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1、纳米技术及其应用第六章第1页，此课件共50页哦第第6章章 量子阱、量子线、量子点简介量子阱、量子线、量子点简介 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念量子点的制备方法量子点的制备方法单电子晶体管单电子晶体管单电子晶体管单电子晶体管第2页，此课件共50页哦6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念6.2 6.2 量子阱中的量子尺寸效应量子阱中的量子尺寸效应量子阱中的量子尺寸效应量子阱中的量子尺寸效应6.3 6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法
2、 6.4 6.4 量子点器件简介量子点器件简介量子点器件简介量子点器件简介第3页，此课件共50页哦第第6章章 6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念Back第4页，此课件共50页哦6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念随着对半导体微结构的研究深入，以及半导体超精随着对半导体微结构的研究深入，以及半导体超精随着对半导体微结构的研究深入，以及半导体超精随着对半导体微结构的研究深入，以及半导体超精细加工（如电子束光刻）技术的发展，人们已经可以制细加工（如电子束光刻）技术的发展，人们已经可以制细加工（如电子束光刻）技术的发展，人们已经可以制细加工（如
3、电子束光刻）技术的发展，人们已经可以制成一类新的半导体结构，即半导体纳米级结构。成一类新的半导体结构，即半导体纳米级结构。成一类新的半导体结构，即半导体纳米级结构。成一类新的半导体结构，即半导体纳米级结构。由于其尺度已经小到可以与电子的费米波长或散射长由于其尺度已经小到可以与电子的费米波长或散射长由于其尺度已经小到可以与电子的费米波长或散射长由于其尺度已经小到可以与电子的费米波长或散射长度相比拟，这类结构中的电子只能处于量子化的态上。度相比拟，这类结构中的电子只能处于量子化的态上。度相比拟，这类结构中的电子只能处于量子化的态上。度相比拟，这类结构中的电子只能处于量子化的态上。第5页，此课件共5
4、0页哦6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念1 1.量子阱量子阱 量子阱量子阱量子阱量子阱半导体中的二维电子气半导体中的二维电子气半导体中的二维电子气半导体中的二维电子气：电子一个方向的：电子一个方向的自由度被限制，而在其它两个维度上可自由或准自自由度被限制，而在其它两个维度上可自由或准自由的运动。具有这种电子系统的结构称为量子阱。由的运动。具有这种电子系统的结构称为量子阱。具有量具有量具有量具有量子子子子尺寸尺寸尺寸尺寸效效效效应应应应的的的的势势势势阱称阱称阱称阱称为为为为量量量量子子子子阱阱阱阱第6页，此课件共50页哦6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、
5、量子线和量子点的概念量量子子阱阱结结构：构：衬底衬底abABEgEgabEgEg采用分采用分采用分采用分子子子子束外束外束外束外延技延技延技延技术术术术可以可以可以可以制制制制备备备备！量量量量子子子子阱阱阱阱的的的的能能能能级图级图级图级图第7页，此课件共50页哦6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念分分子子束外延技束外延技术术的的原理原理MBE GaAs-AlxGa1-xAs原理图原理图加加加加热热热热器器器器BeBeAlAlAsAsGaGaSiSi喷喷喷喷射射射射炉炉炉炉挡挡挡挡板板板板分分分分子子子子束束束束衬衬衬衬底底底底外延外延外延外延生长生长生长生长区区
6、区区第8页，此课件共50页哦6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念超晶格超晶格和多和多量量子子阱阱结结构：构：两种（或两种以上）超薄的半导体层（每层厚几埃到两种（或两种以上）超薄的半导体层（每层厚几埃到几百埃）交替生长形成的多层结构，就是通常所说的几百埃）交替生长形成的多层结构，就是通常所说的超晶格超晶格超晶格超晶格或或或或多量子阱多量子阱结构。结构。结构。结构。多量子阱多量子阱超晶格超晶格超晶格超晶格势势势势垒垒垒垒较较较较窄窄窄窄势势势势垒垒垒垒较较较较宽宽宽宽第9页，此课件共50页哦6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念常常见见的的2D
