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第1章　绪论 1

1.1　纳米半导体材料的定义 1

1.2　纳米半导体材料的基本特性 2

1.2.1　量子尺寸（约束）效应 4

1.2.2　量子隧穿效应 5

1.2.3　库仑阻塞效应 6

1.2.4　量子干涉效应 8

1.2.5　二维电子气和量子霍耳（Hall）效应 8

1.3.1　分子束外延（MBE）技术 10

1.3　纳米半导体结构材料的制备技术 10

1.3.2　金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）技术 11

1.3.3 半导体微结构材料生长和精细加工相结合的制备技术 12

1.3.4　应变自组装纳米半导体结构生长技术 13

1.4　纳米半导体材料的评价技术 14

1.4.1　近场光学显微镜 14

1.4.2　偏振差分反射光谱技术 16

1.4.3　显微拉曼光谱技术 18

1.5　纳米半导体量子器件 20

1.5.1　纳米半导体电子器件 21

1.5.2　纳米半导体光电子器件 25

1.6 纳米半导体材料和量子器件研究存在问题和发展趋势 31

1.6.1　存在问题 31

1.6.2　发展趋势 33

参考文献 34

第2章　纳米半导体结构材料的制备 36

2.1　外延生长基本原理 36

2.1.1　晶体的表面结构 36

2.1.2　外延生长的理论模型 40

2.2.1　分子束外延（MBE）技术 54

2.2　外延生长技术 54

2.2.2　金属有机化合物化学气相淀积技术（MOCVD） 57

2.2.3　气体源分子束外延技术 58

2.2.4　原子层外延（ALE）及其他超薄层材料外延技术 60

2.3　纳米半导体结构材料的生长制备方法 61

2.3.1　量子阱、超晶格材料的生长 61

2.3.2　层状异质结构生长和精细加工相结合制备量子线、量子点 64

2.3.3　量子线、量子点的化学合成方法 66

2.3.4　量子线的MBE直接生长 67

2.3.5　应变自组装生长量子点、量子线材料 69

2.3.6 VLS技术生长量子线 70

2.4 应变自组装In（Ga）As/GaAs量子点的生长原理 72

2.4.1 SK转变过程 72

2.4.2　量子点生长过程的实验研究 79

2.4.3　量子点生长过程的动力学理论 86

2.4.4　量子点尺寸分布的热力学平衡理论 91

2.4.5 GaAs盖层对量子点形貌的影响 95

2.5　量子点的可控生长技术 97

2.5.1　迭层量子点的生长 98

2.5.2　在高指数面衬底上生长量子点 101

2.5.3　在图形化衬底（模板）上生长量子点 102

2.5.4 SPM单原子操纵和加工技术 107

参考文献 109

第3章　纳米半导体材料的评价技术与特性检测 111

3.1　纳米半导体材料的评价技术 111

3.1.1　透射电子显微分析技术 111

3.1.2　扫描探针显微分析技术 116

3.1.3　高空间分辨光致发光和电致发光技术 118

3.1.4 反射高能电子衍射（RHEED）和X光散射（XRS） 121

3.2.1　纳米半导体量子点结构特性研究 124

3.2　纳米半导体结构特性的检测 124

3.2.2　纳米半导体量子线结构特性研究 143

3.2.3 Ge/Si（001）量子点结构特性研究 146

参考文献 147

第4章　纳米半导体材料的电子能级结构 150

4.1　半导体体材料的能带结构 150

4.1.1　体材料的能带结构 150

4.1.2　有效质量近似 151

4.1.3　态密度函数 153

4.2.1　无限深方势阱中低维结构的电子态 154

4.2　理想低维半导体结构的电子态 154

4.2.2 电子在无限深柱形势阱中的运动 158

4.2.3　其他势阱中量子点结构的电子态 159

4.3　应变自组装In（Ga）As/GaAs量子点的电子态 162

参考文献 168

第5章　纳米半导体材料的光学性质 169

5.1　量子尺寸效应 169

