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半導體量子點偏振精細光譜的研究
(2010)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系（所）
半導體量子點偏振精細光譜的研究
(2009)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系(所)
半磁性奈米晶體多體理論之研究以及其自旋生醫元件的應用
(2008)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系(所)
半導體奈米晶體[semiconductor nanocrystal (NC)]是利用所謂由下而上（bottom-up）之化學製成法所合成的人造奈米顆粒，其尺寸僅約數個奈米，多年來實驗上已證實其優異的發光及量子特性，而被視為新一代光電材料的明日之星。不僅如此，最新的摻雜技術已成功地將磁性元素（例如錳）結合入這些奈米晶體，[1]在未來，這些具磁性的半導體顆粒，其應用層面將可擴展至奈米生醫檢測，乃至和磁性息息相關的自旋電子學和量子資訊技術。半磁性(semi-magnetic)奈米晶體吸引人之處，在於其獨特的磁光特性。最近，法國實驗團隊L.Besombes 等人已成功測得包含單一光激子及單一錳原子的單顆量子點瑩光光譜，[2]實驗光譜中豐富的精細結構直接反應出量子點中光激子(exciton)與磁性雜質間複雜的自旋交互作用，儘管多年來物理學家對於半磁性半導體塊材或薄膜已有廣泛的研究，然而半磁性量子點方面的研究卻仍有限。一方面，傳統的能帶理論在面對如此微小的固體系統將遇到瓶頸，另一方面，由於奈米晶體中強烈的量子侷限效應，粒子或磁性雜質間的自旋交互作用變得強烈且更為複雜進而造成理論計算上的困難。最近我們已對多個電子與單一磁性原子的交互作用以及半磁性奈米晶體的磁性進行相關研究。[3]在本計畫中，我們將延伸該理論方法及計算技術研究光激子與磁性雜質間的交互作用以及半磁性奈米晶體的光電及自旋特性，並探討利用該磁性奈米晶體結合光學技術實現生醫感測元件的可能性。本計畫主要由下列主題構成: 1. 奈米晶體電子結構的計算我們將採用多重尺度的方法計算奈米晶體的電子結構:包括k.p 法及假位能(empirical pseudopotential)法?雖然奈米晶體的尺寸僅數個奈米，其中卻包含了>103 個原子，採用微觀理論的假位能法處理如此龐大的原子數目將是數值技術上一大挑戰。因此我們將先建構一16 節點(nodes)的計算機叢集配備高容量的動態計憶體(>6G/node)，再採用Lanczos 演算法解決超大(>105 執105)哈密頓矩陣(Hamltonian matrix)的對角化問題。 2. 半磁性奈米晶體中多激子的研究利用configuration interaction (CI) 的方法及矩陣對角化的技術我們將計算半磁性奈米晶體中多激子的能譜和磁性, 其中激子-激子、激子-磁性離子、及離子-離子間的庫倫作用力將被完整地考慮?由於庫倫交換作用力，激子與磁性離子間有可能互相吸引而形成一新準粒子(quasi-particle)，即所謂exciton magnetic polaron (EMP)，最近的研究顯示EMP 在量子點光譜和自旋特性中伴演重要角色，我們將研究EMP 在奈米晶體瑩光 (Photoluminescence), 瑩光激發(Photoluminescence excitation) 和時析(time resolved)光譜所造成的影響? 3. 利用奈米晶體實現自旋及生醫感測元件最後我們將探討利用半磁性奈米晶體來發展自旋及生醫感測元件，我們將研究一奈米晶體外部的磁性生物分子如何對奈米晶體光譜產生影?，並找出其瑩光光譜圖像與磁矩交互作用的?係作為感測磁性生物分子的依據，我們將儘可能分析影?元件特性的因素，例如熱效應(thermal effect),自旋態的穩定性(stability)和動態響應(dynamics)。參考書目: [1] D. J. Norris, et al, Nano Lett. 1, 3 (2001). [2] L. Besombes et al,Phys. Rev. Lett. 93, 207403 (2004). [3] S.J. Cheng, to be published in Phys. Rev. B (2006).__
半磁性奈米晶體多體理論之研究以及其自旋生醫元件的應用
(2006)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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交通大學電子物理系
