振光;在发生全反射时, 光疏媒质的等效折射率是虚等效折射率;反射光出现位相增加, 产生位相延迟, 其偏振态发生改变, 由线偏振光变为椭圆(圆)偏振光。该延迟器可以改变光的传播方向, 改变偏振态的位相, 克服了薄膜λ/4波片的缺陷。
物理光学 位相延迟器 全反射 虚折射率 光子晶体 带隙 physical optics phase retardation total reflection imaginary refractive index photonic crystal band gap
本文设计了一种新型的二维声子晶体结构，采用有限元法和等效模型法进行了深入研究，发现该结构具有良好的低频吸声性能。通过理论推导和仿真计算发现，在21 mm的晶格常数条件下，该结构在0~800 Hz具有完整的四条带隙。第一带隙下限低至40.28 Hz，且具有约为93 Hz的带宽，计算其传声损失后，发现其在低频域内具有良好的隔声效果，最大隔声量可达87.31 dB。对该结构的多个振动模态分析，建立相应的等效模型，并基于等效模型探究了不同因素对带隙频段造成的影响，总结出该新型二维声子晶体的一般性规律。研究结果表明，增大散射体密度和减小基体密度可以增加带宽，增大填充率和对散射体适当进行开孔处理可以改善带隙特性。该研究对于解决低频噪声控制问题具有一定参考意义和工程应用价值。
声子晶体 局域共振 带隙机理 低频降噪 隔声 散射体 phonon crystal local resonance band gap mechanism low frequency noise reduction acoustic insulation scatterer
北京石油化工学院新材料与化工学院，北京 102617
研究双轴应变对单层CdZnTe半导体材料电子特性与光学性能的影响，可为制备光学性能优异的CdZnTe器件提供理论支持。本文采用Material Studio 软件构建单层CdZnTe模型，并在其(100)和(010)方向上施加应变。基于密度泛函理论的第一性原理模拟计算了单层双轴应变对单层CdZnTe带隙、载流子有效质量、迁移率和介电常数等性能的影响。结果表明，拉伸和压缩应变均能减小单层CdZnTe的带隙，且双轴应变可有效调控单层CdZnTe的载流子有效质量、迁移率和介电常数。与拉伸应变相比，相同大小的压缩应变对单层CdZnTe性能的调控更加明显。随施加双轴压缩应变的增大，单层CdZnTe的带隙值逐渐减小，CdZnTe半导体吸收光的波长范围得到提高，单层CdZnTe的载流子有效质量、迁移率总体呈下降趋势，介电常数实部逐渐下降，虚部逐渐上升，意味着单层CdZnTe的金属性增强，光学性能提高。
第一性原理 带隙 双轴应变 载流子有效质量 介电常数 CdZnTe CdZnTe first-principle band gap biaxial strain effective mass of carrier dielectric constant
1 1.天津城建大学 理学院, 天津 300384
2 2.北京长城航空测控技术研究所 状态监测特种传感技术航空科技重点实验室, 北京 101111
高能粒子轰击不可避免地会造成SiC材料内部缺陷的产生、积累, 晶格紊乱等, 导致其物理性能的显著变化, 继而影响基于SiC材料的半导体器件使用寿命。因此, 有必要对SiC在不同的辐射环境下的损伤行为进行系统研究。本工作对6H-SiC中子辐照肿胀高温回复及光学特性开展研究, 辐照剂量范围5.74×1018~1.27×1021 n/cm2, 退火温度在500~1650 ℃。利用X射线单晶衍射技术分析测试样品的晶体结构及晶胞参数, 结果表明: SiC仍为六方结构, 晶体未发生非晶化, 晶格肿胀及高温回复行为具有各向同性特征, 表明辐照缺陷以点缺陷为主。本征缺陷及辐照缺陷均可引入缺陷能级, 空位型缺陷是缺陷能级引入的主要因素。缺陷能级导致SiC吸收带边红移, 带隙宽度降低, 光吸收增强。利用吸收光谱、光致发光谱和拉曼光谱, 并结合第一性原理计算对缺陷能级分布开展研究, 结果表明硅空位在价带顶上方引入了新的缺陷能级, 而碳空位则是在导带底下方引入了新的缺陷能级。未辐照晶体在1382和1685 nm红外波段光吸收以及550 nm光发射主要源于本征碳空位及其相关缺陷构型; 辐照SiC晶体在415、440和470 nm处的发光主要源于辐照产生的硅空位及其相关缺陷构型。研究还利用电荷态和缺陷能级分布对SiC晶体发光机理行了讨论。
X射线单晶衍射 拉曼光谱 第一性原理 退火 带隙调控 缺陷 X-ray single crystal diffraction Raman spectra first principle annealing band gap tuning defect
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Materials Science, University of Connecticut, Storrs, CT 06269, USA
2 School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA
3 Department of Electrical and Computer Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT 06269, USA
Flexible dielectric polymers that can withstand high electric field and simultaneously have high dielectric constant are desired for high-density energy storage. Here, we systematically investigated the impact of oxygen-containing ether and carbonyl groups in the backbone structure on dielectric properties of a series of cyclic olefin. In comparison to the influence of the –CF3 pendant groups that had more impact on the dielectric constant rather than the band gap, the change of the backbone structure affected both the dielectric constant and band gaps. The one polymer with ether and carbonyl groups in the backbone has the largest band gap and highest discharge efficiency, while it has the lowest dielectric constant. The polymer without any ether groups in the backbone has the smallest band gap and lowest discharge efficiency, but it has the highest dielectric constant. Polymers that have no dipolar relaxation exhibit an inversely correlated dielectric constant and band gap. Enhancing the dipolar relaxation through rational molecular structure design can be a novel way to break through the exclusive constraint of dielectric constant and band gap for high-density energy storage.