7、EG结结构：构：调调制制掺杂掺杂技技术术制造制造的高的高迁移率晶体管示意迁移率晶体管示意图图第10页，此课件共50页哦6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念2 2.量子线量子线衬底衬底量子线量子线量子线量子线半导体中的一维电子气半导体中的一维电子气半导体中的一维电子气半导体中的一维电子气：电子只能在一个维：电子只能在一个维：电子只能在一个维：电子只能在一个维度上自由运动，而其它两个维度被限制。具有这种电子系度上自由运动，而其它两个维度被限制。具有这种电子系度上自由运动，而其它两个维度被限制。具有这种电子系度上自由运动，而其它两个维度被限制。具有这种电子系统的结构称为量
8、子线。统的结构称为量子线。统的结构称为量子线。统的结构称为量子线。第11页，此课件共50页哦6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念量子线的其它制备方法量子线的其它制备方法三三三三种种种种量量量量子子子子线线线线的的的的制制制制备备备备方法方法方法方法（量量量量子子子子线线线线的的的的界面界面界面界面质质质质量不量不量不量不相同）相同）相同）相同）第12页，此课件共50页哦6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念3 3.量子点量子点 量子点量子点量子点量子点半导体中的零维电子气半导体中的零维电子气半导体中的零维电子气半导体中的零维电子气：电子在三
9、个维度：电子在三个维度上的运动受限。具有这种电子系统的结构称为量子上的运动受限。具有这种电子系统的结构称为量子点。点。量子点通常是指由人工制造的小系统，尺寸为量子点通常是指由人工制造的小系统，尺寸为量子点通常是指由人工制造的小系统，尺寸为量子点通常是指由人工制造的小系统，尺寸为10nm10nm1m1m，其中含有其中含有其中含有其中含有110001000个可以被控制的电子。个可以被控制的电子。第13页，此课件共50页哦6.1 量子阱、量子线和量子点的概念量子阱、量子线和量子点的概念点意味着空间一个极小的区域。在半导体制造的量子点中点意味着空间一个极小的区域。在半导体制造的量子点中点意味着空间一个
10、极小的区域。在半导体制造的量子点中点意味着空间一个极小的区域。在半导体制造的量子点中大约有百万个电子。大多数电子紧紧束缚在核周围，自由大约有百万个电子。大多数电子紧紧束缚在核周围，自由大约有百万个电子。大多数电子紧紧束缚在核周围，自由大约有百万个电子。大多数电子紧紧束缚在核周围，自由电子数目非常少（在一个到几百个之间）。这些电子的德电子数目非常少（在一个到几百个之间）。这些电子的德电子数目非常少（在一个到几百个之间）。这些电子的德电子数目非常少（在一个到几百个之间）。这些电子的德布罗意波长是可以与点的尺寸相比的。因为类似于真实原布罗意波长是可以与点的尺寸相比的。因为类似于真实原布罗意波长是可以
11、与点的尺寸相比的。因为类似于真实原布罗意波长是可以与点的尺寸相比的。因为类似于真实原子，量子点也称为人造原子。类似量子线，采用刻蚀或者子，量子点也称为人造原子。类似量子线，采用刻蚀或者子，量子点也称为人造原子。类似量子线，采用刻蚀或者子，量子点也称为人造原子。类似量子线，采用刻蚀或者分裂栅技术也可以制造量子点。分裂栅技术也可以制造量子点。分裂栅技术也可以制造量子点。分裂栅技术也可以制造量子点。量子点的电子占据离散的能级。量子点还有另一个特性，称量子点的电子占据离散的能级。量子点还有另一个特性，称量子点的电子占据离散的能级。量子点还有另一个特性，称量子点的电子占据离散的能级。量子点还有另一个特性
12、，称为充电能，这是给点中添加或取出一个电子所需要的能量。为充电能，这是给点中添加或取出一个电子所需要的能量。为充电能，这是给点中添加或取出一个电子所需要的能量。为充电能，这是给点中添加或取出一个电子所需要的能量。第14页，此课件共50页哦第第6章章 6.2 量子阱中的量子尺寸效应量子阱中的量子尺寸效应Back第15页，此课件共50页哦6.2 量子阱中的量子尺寸效应量子阱中的量子尺寸效应求解一维无限方势阱条件下求解一维无限方势阱条件下求解一维无限方势阱条件下求解一维无限方势阱条件下的波动方程，可以得到电子的波动方程，可以得到电子的波动方程，可以得到电子的波动方程，可以得到电子能量本征值为：能量本