半導體奈米晶體[semiconductor nanocrystal (NC)]是利用所謂由下而上（bottom-up）之化學製成法所合成的人造奈米顆粒，其尺寸僅約數個奈米，多年來實驗上已證實其優異的發光及量子特性，而被視為新一代光電材料的明日之星。不僅如此，最新的摻雜技術已成功地將磁性元素（例如錳）結合入這些奈米晶體，[1]在未來，這些具磁性的半導體顆粒，其應用層面將可擴展至奈米生醫檢測，乃至和磁性息息相關的自旋電子學和量子資訊技術。半磁性(semi-magnetic)奈米晶體吸引人之處，在於其獨特的磁光特性。最近，法國實驗團隊L.Besombes 等人已成功測得包含單一光激子及單一錳原子的單顆量子點瑩光光譜，[2]實驗光譜中豐富的精細結構直接反應出量子點中光激子(exciton)與磁性雜質間複雜的自旋交互作用，儘管多年來物理學家對於半磁性半導體塊材或薄膜已有廣泛的研究，然而半磁性量子點方面的研究卻仍有限。一方面，傳統的能帶理論在面對如此微小的固體系統將遇到瓶頸，另一方面，由於奈米晶體中強烈的量子侷限效應，粒子或磁性雜質間的自旋交互作用變得強烈且更為複雜進而造成理論計算上的困難。最近我們已對多個電子與單一磁性原子的交互作用以及半磁性奈米晶體的磁性進行相關研究。[3]在本計畫中，我們將延伸該理論方法及計算技術研究光激子與磁性雜質間的交互作用以及半磁性奈米晶體的光電及自旋特性，並探討利用該磁性奈米晶體結合光學技術實現生醫感測元件的可能性。本計畫主要由下列主題構成: 1. 奈米晶體電子結構的計算我們將採用多重尺度的方法計算奈米晶體的電子結構:包括k.p 法及假位能(empirical pseudopotential)法?雖然奈米晶體的尺寸僅數個奈米，其中卻包含了>103 個原子，採用微觀理論的假位能法處理如此龐大的原子數目將是數值技術上一大挑戰。因此我們將先建構一16 節點(nodes)的計算機叢集配備高容量的動態計憶體(>6G/node)，再採用Lanczos 演算法解決超大(>105 105)哈密頓矩陣(Hamltonian matrix)的對角化問題。 2. 半磁性奈米晶體中多激子的研究利用configuration interaction (CI) 的方法及矩陣對角化的技術我們將計算半磁性奈米晶體中多激子的能譜和磁性, 其中激子-激子、激子-磁性離子、及離子-離子間的庫倫作用力將被完整地考慮?由於庫倫交換作用力，激子與磁性離子間有可能互相吸引而形成一新準粒子(quasi-particle)，即所謂exciton magnetic polaron (EMP)，最近的研究顯示EMP 在量子點光譜和自旋特性中伴演重要角色，我們將研究EMP 在奈米晶體瑩光 (Photoluminescence), 瑩光激發(Photoluminescence excitation) 和時析(time resolved)光譜所造成的影響? 3. 利用奈米晶體實現自旋及生醫感測元件最後我們將探討利用半磁性奈米晶體來發展自旋及生醫感測元件，我們將研究一奈米晶體外部的磁性生物分子如何對奈米晶體光譜產生影?，並找出其瑩光光譜圖像與磁矩交互作用的?係作為感測磁性生物分子的依據，我們將儘可能分析影?元件特性的因素，例如熱效應(thermal effect),自旋態的穩定性(stability)和動態響應(dynamics)。
半磁性奈米晶體多體理論之研究以及其自旋生醫元件的應用
(2007)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系(所)
半導體奈米晶體[semiconductor nanocrystal (NC)]是利用所謂由下而上（bottom-up）之化學製成法所合成的人造奈米顆粒，其尺寸僅約數個奈米，多年來實驗上已證實其優異的發光及量子特性，而被視為新一代光電材料的明日之星。不僅如此，最新的摻雜技術已成功地將磁性元素（例如錳）結合入這些奈米晶體，[1]在未來，這些具磁性的半導體顆粒，其應用層面將可擴展至奈米生醫檢測，乃至和磁性息息相關的自旋電子學和量子資訊技術。半磁性(semi-magnetic)奈米晶體吸引人之處，在於其獨特的磁光特性。最近，法國實驗團隊L.Besombes 等人已成功測得包含單一光激子及單一錳原子的單顆量子點瑩光光譜，[2]實驗光譜中豐富的精細結構直接反應出量子點中光激子(exciton)與磁性雜質間複雜的自旋交互作用，儘管多年來物理學家對於半磁性半導體塊材或薄膜已有廣泛的研究，然而半磁性量子點方面的研究卻仍有限。一方面，傳統的能帶理論在面對如此微小的固體系統將遇到瓶頸，另一方面，由於奈米晶體中強烈的量子侷限效應，粒子或磁性雜質間的自旋交互作用變得強烈且更為複雜進而造成理論計算上的困難。最近我們已對多個電子與單一磁性原子的交互作用以及半磁性奈米晶體的磁性進行相關研究。[3]在本計畫中，我們將延伸該理論方法及計算技術研究光激子與磁性雜質間的交互作用以及半磁性奈米晶體的光電及自旋特性，並探討利用該磁性奈米晶體結合光學技術實現生醫感測元件的可能性。