Polymer dielectric band gap glass transition conduction energy density DFT Journal of Advanced Dielectrics
2023, 13(4): 2341005
1 贵州师范大学物理与电子科学学院, 贵州 贵阳 550001
2 贵州大学大数据与信息工程学院, 贵州 贵阳 550025
采用磁控溅射法在蓝宝石衬底上制备了结晶良好的Mg2Si多晶薄膜，研究了退火温度（375~475 oC）对薄膜晶体结构、表面形貌、拉曼光谱和光学性质的影响。X射线衍射（XRD）结果表明，当退火温度为400 oC时Mg2Si (220) 衍射峰强度最强，样品结晶质量最好，未见明显可观测的MgO相。扫描电镜（SEM）结果表明，所有样品表面均呈现清晰可见的规则六边形，且退火温度对形貌影响较小。拉曼光谱结果显示所有样品均呈现出Mg2Si薄膜的特征峰（256 cm-1附近的F2g振动模），同时出现345 cm-1附近的F1u (LO)声子模，表明生成样品均为结晶良好的Mg2Si薄膜。对薄膜光学性质的研究结果表明，随着退火温度升高，样品光学带隙先增大后减小。
材料 薄膜 Mg2Si 退火温度 蓝宝石衬底 光学带隙 material thin film Mg2Si annealing temperature sapphire substrate optical band gap
基于局域共振理论, 提出了一种新型减振材料-混凝土超材料的结构模型, 并通过增加基体中谐振骨料的种类, 增加了元胞的带隙数量。利用有限元法, 对比分析了单、双以及三谐振骨料混凝土超材料元胞的能带结构、本征模态和衰减特性, 研究了带隙的产生机理和影响因素, 根据等效质量法推导了带隙计算式。结果表明: 混凝土超材料元胞具有带隙特性, 且随着基体中谐振骨料种类的增加, 带隙数量增多, 但每条带隙的宽度降低, 谐振骨料种类与带隙之间存在一一对应的关系; 带隙的起始频率由对应元胞散射体的平移振动决定, 而截止频率则由对应元胞散射体与其他所有单元之间的反向振动决定; 通过合理配置元胞的材料和几何参数, 可以优化带隙的位置和宽度; 等效质量法的带隙计算值与有限元法吻合良好, 可用于多谐振骨料混凝土超材料元胞的带隙计算。
局域共振 混凝土超材料 谐振骨料 带隙 等效质量法 local resonance metaconcrete resonant aggregate band gap effective mass theory
为了解决周期格栅结构在低频领域的振动问题, 基于局域共振机理, 本文设计了一种新型复合二维周期格栅结构, 结合有限元方法对结构的带隙机理及低频共振带隙特性进行了分析和研究, 并在此基础上对结构进行优化设计。分析发现, 仅对包覆层结构进行优化, 便可大幅降低带隙的起始频率。带隙的位置由对应局域共振模态的固有频率决定, 通过改变结构的材料和尺寸参数可以将带隙调节到满足实际工程应用的范围。数值仿真结果与试验测试结果一致, 该结构可在40~90 Hz的低频范围打开宽度50 Hz的完全带隙, 最大振动衰减达到36 dB。这种结构设计为周期格栅结构获得低频、超低频带隙提供了一种有效的方法, 具有潜在的应用前景。
二维周期格栅 局域共振 低频带隙 声子晶体 结构优化 减振降噪 two-dimensional periodic lattice local resonance low frequency band gap phononic crystal structural optimization vibration and noise reduction