13、征值为：能量本征值为：能量本征值为：E E1 1E E2 2E E3 3一一一一维维维维无无无无限限限限方方方方势势势势阱阱阱阱图图图图式中，式中，式中，式中，n n=1,2,3,=1,2,3,-式（式（式（式（1 1 1 1）0 0L Lz zZ ZE Em m 为电子质量；为电子质量；为电子质量；为电子质量；L Lz z为势阱宽度；为势阱宽度；为势阱宽度；为势阱宽度；n n 为量子数；为量子数；为量子数；为量子数；一维势阱中电子的能量是量子化的，能量不连续，能量与量子数一维势阱中电子的能量是量子化的，能量不连续，能量与量子数一维势阱中电子的能量是量子化的，能量不连续，能量与量子数一维势阱中
14、电子的能量是量子化的，能量不连续，能量与量子数n n2 2成正比！成正比！成正比！成正比！第16页，此课件共50页哦6.2 量子阱中的量子尺寸效应量子阱中的量子尺寸效应能级间隔与势阱宽度的平方成反比，能级间隔与势阱宽度的平方成反比，能级间隔与势阱宽度的平方成反比，能级间隔与势阱宽度的平方成反比，L Lz z越小，能级间隔就越大。越小，能级间隔就越大。越小，能级间隔就越大。越小，能级间隔就越大。从此可见，只有势阱宽度较小时（薄膜较薄的时候），才能有显著的从此可见，只有势阱宽度较小时（薄膜较薄的时候），才能有显著的从此可见，只有势阱宽度较小时（薄膜较薄的时候），才能有显著的从此可见，只有势阱宽度较
15、小时（薄膜较薄的时候），才能有显著的量子效应。量子效应。量子效应。量子效应。由式（由式（由式（由式（1 1 1 1）-式（式（式（式（2 2 2 2）相邻能级间隔为：相邻能级间隔为：相邻能级间隔为：相邻能级间隔为：具有量子尺寸效应的势阱称为量子阱具有量子尺寸效应的势阱称为量子阱具有量子尺寸效应的势阱称为量子阱具有量子尺寸效应的势阱称为量子阱第17页，此课件共50页哦第第6章章 6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 Back第18页，此课件共50页哦6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 1 1、量、量、量、量子子子子点点点点的类型的类型的类型的类型按按按按材材材材
16、料料料料分分分分元素半元素半元素半元素半导导导导体量体量体量体量子子子子点点点点化合物半化合物半化合物半化合物半导导导导体量体量体量体量子子子子点点点点金属量金属量金属量金属量子子子子点点点点按按按按几几几几何何何何形形形形状状状状分分分分箱形箱形箱形箱形盘盘盘盘形形形形球形球形球形球形四面体形四面体形四面体形四面体形外外外外场诱导场诱导场诱导场诱导形形形形第19页，此课件共50页哦6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 2、量、量、量、量子子子子点点点点的的的的制制制制备备备备在用分在用分在用分在用分子子子子束外延束外延束外延束外延生长的生长的生长的生长的异异异异质结质结质结质
17、结片片片片子的子的子的子的顶顶顶顶面上制作面上制作面上制作面上制作栅电栅电栅电栅电极，极，极，极，加加加加负压负压负压负压将将将将电电电电极极极极下面下面下面下面的的的的二二二二维电维电维电维电子子子子气耗尽气耗尽气耗尽气耗尽，只有在只有在只有在只有在栅栅栅栅的的的的间间间间隙区留下隙区留下隙区留下隙区留下电电电电子，子，子，子，从从从从而而而而获获获获得量得量得量得量子子子子点点点点。（1 1）在二在二在二在二维电维电维电维电子子子子气系气系气系气系统统统统上加上加上加上加调调调调制制制制电电电电极极极极n1n2V Vp1p1V Vg1g1V Vp2p2V Vg2g2V Vp3p3V Vp1
18、p1V Vp2p2V Vp3p3V Vg3g3V Vg3g3GaAs/AlGaAsGaAs/AlGaAs异异异异质结质结质结质结片片片片子子子子Cr-CuCr-Cu电电电电极极极极V Vp1p1和和和和V Vp3p3用用用用来来来来控制量控制量控制量控制量子子子子点与点与点与点与源源源源和和和和漏之漏之漏之漏之间间间间的的的的耦合；耦合；耦合；耦合；V Vp2p2控控控控制两制两制两制两个个个个量量量量子子子子点之点之点之点之间间间间的的的的耦耦耦耦合；合；合；合；V Vg1g1、V Vg2g2 和和和和V Vg3g3分分分分别别别别来来来来控制两控制两控制两控制两个个个个量量量量子子子子点点
