生长方向对量子点应变与应变弛豫的影响-物理学报.PDFVIP

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生长方向对量子点应变与应变弛豫的影响-物理学报

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 5 (2013) 058105 生长方向对量子点应变与应变弛豫的影响* 叶盈 周旺民† ( 浙江工业大学机械工程学院, 杭州 310032 ) ( 2012 年7 月5 日收到; 2012 年9 月20 日收到修改稿) 由于材料弹性的各向异性与表面能的各向异性, 不同的生长方向或生长面, 量子点有不同的力学性能与行为. 本文基于各向异性弹性理论的有限元方法, 以金字塔型自组织InAs/GaAs 半导体量子点为研究对象, 分别在7 个常 见的生长方向或生长面上, 对其应变能和应变弛豫能、自由能等进行了分析计算, 得到了这些能量随生长方向的变 化规律. 结果表明(211) 量子点应变弛豫能最大, 而(100) 量子点应变弛豫能最小. 这些结果可为可控制备量子点提 供理论参考. 关键词: 量子点, 生长方向, 平衡形态, 应变弛豫 PACS: 81.40.Jj, 68.35.bg, 68.65.Hb, 62.25.−g DOI: 10.7498/aps.62.058105 场. Glas11 基于各向同性的弹性理论的解析法做 1 引言 了一些研究, 将单个截断的金字塔量子点引入应变 场进行计算, 讨论量子点系统的应变分布. Ni 等12 近年来, 量子点是材料、光学与生命科学等领 基于微观结构体系能量的分析, 研究了多层量子点 域最重要的研究课题之一. 之所以备受瞩目是因为 生长过程中已生长层量子点对当前生长层量子点 这种由少量原子构成的准零维量子点结构的能量 生长模式的影响, 发现了已生长层量子点中失配应 具有完全量子化特性, 所带来的尺寸效应、量子限 变在外延层表面形成的弹性场和非均匀表面应力 域效应、宏观量子隧道效应和表面效应1−4 , 从根 存在竞争关系, 并决定了生长层量子点的排布规则. 本上改变了材料的光电性能, 是新一代微电子、光 但是, 关于生长方向或生长面对量子点力学性能, 电子器件和电路的基础. 同样地, 制备高质量量子 如应变及应变弛豫等的影响, 目前还没有系统性的 点结构材料也非常困难, 体现在制造工艺上, 自组 定量研究. 本文以金字塔形自组织InAs/GaAs 半导 装量子点的过程会在材料表面形成很多缺陷, 由于 体量子点为研究对象, 运用立方晶系弹性理论的有 衬底的厚度要比薄膜材料厚很多, 晶格的畸变和应 限元方法1314 , 分别在7 个有代表性的制备晶面 5 力主要发生在薄膜层中, 导致界面受损 . 大量实 上, 主要涉及低指数面(100), (110), (111) 和(211) 验 6−9 显示, 在不同生长方向上自组装制备量子 面, 高指数面(311), (331) 和(337) 面, 对其应变能和 点, 将引起复杂的内部应变场. 晶格能量的弛豫释 应变弛豫能、自由能等进行分析计算, 结果表明在 放, 将形成不同的再造表面形态, 存在减小应变, 降 (211) 面生长量子点, 其应变弛豫能最大, 而(100) 低能量, 增加系统稳定的可能性, 从而提高材料的 面应变弛豫能最小. 这些结果为可控生产制备量子 各方面性能. 目前关于量子点平衡形态与应变场分 点提供了有价值的理论及实验参考. 10 布有大量理论上的研究和

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