41、强太赫兹辐射对半导体量子环电子和带内光学性质的影响

强太赫兹辐射对半导体量子环电子和带内光学性质的影响

1. 引言

太赫兹（THz）频率范围为 0.3 至 10 THz，它连接了电磁辐射的微波和红外区域。太赫兹技术在众多领域有着广泛应用，如信息与通信、生物和医学科学、国土安全、无损检测、环境监测、天文学等。在这些领域中，半导体纳米结构发挥着重要作用，其中量子环（QRs）占据着特殊地位。

与广泛研究的量子点（QDs）相比，量子环由于其独特的形状，具有更强的约束能力，可能形成单束缚态，适用于 1 - 3 THz 范围内具有强响应的太赫兹子能级间探测器。此外，量子环中的隧穿效应会在耦合量子环阵列中产生中间带，可用于增强太阳能电池的光电流以及应用于共振隧穿器件。同时，双连通的环形几何结构可用于制备具有独特性质的材料，例如量子点 - 环纳米结构中的波函数工程表明，太赫兹光吸收、自旋弛豫时间和导电性能可通过约束进行高度调节；α - Fe₂O₃@碳的核 - 壳纳米环结构比裸纳米环 α - Fe₂O₃具有更好的比容量、循环稳定性和倍率性能；由 n 型半导体 ZnO 环组成的超材料可以模拟 p 型半导体的电学性质。

研究强太赫兹辐射激发的量子环的电子和光学响应与使用固态激光器的研究相比十分有趣。高功率太赫兹辐射会产生各种非线性效应，与可见光和红外范围内的相关效应有很大不同。在太赫兹频率下，电子与辐射相互作用的半经典描述会转变为完全量子化的极限，这在一些开创性工作中得到了体现，如动态 Franz - Keldysh 效应、体材料和低维半导体中的光子拖曳效应等。

本文将采用 Floquet 理论的高频近似，对强太赫兹激光场影响下的量子环电子态及相关带内光学过程进行理论研究，并考虑均匀电场和类氢杂质效应来讨论激光场的影响。