19、点点的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸（决定（决定（决定（决定电电电电子子子子数数数数的多少）的多少）的多少）的多少）第20页，此课件共50页哦6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 该该方法方法的的优优点是：点是：可以可以可以可以方便方便方便方便的的的的控制量控制量控制量控制量子子子子点点点点的的的的尺寸、制造尺寸、制造尺寸、制造尺寸、制造过程过程过程过程不引入附加不引入附加不引入附加不引入附加的的的的缺陷、没有裸露缺陷、没有裸露缺陷、没有裸露缺陷、没有裸露的的的的表面表面表面表面，因而量因而量因而量因而量子子子子点点点点的的的的质质质质量量量量高。高。高。高。缺点是：缺点是：缺点是：缺
20、点是：只能只能为为一种一种载载流流子，子，不能不能同时同时为电为电子和子和空穴空穴提供尺寸提供尺寸限限制制，所以，所以只适用只适用于于制造低制造低维电维电子器子器件件。第21页，此课件共50页哦6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 外延外延外延外延生长生长生长生长：1.1.同同同同质质质质外延外延外延外延2.2.异异异异质质质质外延外延外延外延（2 2）用分用分用分用分子子子子束外延束外延束外延束外延进行进行进行进行自自自自组组组组织织织织生长生长生长生长 晶格失配度晶格失配度晶格失配度晶格失配度晶格失配度晶格失配度晶格失配度晶格失配度:薄膜薄膜薄膜薄膜的的的的点点点点阵阵阵阵
21、常数常数常数常数衬衬衬衬底底底底的的的的点点点点阵阵阵阵常数常数常数常数第22页，此课件共50页哦6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 异异异异质质质质材料的材料的材料的材料的外延外延外延外延生长生长生长生长模式有三模式有三模式有三模式有三种种种种：（2 2）用分用分用分用分子子子子束外延束外延束外延束外延进行进行进行进行自自自自组组组组织织织织生长生长生长生长（a a）一）一）一）一层层层层接接接接一一一一层层层层的的的的二二二二维维维维生长生长生长生长模式；模式；模式；模式；（a a）（b b）（c c）（b b）岛岛岛岛状状状状生长生长生长生长模式；模式；模式；模式；（c
22、 c）层层层层状加状加状加状加岛岛岛岛状状状状生长生长生长生长模式模式模式模式（层岛结层岛结层岛结层岛结合模式合模式合模式合模式）；（MBE S-KMBE S-K模式模式模式模式）第23页，此课件共50页哦6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 例例例例如如如如：InAs/GaAsInAs/GaAs量量量量子子子子点点点点的的的的MBEMBE自自自自组组组组织织织织生长。生长。生长。生长。InAs InAs和和和和GaAsGaAs这这这这两两两两种材料种材料种材料种材料具有晶格失配度具有晶格失配度具有晶格失配度具有晶格失配度，其晶格失配度其晶格失配度其晶格失配度其晶格失配度为为为
23、为7.1%7.1%，晶格失配度晶格失配度晶格失配度晶格失配度高，生长高，生长高，生长高，生长为层岛结为层岛结为层岛结为层岛结合模式合模式合模式合模式。GaAsGaAsGaAsGaAsInAsInAs 其外延其外延其外延其外延生长可以生长可以生长可以生长可以描述描述描述描述为为为为：1.1.二二二二维维维维平面平面平面平面生长（生长生长（生长生长（生长生长（生长处处处处的的的的外延外延外延外延层层层层称称称称为为为为浸浸浸浸润层润层润层润层）；2.2.浸浸浸浸润层润层润层润层厚度厚度厚度厚度积积积积累；累；累；累；3.3.浸浸浸浸润层润层润层润层达达达达到到到到临临临临界厚度界厚度界厚度界厚度（
24、约约约约几几几几个个个个原原原原子子子子层层层层厚厚厚厚），），），），在在在在应应应应力作用下力作用下力作用下力作用下变为变为变为变为三三三三维维维维岛岛岛岛状状状状生长。生长。生长。生长。第24页，此课件共50页哦6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 自自自自组组组组织织织织生长生长生长生长方法方法方法方法的的的的特点：特点：特点：特点：二二二二维维维维生长生长生长生长模式向三模式向三模式向三模式向三维维维维生长生长生长生长模式模式模式模式的的的的临临临临界界界界转变转变转变转变厚度取厚度取厚度取厚度取决于决于决于决于晶格失配度晶格失配度晶格失配度晶格失配度和生长和生长和生
