非对称/对称二元GaAs/AlxGa1?xAs量子线中的杂质结合能以及电场和磁场的影响

《Mental Health & Prevention》：The impurity binding energy in asymmetric / symmetric binary GaAs/AlxGa1?xAs quantum wires and electric and magnetic field effects

　　氢性供体杂质在电场与磁场耦合作用下的结合能研究，采用有限差分法和变分法，分析不同线宽和杂质位置的对称/非对称GaAs/Al_xAs方量子线系统，发现结合能受几何参数及外部场显著调控，为实验技术提供理论支撑。

　　

阿卜杜拉·比莱卡亚（Abdullah Bilekkaya）

特拉基亚大学（Trakya University），埃迪尔内（Edirne）技术科学职业学院（Vocational School of Technical Sciences），22030，土耳其

摘要

本文研究了在非对称二元量子线${GAs/Al}_x{Ga}_{1?x}As$中，氢型施主杂质的基态结合能，考察了电场和磁场的影响。计算采用了有限差分法以及有效质量近似下的变分方法，针对不同的线厚度和杂质位置进行了分析。同时，也研究了电场对对称二元量子线结合能的影响。研究发现，杂质结合能强烈依赖于量子线的几何参数，而这些参数可以通过电场和磁场进行调控。研究结果有望为实验和技术应用提供指导。

引言

近年来，由于量子阱（QWs）、量子阱线（QWWs）和量子点（QDs）具有多种电子和光子应用潜力，相关研究逐渐增多[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]]。特别是，由于其在光电子学中的潜在应用，人们对量子阱线中电子的能量状态进行了大量实验和理论研究[[21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29]]。由量子阱线构成的二维半导体结构中的电子和光学性质受到杂质原子的显著影响，这使得这些结构变得尤为重要。此外，量子阱线的形状、杂质原子的位置以及电场、磁场和激光场等外部场也会对杂质能量状态产生重要影响[[21], [22], [23], [24], [25], [26]]。

当电场沿着量子阱线的生长方向施加时，会改变其量子能量状态，因为这会导致载流子分布的极化[[22], [23], [24]]。这些效应可以用来调节器件的输出密度。然而，磁场的作用会改变量子阱线的几何结构，从而导致能级变化和态密度的重新分布[25,26]。

Tangarife和Duque[27]研究了在电场作用下对称双量子阱线中的杂质结合能，并发现结合能会随着电场方向和杂质原子位置的不同而变化。Hu等人[28]探讨了在电场和磁场作用下$I\mathrm{Ng}\mathrm{Ap}/\mathrm{Inp}$同轴双量子阱线中的杂质状态，他们发现电场和磁场对不同杂质原子位置的结合能有不同的影响。Restrepo等人[29]在电场和静水压力下研究了具有W型势垒的双量子阱线中的电子状态，发现杂质结合能强烈依赖于电场、势垒的形状和静水压力。

基于这些研究，本文探讨了外部电场和磁场对非对称二元量子线${GAs/Al}_{Ga}As$的结合能的影响，同时分析了系统几何形状和杂质位置对结合能的影响。

对于对称二元量子线，也考虑了电场对结合能的影响。据我们所知，目前尚无研究同时考虑电场和磁场对这种非对称二元量子线的综合影响。

理论部分

理论

本研究考察的非对称（或对称）二元量子线${GAs/Al}_{Ga}{As}_{}$的结构如图1所示。系统施加了$+x$方向的电场和$+z$方向的磁场。在该电场和磁场作用下，电子的哈密顿量为[[30], [31], [32]]< /><