[NSFC]固态微结构中光诱导集体激发、光电耦合效应及其原型器件研究

项目名称：固态微结构中光诱导集体激发、光电耦合效应及其原型器件研究首席科学家：XXX起止年限：2010.9至2015.9依托部门：XXX二、预期目标(一)总体目标集中国内在光和固态微结构相互作用研究领域的优势资源，开拓固态微结构中光诱导集体激发、光电耦合的新领域，深入理解强耦合情形下的微腔ＱＥＤ、表面等离激元、宏观量子光学和非线性光学效应。建立能够处理固态微结构中光和集体激发强耦合的动力学过程的微观量子理论和基于先进计算技术的多尺度数值模拟方法，以促进材料制备和基础物理的学科交叉，发掘量子信息在固态微结构中存储和处理的有效途径，探索光电耦合系统超快动力学过程的新原理和新方法，以构造下一代新型光电子原型器件，为国民经济的发展做出应有的贡献。力争在理论和实验两方面取得国际先进水平的成果，发展一系列具有自主知识产权的新方法和新技术，同时培养一批年轻的杰出人才，为我国在光和固态微结构相互作用的基础理论、加工技术和系统应用方面做出突破性和创新性的工作，使我国在光和物质相互作用的量子调控方面走在世界前列。(二)五年预期目标1.建立不同能量（波段）光诱导集体激发耦合的物理实现方法、表征手段和测量技术。解释和控制光诱导集体激发导致的电阻，透射率的变化，自旋极化电流和自旋波激发过程，发现光诱导集体激发的输运和光学新现象，揭示其物理本质，外场以及超短激光脉冲对集体激发的相干调控等。2.建立对表面等离激元、微腔中光与集体激发耦合的调控方法，解释其相关量子光学效应，认识金属微结构几何形状、尺寸对表面等离激元色散关系，及其固态微结构中发光过程的影响。发展高效的计算方法，设计金属微结构以实现表面等离激元和微结构之间的强耦合。3.实现并控制强耦合情形下多个固态微结构之间的量子相干效应，及其对辐射过程的影响。探索强耦合情形下的宏观量子效应（等离激元的Dicke效应、真空Rabi劈裂、原子纠缠、Casimir效应），建立表面极化激元为媒介的量子结构之间的远程相干耦合、纠缠的表征方法及其控制方案，通过金属／半导体复合结构构造基于表面等离激元效应的发光原型器件。4.制备出高质量的固态微结构（金属，半导体和铁电材料微结构）及其原型器件，解释和控制固态微结构中光诱导集体激发的非线性光学性质，构造新型光电子原型器件。建立固态微结构和金属复合结构中光与集体激发强耦合的微观量子理论，及有自主知识产权的计算方法和数值模拟软件。5.发表高水平论文200篇以上，申请专利30项以上,培养博士和硕士研究生80名以上，培养1-2名全国百篇优秀博士论文获得者，1-2名杰出青年基金获得者。三、研究方案1.学术思路：以国家在光电子工业、通讯、能源和国防建设方面的重大需求为背景，开展固态微结构光诱导集体激发和光电耦合量子调控的重大基础问题的创新性研究。研究固态（半导体、铁电和碳基）微结构中光诱导的个别和集体激发产生、演化及其退相干过程。发展集体激发和光场强耦合的微观量子理论和基于先进计算技术的多尺度数值计算软件平台。探索利用强耦合调控集体激发退相干过程的新机制和手段，构造基于光电耦合的新型原型器件。使我国在光和物质相互作用前沿领域的研究水平走在世界前列。2.技术途径：结合理论进行材料结构设计材料生长结构微观表征材料基本参数的的表征与测试部分材料微加工器件工艺处理各种光谱技术（稳态和超快）测量在不同波段、偏振光激发下集体激发的相干动力学过程及其调控。A.在固态微结构的制备方面：(a)采用分子束外延生长III-V族半导体微纳结构、稀磁半导体、以及和铁磁金属的复合结构。(b）采用脉冲激光沉积法制备高质量的单晶或者多晶铁电材料微纳结构。(c）采用溶胶-凝胶法制备大面积和均匀性好的高度择优取向多晶铁电材料。(d）采用电化学方法生长和制备不同的稀磁（Mn，Co等）离子掺杂的半导体量子点。(e）采用电化学方法制备氮掺杂sp2-碳量子点结构。(f）采用模板法制备金属纳米结构。(g）采用生物模板方法制备纳米微结构和介观光子平台。