25、长和生长条件条件条件条件，如，如，如，如衬衬衬衬底温度、底温度、底温度、底温度、生长生长生长生长速度等等速度等等速度等等速度等等。优优优优点：点：点：点：可以可以可以可以将量将量将量将量子子子子点点点点的的的的横向尺寸横向尺寸横向尺寸横向尺寸缩缩缩缩小小小小到到到到几十几十几十几十个个个个纳纳纳纳米米米米以以以以内内内内，做做做做到到到到无无无无损伤损伤损伤损伤。缺点：缺点：缺点：缺点：小小小小岛岛岛岛的成的成的成的成核点是在核点是在核点是在核点是在应变层应变层应变层应变层生长过程生长过程生长过程生长过程中中中中应应应应力不均匀力不均匀力不均匀力不均匀的的的的地方地方地方地方产生产生产生产生的
26、，同时的，同时的，同时的，同时岛岛岛岛的长大的长大的长大的长大也是随机也是随机也是随机也是随机的，的，的，的，小小小小岛岛岛岛的的的的均匀性不均匀性不均匀性不均匀性不好。好。好。好。因此因此因此因此，量量量量子子子子点点点点的的的的几何形状、尺寸分布几何形状、尺寸分布几何形状、尺寸分布几何形状、尺寸分布和和和和密度密度密度密度较难较难较难较难控制控制控制控制。第25页，此课件共50页哦6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 这种这种这种这种方法方法方法方法的的的的特点：量特点：量特点：量特点：量子子子子点尺寸点尺寸点尺寸点尺寸可以可以可以可以小小小小到到到到2 210nm10nm
27、，平平平平均量均量均量均量子子子子点尺寸分布点尺寸分布点尺寸分布点尺寸分布大大大大约约约约在在在在5 51010范范范范围围围围内内内内，胶体量胶体量胶体量胶体量子子子子点点点点易易易易于于于于密集密集密集密集成成成成量量量量子子子子点点点点阵阵阵阵列列列列，以，以，以，以形形形形成成成成晶晶晶晶态态态态或非晶或非晶或非晶或非晶态态态态的的的的固体固体固体固体。（3 3）用胶体化学方法制用胶体化学方法制用胶体化学方法制用胶体化学方法制备备备备第26页，此课件共50页哦6.3 量子点的类型及制备方法量子点的类型及制备方法 例例例例如如如如利用利用利用利用STMSTM制制制制备备备备量量量量子子子
28、子点点点点（4 4）其其其其他他他他方法方法方法方法第27页，此课件共50页哦第第6章章 6.4 量子点器件简介量子点器件简介 Back第28页，此课件共50页哦6.4 量子点器件简介量子点器件简介 这这这这里只介里只介里只介里只介绍绍绍绍几几几几种种种种简单简单简单简单的的的的单电单电单电单电子器子器子器子器件：件：件：件：1.1.量量量量子子子子点点点点激光器激光器激光器激光器2.2.量量量量子子子子点旋点旋点旋点旋转门转门转门转门3.3.单电单电单电单电子子子子盒盒盒盒4.4.单电单电单电单电子子子子泵泵泵泵5.5.单电单电单电单电子子子子晶体管晶体管晶体管晶体管注意：隧道注意：隧道注意
29、：隧道注意：隧道结结结结和和和和量量量量子子子子点是点是点是点是单电单电单电单电子器子器子器子器件件件件的基的基的基的基本本本本单单单单元！元！元！元！第29页，此课件共50页哦6.4 量子点器件简介量子点器件简介 量量量量子子子子点点点点激光器激光器激光器激光器 Laser:Laser:light amplification by stimulated emission of radiationlight amplification by stimulated emission of radiation“泵泵泵泵激激激激”需要有需要有需要有需要有一定的一定的一定的一定的最低能量才能确保受最低
30、能量才能确保受最低能量才能确保受最低能量才能确保受激激激激电电电电子的子的子的子的数量数量数量数量大大大大得足得足得足得足以以以以引起并引起并引起并引起并维维维维持持持持受受受受激发射。激发射。激发射。激发射。量量量量子子子子点点点点激光器的激光器的激光器的激光器的制作源制作源制作源制作源于于于于：利用量利用量利用量利用量子子子子点点点点结结结结构具有很构具有很构具有很构具有很强强强强的的的的量量量量子限子限子限子限制作制作制作制作用用用用，当激光器，当激光器，当激光器，当激光器已已已已经经经经缩缩缩缩小小小小到到到到甚至比它甚至比它甚至比它甚至比它发射出来的光的发射出来的光的发射出来的光的发