本計畫主要由下列主題構成: 1. 奈米晶體電子結構的計算我們將採用多重尺度的方法計算奈米晶體的電子結構:包括k.p 法及假位能(empirical pseudopotential)法?雖然奈米晶體的尺寸僅數個奈米，其中卻包含了>103 個原子，採用微觀理論的假位能法處理如此龐大的原子數目將是數值技術上一大挑戰。因此我們將先建構一16 節點(nodes)的計算機叢集配備高容量的動態計憶體(>6G/node)，再採用Lanczos 演算法解決超大(>105 執105)哈密頓矩陣(Hamltonian matrix)的對角化問題。 2. 半磁性奈米晶體中多激子的研究利用configuration interaction (CI) 的方法及矩陣對角化的技術我們將計算半磁性奈米晶體中多激子的能譜和磁性, 其中激子-激子、激子-磁性離子、及離子-離子間的庫倫作用力將被完整地考慮?由於庫倫交換作用力，激子與磁性離子間有可能互相吸引而形成一新準粒子(quasi-particle)，即所謂exciton magnetic polaron (EMP)，最近的研究顯示EMP 在量子點光譜和自旋特性中伴演重要角色，我們將研究EMP 在奈米晶體瑩光 (Photoluminescence), 瑩光激發(Photoluminescence excitation) 和時析(time resolved)光譜所造成的影響? 3. 利用奈米晶體實現自旋及生醫感測元件最後我們將探討利用半磁性奈米晶體來發展自旋及生醫感測元件，我們將研究一奈米晶體外部的磁性生物分子如何對奈米晶體光譜產生影?，並找出其瑩光光譜圖像與磁矩交互作用的?係作為感測磁性生物分子的依據，我們將儘可能分析影?元件特性的因素，例如熱效應(thermal effect),自旋態的穩定性(stability)和動態響應(dynamics)。參考書目: [1] D. J. Norris, et al, Nano Lett. 1, 3 (2001). [2] L. Besombes et al,Phys. Rev. Lett. 93, 207403 (2004). [3] S.J. Cheng, to be published in Phys. Rev. B (2006).__
外加應力影響下單層二硫化鉬之多體及自旋性質：偽藍道能級之理論研究
(2015)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系（所）
外加應力影響下單層二硫化鉬之多體及自旋性質：偽藍道能級之理論研究
(2016)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系（所）
新穎高效率混合型之量子點光電元件-子計畫六：光電元件中膠體奈米粒子光吸收與能量轉移率的理論研究
(2015)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系（所）
近年來運用膠體奈米粒子(colloidal nanoparticles)來提升光電及太陽能電池元件的特性有許多重大突破。利用奈米粒子的尺寸量子化效應（quantum size effect）除可用來調整元件的吸收光波長外並可能大幅提高其光-電的轉換效率。其中利用所謂核 -殼型量子點(core-shell quantum dots)更解決了長期以來膠體粒子光電性質不穩定的問題(blinking problem) 。此外透過奈米粒子間的非輻射能量轉移(energy transfer)，可使得元件整體的吸收光譜更廣，效率更高。其中最具代表性的能量轉移機制即所謂福斯特共振能量轉移現象（Förster resonance energy transfer, FRET），是量子點之間，透過長程的偶極-偶極耦合的能量轉移。在本計畫中，我們將藉由解析方法與大型的數值計算程式，建構一套有效的數值模擬方法－來研究太陽能電池中膠體量子點吸收光譜與量子點間的能量轉移率。透過緊密束縛(Tight-Binding) 方法我們計算單一量子點及耦合量子點的電子結構及激子能譜。由於核-殼型量子點間材料的不晶格匹配，我們的方法將結合valence force field (VFF)模型計算核-殼型量子點中的應力分佈；接著以緊密束縛法所計算的電子結構及吸收光譜為基礎，利用 Configuration interaction (CI) method 考慮激子間的庫倫交互作用包含偶極-偶極耦合，再利用黃金費米定則(Fermi's golden rule)精確的計算量子點的吸收光譜以及耦合量子點間的能量轉移率。透過本計劃發展的數值計算工具我們將提供大量的數值資料足以用來描繪量子點在實驗系統中複雜的光電行為，此理論將會與實驗比對並解釋其結果進而提供設計奈米粒子光電元件有用的物理依據。
新穎高效率混合型之量子點光電元件-子計畫六：光電元件中膠體奈米粒子光吸收與能量轉移率的理論研究