B.在微结构光电特性测试方面：(a）利用透射电子显微镜、X光衍射、原子力显微镜、扫描电子显微镜、高分辨率透射电镜和扫描隧道显微镜等方法对微纳低维结构形貌与生长质量进行微观表征。(b）利用超导量子干涉仪、变温磁-输运测量系统以及和与分子束外延生长系统对接的原位磁光测试系统等设备进行材料基本磁性质的研究与表征。采用变磁场霍耳效应实验测量微结构中载流子输运参数，以表征微结构体系中的电、磁特性。(c)采用室温红外反射光谱、显微光致发光光谱、显微拉曼光谱技术、红外透射和光致发光光谱等手段表征不同微结构体系在深紫外到远红外区的光学特性。(d）利用飞秒时间分辨磁光克尔旋转、光电流谱、铁磁共振技术探测磁性半导体和非磁半导体微结构中光诱导的集体激发、自旋和磁化的超快动力学过程。(e）采用微区时间分辨光致荧光等实验手段，研究半导体量子点/金属复合结构中金属表面等离激元受激放大和激射过程和能量转移过程。C.在理论研究方面：(a）固态微结构中集体激发方面：采用两种互补的研究路径。一是基于第一性原理的密度泛函理论结合随机相位近似和准粒子GW电子结构计算方法研究其电子结构和介电行为，得到集体激发的能谱，电子态分布和态密度。二是在多带kp方法、经验超大原胞赝势法和紧束缚方法的基础上，采用费曼图技术和量子MonteCarlo方法模拟较大尺寸固态微结构中集体激发的行为和相干动力学过程。(b）光场的分布和传输方面：采用时域有限差分法和散射矩阵方法等方法计算任意形状固态微结构附近的光场分布和色散关系。(c）光场和集体激发耦合方面：采用密度矩阵的运动方程的方法研究集体激发的演化行为及其光电响应；发展量子光学的方法研究固态微结构体系中集体激发和光场耦合的量子调控机制。四、年度计划第一年研究内容:1．进行(Ga,Mn)As稀磁半导体材料、GaMnAs/AlGaMnAs异质结和GaAs/AlGaAs量子阱中稳态与时间分辨磁光克尔旋转（TRKR）光学实验。2.制备掺Mn的反核壳半导体量子点，研究制备高质量BST和BLT铁电材料微纳结构的工艺；优化磁控溅射技术制备一维人工微纳结构的工艺；研究制备尺寸可控的氮掺杂sp2碳量子点的制备技术。采用HRXRD、AFM/STM、SEM以及XPS等表征技术来分析上述微纳结构材料的表面形貌和微观结构。采用第一性原理方法以及分子动力学模拟研究微结构中电子结构和光学特性；采用kp方法研究微结构中电子结构和多体效应。3．开展锑化物MBE系统的升级改造与调试，研究2—5微米及8-12微米超晶格结构设计，2-5微米GaInAsSb异质结激光器结构设计。研究制备W/B4C,W/Si,W/C,W/SiC,Mo/Si,WSi2/Si,MoSi2/Si，Cr/Sc等系列一维超晶格。采用时域差分方法以及散射矩阵方法计算光场的分布。第一年预期目标:1．给出(Ga,Mn)As半导体以及GaMnAs/AlGaMnAs异质结中光激发自旋极化载流子对磁性离子的交换相互作用、自旋弛豫、磁各向异性与磁化翻转过程的作用关系。2.掌握并优化掺Mn反核壳半导体量子点的制备方法。完善化学法制备微纳结构铁电材料的生长平台；实现微纳结构铁电材料和氮掺杂sp2碳量子点的可控制备，建立可重复生长的工艺和技术；得到一些半导体微结构电子结构和光学特性的计算结果，给出微结构尺度、形状对电子结构和光谱的影响以及电子-电子相互作用对电子结构及其光学特性的影响。3．确定一维人工微纳结构的制备工艺条件与参数；完成高质量纳米尺度的超薄膜和超晶格的制备；表征人工微纳结构的形貌、结构参数、成分、主要杂质含量以及存在形态、配位状态；并确定生长制备条件对这些因素的影响变化规律。4.获得InAs/GaSb超晶格能带计算模型；完成多波段2-5微米、8-12微米器件结构设计；2-5微米的GaInAsSb和AlGaInAsSb激光器设计。完成锑化物生长的MBE设备改造与调试，获得优化的锑化物超晶格异质。5.发表论文25∼30篇，申请专利4∼6项。第二年研究内容:1.