31、射出来的光的波波波波长长长长还还还还要小要小要小要小的的的的尺尺尺尺度度度度，在在在在这一这一这一这一尺度上尺度上尺度上尺度上，量量量量子行子行子行子行为为为为开始占开始占开始占开始占优势优势优势优势，可以，可以，可以，可以制作制作制作制作高高高高效率效率效率效率的激光的激光的激光的激光器。器。器。器。如果激光器的如果激光器的如果激光器的如果激光器的效率效率效率效率高到高到高到高到连连连连一个光子一个光子一个光子一个光子也不浪也不浪也不浪也不浪费费费费，就好像一根，就好像一根，就好像一根，就好像一根火柴火柴火柴火柴的的的的热热热热量量量量就可以就可以就可以就可以烧烧烧烧开开开开一一一一壶壶壶壶
32、水那将是水那将是水那将是水那将是多多多多么么么么让让让让人人人人激动激动激动激动啊！啊！啊！啊！第30页，此课件共50页哦6.4 量子点器件简介量子点器件简介 最早最早最早最早的激光器的激光器的激光器的激光器 最早最早最早最早的激光器的激光器的激光器的激光器是将某是将某是将某是将某种激光材料种激光材料种激光材料种激光材料夹夹夹夹在两在两在两在两块块块块反反反反射射射射镜镜镜镜之之之之间间间间，对该对该对该对该激光材料激光材料激光材料激光材料予予予予以以以以“泵泵泵泵激激激激”使激光材料使激光材料使激光材料使激光材料中中中中的的的的电电电电子子子子受受受受到激发到激发到激发到激发而从而从而从而从
33、较较较较低低低低的的的的能能能能级跃级跃级跃级跃迁迁迁迁到到到到较较较较高的高的高的高的能能能能级级级级。当。当。当。当电电电电子子子子返回返回返回返回到到到到较较较较低能低能低能低能级级级级时，时，时，时，它它它它们们们们就产生就产生就产生就产生在两在两在两在两块块块块反反反反射射射射镜镜镜镜之之之之间间间间来来来来回反回反回反回反射的光。来射的光。来射的光。来射的光。来回反回反回反回反射的光子使射的光子使射的光子使射的光子使其其其其他的激发他的激发他的激发他的激发“电电电电子子子子”即即即即处处处处于于于于较较较较高高高高能能能能态态态态的的的的电电电电子子子子发射出相同的发射出相同的发射
34、出相同的发射出相同的光子，光子，光子，光子，很很很很像像像像炸响炸响炸响炸响的的的的鞭炮又引燃其它鞭炮又引燃其它鞭炮又引燃其它鞭炮又引燃其它的的的的鞭炮鞭炮鞭炮鞭炮一样。一样。一样。一样。受受受受激发射激发射激发射激发射！随着随着随着随着光子光子光子光子数目不断增加数目不断增加数目不断增加数目不断增加，它它它它们们们们就就就就汇汇汇汇入入入入到一到一到一到一束公共束公共束公共束公共的光的光的光的光波中而波中而波中而波中而使使使使其其其其强强强强度不断增度不断增度不断增度不断增大，直到大，直到大，直到大，直到从两从两从两从两块块块块反反反反射射射射镜镜镜镜之之之之一射出一个一射出一个一射出一个一
35、射出一个集中集中集中集中的的的的聚焦聚焦聚焦聚焦光光光光束束束束。第31页，此课件共50页哦6.4 量子点器件简介量子点器件简介 注意：注意：注意：注意：传统传统传统传统的激光器产生的激光的激光器产生的激光的激光器产生的激光的激光器产生的激光单单单单色性色性色性色性虽虽虽虽然然然然好，好，好，好，但不是但不是但不是但不是所所所所有有有有的光的光的光的光子子子子都都都都被被被被用用用用于激光发射的于激光发射的于激光发射的于激光发射的任任任任务务务务中去了！有些中去了！有些中去了！有些中去了！有些光子光子光子光子碰碰碰碰到激光器到激光器到激光器到激光器壁壁壁壁变变变变成成成成热热热热量散量散量散量
36、散发出发出发出发出去了去了去了去了。波波波波动一根吉动一根吉动一根吉动一根吉它它它它弦弦弦弦基频基频基频基频、泛音泛音泛音泛音缩短吉缩短吉缩短吉缩短吉它它它它弦弦弦弦基频基频基频基频、泛音泛音泛音泛音减减减减少少少少音调音调音调音调音调音调音调音调升升升升高高高高缩短吉缩短吉缩短吉缩短吉它它它它弦弦弦弦基频基频基频基频音调音调音调音调升升升升高高高高至至至至极限值极限值极限值极限值v v 如如如如何才能利用何才能利用何才能利用何才能利用所所所所有有有有的光子，的光子，的光子，的光子，怎么怎么怎么怎么办办办办到到到到不浪不浪不浪不浪费费费费能量呢？能量呢？能量呢？能量呢？看看看看一个吉一个吉一个
37、吉一个吉它它它它弦的弦的弦的弦的例例例例子子子子：第32页，此课件共50页哦6.4 量子点器件简介量子点器件简介 相类相类相类相类似似似似，通通通通过缩过缩过缩过缩小小小小激光器的激光器的激光器的激光器的尺寸尺寸尺寸尺寸可以限可以限可以限可以限制制制制光子光子光子光子状状状状态态态态的的的的数目数目数目数目。这一这一这一这一微微微微型型型型化化化化过程的过程的过程的过程的最最最最终终终终极限极限极限极限是是是是激光器发射的光的激光器发射的光的激光器发射的光的激光器发射的光的波波波波长的一长的一长的一长的一半半半半（这一（这一（这一（这一尺度是尺度是尺度是尺度是光光光光能能能能够够够够在两在两在
