利用彈性應變梯度調控半導體激子和載流子動力學研究

從原子尺度對半導體材料的電子能帶結構和載流子動力學進行人工裁剪和調控，對于設計新型光電子功能器件和提升現有半導體光電子器件性能，尤其是小尺度的納米光電子器件，具有十分重要的指導意義。俞大鵬等早期的研究工作證明，由于微/納米尺度材料能夠承載比體材料大得多的彈性應變（Physical Review B 73, 235409，2006），可以從原子尺度連續和可逆的調節半導體的晶格參數，應變效應被放大（Advanced Materials 21, 4937，2009），應變梯度發揮作用（Advanced Materials 24, 4707，2012），因此彈性應變工程被廣泛認為是另外一種可能用于人為調控半導體材料電子能帶結構和載流子動力學行為的重要手段。近年來，人們對應變下微/納米結構半導體材料的發光和能帶等物性調控開展了廣泛的研究。但是，對于非均勻應變場的應變梯度對半導體激子和載流子動力學影響的研究，尤其是實驗上的研究是一個巨大的挑戰，主要原因是長期以來一方面難以在微/納米結構半導體中實現精确可控的非均勻應變場；另一方面缺乏同時具有高空間分辨率和時間分辨率的實驗技術。

最近，“人工微結構與介觀物理”國家重點實驗室和“量子物質科學協同創新中心”的俞大鵬教授領導研究團隊中的博士生付學文、青年教師廖志敏等在非均勻應變場的應變梯度對半導體激子和載流子動力學特性的調控研究方面取得了重要進展。他們精巧實驗設計，利用微操縱手段首次對ZnO微/納米線實現了精确可控的标準四點純彎曲形變加載，在液氦溫度（5.5 K）下利用連續波長陰極熒光譜（CW-CL）的高空間分辨和高頻譜分辨特性，系統研究了純彎曲ZnO微/納米線橫截面内激子發光的能量與應變梯度的對應關系，觀察到了束縛激子發光在整個彎曲橫截面高達60 meV的整體紅移反常現象。他們與國際量子材料中心的馮濟教授、美國MIT的李巨教授、南京航空航天大學的郭萬林等開展理論合作研究，通過模型建立和數值模拟，提出了上述反常實驗現象是由于應變梯度對激子的驅動效應所導緻的重要結論。該結果于1月27日發表在納米科技領域的頂級刊物《先進材料》（Advanced Materials2014, 26, 2572, Xuewen Fu, et al.）上。

随後，為了進一步從實驗上直接證實應變梯度對半導體激子和載流子動力學的驅動效應，他們2次派遣博士生付學文前往瑞士洛桑理工大學與Benoit Deveaud教授課題組開展合作研究，利用該實驗室獨一無二的超高時間／空間分辨的陰極熒光（TRCL）技術對純彎曲ZnO微/納米開展皮秒時間分辨的激子動力學開展了進一步深入的研究，首次從實驗上直接觀察到了前面工作預言的應變梯度對激子的驅動效應，确立了半導體中應變梯度的重要作用，即應變梯度可有效用于調控半導體激子和載流子動力學特性，這對于設計開發各種新型半導體光電子器件具有十分重要的指導意義。該結果于3月21日發表在納米科技領域的頂級刊物《ACS Nano》（ACS Nano 2014, 8 (4), 3412.Xuewen Fu, et al.）上。這是迄今國際上為數不多的在超高時空分辨條件下研究半導體材料載流子動力學效應的研究工作，也是我國在此研究方面唯一的報道工作。國際量子材料中心的馮濟教授、南京航空航天大學的郭萬林教授等在上述研究結果的理論模拟計算分析方面做出了重要的貢獻。

該研究工作得到了國家自然科學基金委重點項目、中瑞科技合作項目科技部973計劃、以及介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心等的大力資助。

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