5.1.1　量子点发光的特殊温度变化行为 172

5.1.2　量子点PL谱的多峰结构 176

5.1.3　斯托克斯位移（Stokes shift） 181

5.2　单量子点光谱 184

5.2.1　量子点激子态的精细结构 185

5.2.2　量子点中量子态相干控制 194

5.2.3 电报噪声 199

5.2.4　光学拉比（Rabi）振荡 202

5.2.5　耦合量子点 204

5.3　外场作用下量子点的光学性质 205

5.3.1　量子限制Stark效应和激子电偶极矩 205

5.3.2　磁场作用下的量子点 214

5.3.3　量子点的压力光谱 225

5.4.1　载流子弛豫：声子瓶颈和俄歇过程 227

5.4　量子点中载流子弛豫与声子 227

5.4.2　声子模式和拉曼光谱 232

5.4.3　拉曼散射干涉现象和量子点空间有序分布 237

5.4.4　量子点超晶格结构的热电效应 238

5.5 Ⅱ型量子点 239

5.6　量子点带内跃迁 243

5.7　微腔中量子点的光学性质 246

5.7.1　微柱微腔 247

5.7.2　微盘 249

5.7.3　光子晶体微腔 251

参考文献 253

第6章　纳米半导体结构材料的电学性质 261

6.1　量子点的电学输运性质 262

6.1.1　横向输运性质 262

6.1.2　垂直隧穿性质 265

6.2　磁场中量子点的输运性质——近藤效应 267

6.2.1　金属中的近藤效应 267

6.2.2　量子点中的近藤效应 268

6.3　光谱烧孔效应 272

6.3.1　光谱烧孔效应概述 272

6.2.3　实验结果 272

6.3.2　量子点的光谱烧孔效应 274

6.3.3　实验结果 275

参考文献 277

第7章　量子级联激光器材料与器件 279

7.1　半导体激光器发展的简要回顾 279

7.2　量子级联激光器的发展现状与趋势 280

7.3　量子级联激光器的工作原理 283

7.3.1 量子级联激光器的载流子输运 285

7.3.2　量子级联激光器的增益和损耗 287

7.3.3　量子级联激光器的有源区设计 289

7.4　量子级联激光器的结构与特性 293

7.4.1 Fabry-Perot（F-P）腔量子级联激光器 293

7.4.2　分布反馈量子级联激光器 294

7.4.3　微腔型QC激光器 296

7.4.4　应变补偿量子级联激光器 299

7.5　量子级联激光器的应用 300

7.5.1　在中红外的大气痕量探测中的应用 301

7.5.2　量子级联激光器的高速工作 302

7.6.1 THz QC激光器 303

7.6　量子级联激光器研究的新进展 303

7.6.2　量子点QC激光器 304

7.6.3　光子晶体量子级联激光器 304

参考文献 306

第8章　半导体纳米器件及其应用 308

8.1　量子点激光器 308

8.1.1　量子点激光器理论 310

8.1.2　量子点激光材料的外延生长 313

8.1.3 InAs/GaAs量子点激光器 314

8.1.4　其他量子点激光器 322

8.2　量子点超辐射发光管 328

8.3　量子点红外探测器 330

8.4　量子点存储器件 335

8.4.1　量子点电荷存储 336

8.4.2　光存储器件 337

8.5　量子点单光子光源和单光子探测器 340

8.6　量子点光放大器和量子点光调制器 349

8.7　量子点条形码和生物成像 353

8.8 自旋极化量子点发光管 356

8.9　库仑阻塞效应和单电子器件 359

8.9.1　单隧道结 360

8.9.2　量子点双隧道结和单电子晶体管 361

8.9.3　单电子存储器 365

8.9.4　超高灵敏度静电计 367

8.9.5　远红外和亚毫米波单光子探测器 369

8.10　量子点网络自动机 373

8.10.1 QCA的量子力学描述 374

8.10.2　基本电路和元件 376

8.10.3　半导体QCA的可能实现方法 381

8.10.4　实验结果 382

参考文献 383