(2013)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系（所）
新穎高效率混合型之量子點光電元件-子計畫六：光電元件中膠體奈米粒子光吸收與能量轉移率的理論研究
(2014)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系（所）
液滴磊晶量子點的精細結構及糾纏光子對發射之研究
(2013)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系（所）
液滴磊晶量子點的精細結構及糾纏光子對發射之研究
(2014)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系（所）
自組式量子點中激子動態行為的理論研究
(2011)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系（所）
由於擁有高度量化的電子結構，自組式量子點展現出優異發光特性。此前瞻性的奈米材料可以應用在各種光量子資訊的應用，例如量子遠傳、量子密碼學和量子光源發射器。在自組式量子點的量子光學應用中(如單光子、糾纏態光子對發射器)，光激子的動態行為在光學元件的操作上扮演決定性的角色。然而，在固態材料中無法避免的量子鬆弛(relaxation)效應與量子同調性(coherence)的破壞，往往大幅地限制了量子點在光量子資訊上的應用。在本計畫中，我們將藉由解析方法與大型的數值計算程式，建構出一套激子在量子侷限中的動態行為理論。在解析方法中我們已經完成了激子在三維簡諧振盪模型中自旋鬆弛時間的理論，其中完整考慮了電子電洞的交換能、自旋軌道耦合與核子自旋的作用力。在這個理論架構下，我們將發展一個有效的數值模擬方法－8能帶kp模型－來計算應力自組式量子點帶有自旋混成的電子結構，其中涵蓋了所有可能的自旋軌道耦合及應力效應。以kp模型所計算的單一電子及電洞能階為基礎，進而利用組態相互作用法來解決多激子的問題，並考慮所有可能的粒子間交互作用，尤其是自旋相關的電子電洞庫倫交互作用。量子點中激子鬆弛時間的研究，可藉由求解電子與電洞對自發性復合的速率方程(rate equation)與黃金費米定則(Fermi’s golden rule)來了解。量子點中亮激子發去相(de-phasing time)時間的計算則可從求解自旋的運動方程得到，並將同調性破壞的原因：包括聲子或核子自旋交互作用，作有系統的研究。此理論將比對並解釋時間解析光譜的實驗結果，以及變溫光譜的分析。本研究可以對量子點中激子動態行為提供理論的基礎進而有效的設計或控制量子點光源元件。
自組式量子點中激子動態行為的理論研究
(2012)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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國立交通大學電子物理學系（所）
由於擁有高度量化的電子結構，自組式量子點展現出優異發光特性。此前瞻性的奈米材料可以應用在各種光量子資訊的應用，例如量子遠傳、量子密碼學和量子光源發射器。在自組式量子點的量子光學應用中(如單光子、糾纏態光子對發射器)，光激子的動態行為在光學元件的操作上扮演決定性的角色。然而，在固態材料中無法避免的量子鬆弛(relaxation)效應與量子同調性(coherence)的破壞，往往大幅地限制了量子點在光量子資訊上的應用。在本計畫中，我們將藉由解析方法與大型的數值計算程式，建構出一套激子在量子侷限中的動態行為理論。在解析方法中我們已經完成了激子在三維簡諧振盪模型中自旋鬆弛時間的理論，其中完整考慮了電子電洞的交換能、自旋軌道耦合與核子自旋的作用力。在這個理論架構下，我們將發展一個有效的數值模擬方法－8 能帶kp 模型－來計算應力自組式量子點帶有自旋混成的電子結構，其中涵蓋了所有可能的自旋軌道耦合及應力效應。以kp 模型所計算的單一電子及電洞能階為基礎，進而利用組態相互作用法來解決多激子的問題，並考慮所有可能的粒子間交互作用，尤其是自旋相關的電子電洞庫倫交互作用。量子點中激子鬆弛時間的研究，可藉由求解電子與電洞對自發性復合的速率方程 (rate equation)與黃金費米定則(Fermi’s golden rule)來了解。量子點中亮激子發去相 (de-phasing time)時間的計算則可從求解自旋的運動方程得到，並將同調性破壞的原因：包括聲子或核子自旋交互作用，作有系統的研究。此理論將比對並解釋時間解析光譜的實驗結果，以及變溫光譜的分析。本研究可以對量子點中激子動態行為提供理論的基礎進而有效的設計或控制量子點光源元件
自聚型半導體量子點中多激子問題的研究(I)
