摘要: 半导体量子点是纳米尺度的三维结构，它限制了载流子的运动，从而形成了量子化的分立能级，被称为“人造原子”。自被发现以来，半导体量子点就表现出了丰富的物理内容，其在光电器件、量子信息光源等应用方向也有着巨大的潜力。如何实现高质量的相干单... 展开 半导体量子点是纳米尺度的三维结构，它限制了载流子的运动，从而形成了量子化的分立能级，被称为“人造原子”。自被发现以来，半导体量子点就表现出了丰富的物理内容，其在光电器件、量子信息光源等应用方向也有着巨大的潜力。如何实现高质量的相干单光子源是实现光量子密码通信、线性量子计算等一系列应用的关键。近些年来，利用半导体外延生长技术和微纳工艺加工技术，研究人员可以将量子点植入微腔结构中，从而改变其激子的自发辐射速率和辐射光的远场提取效率。通过控制微腔结构，可以实现量子点激子辐射的增强和高效定向发射，使其成为接近实用性能的单光子源。本论文开展了新型GaAs/AlGaAs核壳结构纳米线中的GaAs单量子点单光子发射特性、量子点的能带结构等相关物理性质的研究。 主要研究内容和取得的研究结果如下: (1)研究了GaAs/AlGaAs核壳纳米线中的闪锌矿结构GaAs量子点的单光子辐射性质:通过对量子点荧光光谱和其二阶关联函数g(2)(τ)(采用Hanbury-Brounan Twiss干涉仪，HBT)的测量，发现这种单量子点具有良好的单光子源特性，量子点的最大光子发射率为～0.2 M（80 MHz脉冲激发），单光子纯度较好(g(2)(0)=0.28)，对应提取效率为0.14，比嵌入平板微腔结构中的量子点辐射强度增加约十倍。 (2)研究了GaAs/AlGaAs纳米线中闪锌矿和纤锌矿结构GaAs量子点的光学和能带结构性质:通过金刚石对顶砧压力光谱、时间分辨光谱和原子赝势计算研究方法，我们首次观测到了纤锌矿结构的GaAs量子点。得到闪锌矿（纤锌矿）量子点的基本特性为:连续激发下每秒单光子发射强度～1 M(～0.036 M)，饱和激发功率下g(2)(0)～0.18(～0.14)，激子发光寿命～1 ns(＞4ns)，压力系数范围为75-100 meV/GPa(28-53 meV/GPa)。闪锌矿量子点常压下带间跃迁是Γ谷的直接光学跃迁;纤锌矿量子点的导带带边态可能是闪锌矿L谷由布里渊区折叠至Γ点而形成的，对应“准直接”光学跃迁。 (3)研究了纤锌矿GaAs纳米线的能带结构特性:通过压力光谱研究，我们发现常压下纤锌矿GaAs纳米线的带边光学跃迁是Γ-Γ直接复合，即导带带边由Γ谷组成。当压力大于～2.5 GPa，光学跃迁发生直接-准直接能带转变，这时的导带带边具有L谷特性。 综上，结合压力光谱和单光子测量技术，本论文对GaAs/AlGaAs纳米线结构及嵌入纳米线结构中的GaAs量子点的光学性质做了系统研究。发现纳米线中的量子点的单光予发射率可达到1 MHz，首次发现了具有纤锌矿结构的GaAs量子点，并确定其光学跃迁为准直接能带跃迁。确认纤锌矿结构GaAs纳米线常压下为直接带隙光学跃迁。此外，我们还实现了量子点的光学定位和InAs/GaAs量子点微环腔的制备及加工工艺的探索，为之后的量子点与微腔结构的耦合研究提供了研究基础和技术支持。 收起