38、两在两块块块块反反反反射射射射镜镜镜镜之之之之间间间间来来来来回反回反回反回反射的射的射的射的最小尺度最小尺度最小尺度最小尺度）。）。）。）。此此此此时，光时，光时，光时，光子子子子只有只有只有只有一种可一种可一种可一种可能能能能的的的的状状状状态态态态，光子，光子，光子，光子别别别别无无无无选择选择选择选择，每每每每个光子个光子个光子个光子都只能加入都只能加入都只能加入都只能加入到到到到公公公公共共共共的的的的波中波中波中波中。换换换换言之言之言之言之，此此此此时时时时任何任何任何任何一个光子一个光子一个光子一个光子都不都不都不都不会被会被会被会被浪浪浪浪费费费费掉掉掉掉，即此即此即此即此时
39、的激光时的激光时的激光时的激光器器器器是无能量是无能量是无能量是无能量阈阈阈阈的的的的！因此因此因此因此，这样的这样的这样的这样的量量量量子子子子点点点点激光器的激光器的激光器的激光器的效率非常效率非常效率非常效率非常高高高高！第33页，此课件共50页哦6.4 量子点器件简介量子点器件简介 量量量量子子子子点点点点激光器激光器激光器激光器在未在未在未在未来的来的来的来的光光光光学学学学计计计计算机算机算机算机中具有中具有中具有中具有多种多样的多种多样的多种多样的多种多样的用途用途用途用途。光光光光学学学学计计计计算机算机算机算机用用用用光光光光代替代替代替代替电电电电来来来来传传传传送、送、送
40、、送、处处处处理并存理并存理并存理并存储储储储信息信息信息信息，计计计计算机算机算机算机的的的的速度将速度将速度将速度将被被被被呈呈呈呈指数指数指数指数的的的的提提提提高高高高了了了了!如果极少的如果极少的如果极少的如果极少的能量能量能量能量就可以发射激光的就可以发射激光的就可以发射激光的就可以发射激光的话话话话，量量量量子子子子点点点点激光器就可以激光器就可以激光器就可以激光器就可以实现实现实现实现瞬瞬瞬瞬时时时时开关开关开关开关。（如果（如果（如果（如果只用只用只用只用一根一根一根一根火柴火柴火柴火柴就可以就可以就可以就可以烧烧烧烧开开开开一一一一壶壶壶壶水水水水的的的的话话话话，那么等待
41、那么等待那么等待那么等待一一一一壶壶壶壶水水水水烧烧烧烧开开开开的时的时的时的时间间间间就可以大大缩短就可以大大缩短就可以大大缩短就可以大大缩短！）已已已已经经经经有有有有一一一一些些些些激光器激光器激光器激光器能能能能够够够够以以以以快快快快于于于于每秒每秒每秒每秒钟钟钟钟200200亿亿亿亿次次次次的的的的速度开关速度开关速度开关速度开关。因此因此因此因此，量量量量子子子子点点点点激光器激光器激光器激光器作作作作为传为传为传为传送、存送、存送、存送、存储储储储并并并并处处处处理信息理信息理信息理信息的的的的元件元件元件元件（光（光（光（光学学学学计计计计算算算算机中不机中不机中不机中不可可
42、可可缺缺缺缺少的基少的基少的基少的基本本本本结结结结构构构构单单单单元元元元）具有巨具有巨具有巨具有巨大的发大的发大的发大的发展潜力展潜力展潜力展潜力。BUT 应该应该提及提及的的是是，由于，由于制造工制造工艺艺困困难难，研制水平研制水平还还未达未达到到理理论论预预言！言！第34页，此课件共50页哦6.4 量子点器件简介量子点器件简介 量量子子点旋点旋转门转门在异在异在异在异质结质结质结质结界面二界面二界面二界面二维电维电维电维电子子子子气上用两气上用两气上用两气上用两个个个个量量量量子子子子点接触形点接触形点接触形点接触形成成成成隧道隧道隧道隧道结结结结，它它它它们们们们之之之之间间间间分裂
43、分裂分裂分裂栅围栅围栅围栅围成的成的成的成的空腔空腔空腔空腔就就就就是量是量是量是量子子子子点点点点岛岛岛岛区区区区（见见见见下下下下图图图图）。）。）。）。半半导导体量体量子子点接触形点接触形成的成的单电单电子器子器件件（量量子子点旋点旋转门转门平面平面图图）量量量量子子子子点点点点岛岛岛岛区区区区点接触点接触点接触点接触点接触点接触点接触点接触分裂分裂栅栅分裂分裂栅栅当分裂栅上所加负电压足够高时，当分裂栅上所加负电压足够高时，当分裂栅上所加负电压足够高时，当分裂栅上所加负电压足够高时，点接触的导电通道被切断，电子只点接触的导电通道被切断，电子只点接触的导电通道被切断，电子只点接触的导电通道