(2004)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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交通大學電子物理系
由於自組式(self-assembled)半導體量子點(semiconductor quantum dots)高品質的光電特性及原子般的電子結構，人?對於利用此一量子點實現新一代光電元件深寄厚望。一般而言量子點中的光電過程主要涉及電子電洞對(electron-hole pairs)的產生或湮滅，在此奈米尺度的結構中電子電洞對緊密地束縛在一起而形成多激子聚合體(multi-exciton complexes)，此聚合體中的庫倫作用力相當強烈而且複雜，因此如何研究量子點中的多由於自組式(self-assembled)半導體量子點(semiconductor quantum dots)高品質的光電特性及原子般的電子結構，人?對於利用此一量子點實現新一代光電元件深寄厚望。一般而言量子點中的光電過程主要涉及電子電洞對(electron-hole pairs)的產生或湮滅，在此奈米尺度的結構中電子電洞對緊密地束縛在一起而形成多激子聚合體(multi-exciton complexes)，此聚合體中的庫倫作用力相當強烈而且複雜，因此如何研究量子點中的多激子並發展相關理論便成為一項挑戰。本計劃的目的是對自組式量子點的電子結構及其多激子性質進行理論研究。本計劃主要由下列主題構成: 1. 量子點電子結構的計算在本主題中我們將採用多重尺度計算的方法研究量子點的單電子電子結構:包括多能帶 k.p 法, 緊密束縛法?我們發展的模擬程式將可普遍適用於各種量子點材料﹑形狀和結構? 我們將定量地考慮真實量子點的構成元素包括其應力分佈,化學成份及幾何形狀?其中 k.p 法適合較大量子點的計算並且可以很容易地與應力計算結果相結合。緊密束縛法精密地考慮電子波函數到原子尺度所以可以更有效地考慮化學成份擴散的問題，但計算量也因此變得龐大而需要更有效的高階演算法(例如ARPACK eigensolver)和計憶體容量。我們的計算結果將與原子力顯微鏡量測和瑩光(Photoluminescence)實驗結果驗證並提供多激子計算中量子點模型的依據? 2. 多激子(multi-exciton)問題研究利用configuration interaction (CI) 的方法及exact diagonalization (ED)的技術我們將計算量子點中多激子的量子態及能量, 由於量子點內的粒子數有限,CI 和ED的方法數值上得以求得幾近正解的結果並同時允許深刻的物理解析?在我們先前的研究中我們已計算出激子數達十二個的多激子基態和化學能?計算多激子問題的主要困難在於隨著激子數的增加哈密頓矩陣變得相當龐大以至於一般的個人電腦設備和數值函式庫無法解決其問題。在本計劃中我們將運用高等的ARPACK 數值演算方法配合高速高容量(>2G RAM) 的工作站級個人電腦計算完整的基態和激發態,掌握量子點所有激子量子態的資訊後我們便可以進一步計算量子點完整的光譜性質? 3. 單量子點(single quantum dot)光譜:非對稱量子點和激子的動態行為最近量子點光譜實驗的快速發展引發相關理論普遍的研究興趣, 包括量子點瑩光 (Photoluminescence), 瑩光激發(Photoluminescence excitation) 和時析(time resolved)光譜學, 在我們先前的研究中我們已對量子點的強磁場瑩光進行深入的分析。最新的光譜實驗(Robin Williams et. al, NRC)已量得單量子點豐富的光譜精細結構?實驗顯示理想量子點的對稱性似乎受到某程度的破壞, 我們初步的研究發現其非對稱性活化許多暗激子 (dark exciton)進而造成複雜的光譜結構?但是要完整解釋測量的單量子點光譜必需對激子再結合(recombination)前的動態過程有所瞭解，激子的動態行為與其幅射(radiative)與非幅射(non-radiative)的鬆弛(relaxation)過程有關並直接影響量子點內激子數目的統計分佈,目前為止相關研究並未確實地考慮量子點的真實電子結構,我們將在本計劃中探討其對量子點光譜及激子數統計分佈的影響?
自聚型半導體量子點中多激子問題的研究(II)
(2004)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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交通大學電子物理系
自聚型半導體量子點中多激子問題的研究(III)
(2005)
鄭舜仁
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Cheng Shun-Jen
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交通大學電子物理系