继续(Ga,Mn)As稀磁半导体、GaAs/AlGaAs量子阱与In(Ga)As量子点中时间分辨磁光克尔旋转（TRKR）光学实验。实验研究Fe/GaAs铁磁薄膜以及CoFeAl、CoFeMn等半金属材料中全光学自旋波的激发。研究微纳结构铁电材料的电学输运特性及磁场和温度场的调控。制备GaMnAsP微纳器件，研究其光电特性。2.优化InAs/GaSb二类超晶格以及GaInAsSb、AlGaInAsSb材料生长条件。研究金属纳米天线/半导体量子点以及金属纳米天线/稀土纳米颗粒等复合纳米结构的制备技术。采用光谱和微纳结构表征方法精确测定氮掺杂sp2碳量子点中的键长和电子态等。3.用紫外光刻、电子束刻蚀方法制作光栅结构，制备光栅和狭缝的组合结构，制备二维点阵光学微结构。4.在前期计算的基础上研究固态微结构中的光电耦合过程，开发计算固态微结构光电耦合的软件平台，开展实验结果的数值模拟来设计新型光电耦合器件。第二年预期目标:1．给出(Ga,Mn)As、Fe/GaAs铁磁薄膜以及CoFeAl、CoFeMn等半金属材料的自旋极化的动力学机理。发现不同金属复合结构以及外场设计等对(Ga,Mn)As、GaAs/AlGaAs量子阱与In(Ga)As量子点;金属纳米天线/半导体量子点以及金属纳米天线/稀土纳米颗粒中自旋－轨道耦合以及光致集体激发的调控作用。2．完成GaSb衬底上InAs/GaSb二类超晶格材料及GaInAsSb、AlGaInAsSb外延材料生长研究和生长条件优化。获得GaSb和InAs材料P型和N型掺杂浓度条件参数。获得77K光荧光峰位处于2-5微米的超晶格材料和GaInAsSb、AlGaInAsSb材料。3.建立不同生长参数对微纳结构铁电材料的导电率、铁电极化特性以及介电特性等电学性质的变化规律；给出外场特别是磁场对微纳结构铁电材料电学输运特性影响的物理规律。获取氮掺杂sp2碳量子点的微观结构及电子能带结构。4.制备出光栅微结构和二维点阵结构；制备出光栅和狭缝的组合结构。5．结合不同的计算方法，发展电子结构的计算方法；给出半导体微结构中光电强耦合，如极化激元，表面等离激元的研究结果，开发并建立了初步的软件平台。6.发表论文35∼40篇，申请专利5∼7项。中期评估:整理资料，进行中期评估，检查前两年的进展，并根据专家组的建议，对今后研究内容和研究方案做出相应的调整。第三年研究内容:1．建立偏振分辨的光电流谱测试平台，对(Ga,Mn)As稀磁半导体与GaAs/AlGaAs量子阱进行结构与能带的设计，并进行不同外场调制下的偏振光电流谱测试；继续GaMnAs/AlGaMnAs异质结的磁光动力学特性研究；展开2—5微米InAs/GaSb二类超晶格探测器和GaInAsSb异质结激光器器件结构和工艺研究。2．开展二维电子气的等离子体振荡和不稳定性物理的理论和实验研究。研究表面结构、量子/界面等效应，表面修饰，界面改性、应力等因素对微结构表面等离激元的影响。研究金属纳米颗粒的等离共振引起的局域场效应。并利用表面极化激元实现多量子点之间的纠缠,建立量子态的纠缠的表征和测量方案。3．用稳态深紫外-远红外光谱技术研究BST和BLT铁电材料微纳结构的光学特性，寻求该低维材料体系中微观电子能带结构及其与纳米尺度的依赖关系；研究氮掺杂sp2碳基量子点或类似体系与介观光子平台的复合微结构的光学特性，寻求其光电耦合效应对量子点发光特性的影响。4.研究高能光子的能量转移与输运性质与微结构参数之间的关系，研究温度、外场等因素对高能光子能量输运的调控机理；研究人工微纳结构的能量耦合特性。5．研究和发展亚光波长微结构中的光场分布的理论和数值计算方法；计算不同材料制备的亚波长结构中的光场分布，研究微结构几何形状、周期对光场分布的调控作用；设计具有高品质因子的固态光学微腔和亚波长的微结构;研究实现微结构中光诱导集体激发和光电耦合过程和外场调控手段。第三年预期目标:1．给出铁磁薄膜以及半金属材料中全光学自旋波的产生与调控的物理机理，揭示GaMn