44、被切断，电子只能通过隧道效应进出量子点。这两能通过隧道效应进出量子点。这两能通过隧道效应进出量子点。这两能通过隧道效应进出量子点。这两个点接触实际上构成控制电子进、个点接触实际上构成控制电子进、个点接触实际上构成控制电子进、个点接触实际上构成控制电子进、出分裂栅量子点的双势垒。量子点出分裂栅量子点的双势垒。量子点出分裂栅量子点的双势垒。量子点出分裂栅量子点的双势垒。量子点的栅压的栅压的栅压的栅压V Vg g则是加在异质结的衬底则是加在异质结的衬底则是加在异质结的衬底则是加在异质结的衬底上，改变上，改变上，改变上，改变V Vg g可以改变岛区二维电子可以改变岛区二维电子可以改变岛区二维电子可以改
45、变岛区二维电子气的电荷密度，控制岛中电荷。气的电荷密度，控制岛中电荷。气的电荷密度，控制岛中电荷。气的电荷密度，控制岛中电荷。第35页，此课件共50页哦6.4 量子点器件简介量子点器件简介 半半导导体量体量子子点接触形点接触形成的成的单电单电子器子器件件（量量子子点旋点旋转门转门平面平面图图）量量量量子子子子点点点点岛岛岛岛区区区区点接触点接触点接触点接触点接触点接触点接触点接触分裂分裂栅栅分裂分裂栅栅设设想想在在控控制制电电子子进进、出出量量子子点点的的两两个个点点接接触触上上分分别别加加相相位位相相差差180o的的两两个个交交流流调调制制信信号号，使使这这两两个个势势垒垒的的高高度度交交替
46、替地地上上抬抬或或下下降降。同同时时，对对量量子子点点栅栅压压也也经经过过特特殊殊设设计计，使使得得测测量量量量子子点点的的IV特特性性曲曲线线时时出出现现按按ef量量子子化化（f是是交交流流调调制制信信号号的的频频率率）。那那么么，这这个个器器件件就就使使得得电电子子按按照照调调制制信信号号节节奏奏有有规规律律地地进进出出量量子子点点，就就像像人人进进入入大大厅厅时时经经过过一一座座旋旋转转门门，按按门门的的固固定定节节奏奏循序循序进进入入一样。一样。第36页，此课件共50页哦6.4 量子点器件简介量子点器件简介 单电单电单电单电子子子子盒盒盒盒单电单电单电单电子子子子盒是盒是盒是盒是一种一
47、种一种一种最最最最简单简单简单简单的的的的单电单电单电单电子器子器子器子器件件件件，其其其其“岛岛岛岛”上有整数上有整数上有整数上有整数n n个过个过个过个过剩剩剩剩电电电电子子子子电电电电荷荷荷荷，电电电电子子子子只能只能只能只能经经经经过过过过隧穿通隧穿通隧穿通隧穿通过过过过结结结结才能才能才能才能进进进进入或离开入或离开入或离开入或离开。利用利用利用利用门电门电门电门电压压压压可以可以可以可以在在在在单电单电单电单电子子子子水平上控制水平上控制水平上控制水平上控制岛岛岛岛上上上上电电电电荷荷荷荷。U UU U0 0V V电子盒电子盒SET静电计静电计ISET三极管静电计测量电子盒的结电荷
48、三极管静电计测量电子盒的结电荷123b4m65ICgCcC/2C/2C/2C/2第37页，此课件共50页哦6.4 量子点器件简介量子点器件简介 单电单电单电单电子子子子泵泵泵泵如如如如下下下下图图图图所所所所示：示：示：示：单电单电单电单电子子子子泵泵泵泵II U U2 2U U1 1-V V/2/2V V/2/2Cg 1Cg 2C 1C2C3单电单电单电单电子子子子泵泵泵泵是是是是以以以以外加周期源作外加周期源作外加周期源作外加周期源作时时时时钟钟钟钟信号信号信号信号来产生来产生来产生来产生电电电电流流流流的，的，的，的，它需要两它需要两它需要两它需要两个个个个门电压门电压门电压门电压加加加
49、加rf rf 时时时时钟钟钟钟信号信号信号信号。它是具有两它是具有两它是具有两它是具有两个个个个门门门门的的的的最最最最简单简单简单简单的器的器的器的器件件件件，可被，可被，可被，可被视为视为视为视为通通通通过过过过结连结连结连结连接接接接的的的的两两两两个个个个单电单电单电单电子子子子盒盒盒盒。它它它它由由由由三三三三个个个个结结结结和和和和两两两两个个个个门门门门组成，组成，组成，组成，门电门电门电门电容容容容C Cg1g1,C Cg2g2远远远远小小小小于于于于结电结电结电结电容容容容C C1 1,C C2 2,C C3 3。门电压门电压门电压门电压可调可调可调可调控控控控，V V是常数
50、偏是常数偏是常数偏是常数偏压压压压。第38页，此课件共50页哦6.4 量子点器件简介量子点器件简介 当当然然，基于，基于量量子子点点的的单电单电子器子器件件还还有很有很多。多。例例例例如如如如：单电单电单电单电子子子子晶体管、量晶体管、量晶体管、量晶体管、量子子子子点网点网点网点网络络络络自自自自动动动动机、量机、量机、量机、量子子子子点存点存点存点存储储储储器器器器、远红远红远红远红外外外外光光光光电导电导电导电导探探探探测测测测器器器器、中、中、中、中红红红红外外外外光光光光电导电导电导电导探探探探测测测测器器器器等等等等等等等等。第39页，此课件共50页哦6.4 量子点器件简介量子点器件