低維納米結(jié)構(gòu)中聲學(xué)聲子的輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、近幾十年來，半導(dǎo)體低維量子結(jié)構(gòu)因其新穎的物理性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用前景，已成為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)中的重要前沿領(lǐng)域。同時(shí)，分子束外延等超薄生長技術(shù)和精細(xì)束加工技術(shù)的日益完善和迅猛發(fā)展也為量子器件的不斷推陳出新給予了重要的技術(shù)支持。在本文中，我們對半導(dǎo)體低維納米結(jié)構(gòu)中的熱輸運(yùn)和熱導(dǎo)作了較深入的探索，并獲得了一些有意義的結(jié)果，以期能為相關(guān)量子器件的設(shè)計(jì)和制造提供理論依據(jù)。 首先，我們在連續(xù)彈性近似模型下，利用轉(zhuǎn)移矩陣方法，研究了擴(kuò)散層和缺

2、陷層在多層薄膜結(jié)構(gòu)中對聲學(xué)聲子輸運(yùn)的影響，計(jì)算結(jié)果表明：不同頻率的聲學(xué)聲子，大多數(shù)都能很好地穿透該結(jié)構(gòu)，但也有若干頻率的聲學(xué)聲子只有較低的透射系數(shù)而在圖像中形成相應(yīng)的波谷；波谷處的聲學(xué)聲子頻率的大小與擴(kuò)散層和缺陷層的厚度、含Al濃度、薄膜周期數(shù)的變化沒有關(guān)系；聲學(xué)聲子通過該結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)，與擴(kuò)散層和缺陷層的厚度、含Al濃度、薄膜周期數(shù)有密切關(guān)系，有些聲學(xué)聲子的透射系數(shù)對結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化十分敏感。這些結(jié)論，一方面，告訴我們可以通過改變以上結(jié)

3、構(gòu)參數(shù)來調(diào)節(jié)和控制聲學(xué)聲子通過該結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)；另一方面，可以為聲子器件的設(shè)計(jì)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究提供理論上的參考。 接著，我們利用連續(xù)介質(zhì)彈性模型和散射矩陣方法，研究了四垂直波導(dǎo)中的熱輸運(yùn)，計(jì)算結(jié)果揭示了一些有趣的性質(zhì)：總透射系數(shù)對約化頻率的透射譜展示了一系列共振的峰谷結(jié)構(gòu)。當(dāng)四垂直波導(dǎo)中的一個彎曲高度火于或等于該量子波導(dǎo)中聲子通道的最小維度時(shí)，透射譜中就會出現(xiàn)禁止頻隙；當(dāng)彎曲高度足夠大時(shí)，透射譜中會出現(xiàn)一個或多個禁止頻隙。有些具

4、有較大彎曲高度的四垂直波導(dǎo)，它們對應(yīng)的禁止頻隙的寬度反而更窄，禁止頻隙的數(shù)目可能更少。在波導(dǎo)的彎曲部分只有0模時(shí)，可以看到聲子的透射系數(shù)隨彎曲高度成周期性改變。 在彎曲區(qū)域的高度和長度較小時(shí)，四垂直波導(dǎo)的熱導(dǎo)對彎曲區(qū)域的高度和長度的變化十分敏感。隨著溫度的升高，四垂直波導(dǎo)的熱導(dǎo)先減小，達(dá)到最小值后再增大。第一個連接在單個波導(dǎo)上的四垂直波導(dǎo)會抑制透射系數(shù)的增大和形成禁止頻隙。在四垂直波導(dǎo)系列上每增加一個四垂直波導(dǎo)，就會在透射譜上增

5、加二個共振峰。這些結(jié)論對人工控制熱導(dǎo)和聲子器件的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。 我們也對低溫下四通道量子結(jié)構(gòu)的聲子輸運(yùn)和熱導(dǎo)進(jìn)行了數(shù)值分析。計(jì)算的結(jié)果表明：當(dāng)聲學(xué)聲子通過對稱四通道量子結(jié)構(gòu)時(shí)，聲學(xué)波將在區(qū)域Ⅱ的邊界發(fā)生多重反射，這些聲學(xué)波在區(qū)域Ⅱ相互干涉形成具有一定波長和周期的駐波。不同的聲學(xué)聲子模在對稱四通道量子結(jié)構(gòu)中能夠自動選擇性地進(jìn)入不同的輸運(yùn)通道。聲學(xué)聲子模的選擇輸運(yùn)特性依賴于區(qū)域Ⅱ的的寬度和長度、不同通道的橫向?qū)挾群拖鄬ξ恢?。通過

6、適當(dāng)調(diào)諧該納米結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，可以加強(qiáng)或者削弱聲子在不同通道中的輸運(yùn)強(qiáng)度。當(dāng)聲學(xué)聲子通過非對稱四通道量子結(jié)構(gòu)時(shí)，不同的聲學(xué)聲子模也能夠自動選擇性地進(jìn)入不同的輸運(yùn)通道。不同聲子通道在低溫下的熱導(dǎo)是非整數(shù)量子化的。因此，該半導(dǎo)體四通道納米結(jié)構(gòu)在低溫下可以用作聲子模的分離器，或用于控制聲學(xué)聲子輸運(yùn)。 最后，我們研究了兩種不同性質(zhì)的雙缺陷對納米線中的聲學(xué)聲子熱輸運(yùn)的影響，研究結(jié)果表明：當(dāng)聲學(xué)聲子通過內(nèi)含雙缺陷的納米線時(shí)，總透射系數(shù)（T）

7、隨約化聲了頻率（ω/△）的變化圖像呈現(xiàn)一系列的峰－谷結(jié)構(gòu)；由于缺陷和納米線的邊緣對聲波的多重反射，聲波在該納米線中相互干涉可以形成駐波。透射系數(shù)的大小對雙缺陷的寬度、長度和雙缺陷的距離的變化十分敏感。在有真空缺陷的納米線中，當(dāng)T→0時(shí)，聲子透射系數(shù)趨近于1；當(dāng)雙缺陷是硬材料時(shí)，在納米線中傳播的聲學(xué)聲子，其頻率必須大于其閾限頻率。 這兩種缺陷對熱導(dǎo)的影響有本質(zhì)的不同。若雙缺陷是真空，當(dāng)T→0時(shí)，可以看到普適的量子化熱導(dǎo)和熱導(dǎo)平臺。