第一章绪论
1.1科学技术推动世界绿色、低碳可持续发展
能源，简而言之，就是自然界中能为人类提供可供利用的某种形式能量的物质资源。能源一般可分为不可再生（non-renewable)能源和可再生（renewable)能源。传统的能源概念是指以石油、煤炭、天然气等为代表的化石燃料，它们均为不可再生能源。随着19世纪开始世界范围的工业大发展，能源消耗速率呈指数上升。根据英国石油公司的最新统计和预测（图l-l(a))，传统化石能源（Oil,Coal, Gas)在当前乃至未来一段时间内仍将为世界能源消耗的主体。尽管它们的具体份额在未来一段时间内会出现交替变化，然而由于不可再生属性，其总体份额呈现下降的趋势将不可避免。作为不可再生能源的核能（Nuclear)被认为是最高效的能源之一，然而出于核安全的考虑，尤其是上世纪80年发表生的俄罗 '斯切尔诺贝利核电站泄露事故以及2011年发生的日本大地震引发的福岛核电站泄露事故所带来的教训，使得各国对于发展核能技术采取了十分审慎的态度，从 '而导致其发展受限。水能（Hydro)虽然被认为是可再生能源，然而其总的蕴藏量是有限的，而且发展受到地域的严格限制，各国特别是发达国家的水力发电效率基本上达到了极限，因此其对能源供给增长率的贡献将相当有限。随着化石能 .源的急速枯竭和世界对能源需求量的迅速膨胀，一场真正的能源危机已然来临。 另一方面，由传统化石能源消耗直接引发的是以温室气体（C02，CH4，N20等）排放为代表的全球污染问题（图i-i(b))。科学家普遍认为温室气体的增加是造成全球持续暖化的直接原因。为了应对这场伴随着能源危机的世界环境危机，各国间于1997年由联合国发起制定了《京都议定书》，共同采取措施减少温室气体的排放。因此，发展节能减排和可再生能源（Renewables)技术以减少对传统化石能源的依赖，走绿色、低碳可持续发展道路，成为世界各国面对能源和环境双重挑战的唯一出路。我国作为世界上人口最多的发展中国家，经济发展尚处在能源密集型产业为主的阶段，加之能源储备有限，所面临的能源和环境双重压力尤为显著。因此对于我国来说，注重能源资源的节约、提高能源利用效率、加快可再生能源技术的开发利用显得更加重要而迫切。
1.2当前能源相关研究的几个前沿和热点
鉴于能源和环境问题的重要性和迫切性，目前与能源相关的研究分为几个方面：一是研发高能效、低能耗、环境友好型的光、电子器件，从而达到节能减排的目的；二是开发回收利用废弃能源（如废热）的技术，提高能源的综合利用效率；三是研发利用可再生能源（如太阳能）的获取技术，以期最终解决对传统不可再生能源的依赖。接下来，我们将就上述三方面的研究策略分别介绍当前与之相对应的能源研究的几个前沿和热点。1.2.1基于III族氮化物半导体的固体照明器件
当前，照明约占世界总能耗的20%左右，因此开发节能照明技术对于节约能源意义重大。基于高亮度蓝、绿光和紫外光发光二极管（light emitting diode, LED)的半导体固体照明（solid-statelighting, SSL)技术，是继白炽灯、日光灯之后的第三代照明技术，是未来照明光源的首选。之所以如此，是因为固体LED相比 ，于传统照明光源来说具有超长寿命、超高能效和环境十分友好的独特优势，拥有i巨大的节能和环保潜力。表1-1为美国2002年制定的固体照明-LED路线图，给出了固体LED与白织灯、日光灯在各方面的指数对比。根据预测，到2020年综合效率、寿命、成本等因素，固体LED照明将可与传统照明技术媲美，从而全 面进入普通照明领域。由于传统照明技术的效率提升空间有限，加之容易对环境造成污染（如白炽灯的强福射、日光灯的汞污染等），各主要国家都将发展新一代固体LED照明纳入国家发展战略。以美国为例，从2000年起国家投资5亿美元发起实施了 "国家半导体照明研究计划"。据美国能源部的最新估计，在接 下来的20年内，社会逐步转向LED照明将可在能源支出方面节省2500亿美元，减少近一半的电力消耗，并且避免高达18亿吨的碳排放。我国也紧跟这一全球照明领域的发展趋势，于2003年6月正式启动了国家半导体照明工程。据预测，如果半导体照明技术普遍应用于普通照明、装饰照明等，每年就可节省相当于2-3座三峡大坝的发电量。同时通过减少电力使用还可以间接减少由于火力发电等产生的环境污染。这对缓解我国电力供应的紧张局势、建设绿色循环经济将十分有益。
第三章AI(Ga, ln)N合金体系的能带与紫外发光调控..............63
3.1引言..............63
3.2生长模板对AlGaN和AlInN合金紫外发光的影响..............64
3.3外加应变对AlGaN合金紫外发光效率的调制..............70
3.4赝晶生长的AlxGai.xN/AlyGai_yN异质结构的紫外发光.......76
第四章III族氮化物薄膜和非均匀结构中的热电性质..............85
4.1引言..............85
4.2 InN和InGaN的热学和热电性质研究..............86
4.3非均匀、双极性半导体结构中电热驱动的涡旋电流........93
第五章半导体低维结构中的动力学输运研究..............105
5.1引言..............105
5.2纳米线在局域载流子调制下的动力学输运过程..............106
5.3铁电材料纳米畴界处的高效光伏效应..............118
第六章结论与展望
6.1研究总结
本论文以能源研究为切入点，以半导体能带工程和动力学输运理论为基本方法论，针对光电器件、热电器件以及光伏器件这三个当前能源相关研究的前沿领域中存在的问题展开了材料和器件的基础研究。从理论和实验两方面（1)深入、系统地研究了用于固体照明的m族氮化物半导体材料的能带结构及其光学性质，考察了对其进行人工调控的可行性并提出了相应的策略；（2)初步探讨了 InN及其合金薄膜的热电性质，并研究了非均匀系统中的电热输运过程对体系热电性质的影响；（3)观测并模拟了半导体低维结构（一维纳米线和铁电材料的纳米畴界)在光照条件下的载流子动力学输运行为。
本论文得到的主要成果和结论如下：
1.通过理论和实验研究，全面深入揭示了应变和极化对III族氮化物的能带结构及其发光性质的调制机理，为人工调控m族氮化物的发光特性和发光效率提供了理论指导和实验依据：（1)运用k，p能带微扰理论计算表明面内各向异性应变可以使C面产生各向异性发光，同时能进一步增强非极性面（如m面）的光学各向异性。（2)通过采用单轴应力仪施加面内非对称应变，首次在传统C面GaN薄膜中观察到了面内各向异性光致发光，从而验证了上述理论预言。进而通过定量控制应变，实现了对光学各向异性的人工调制。（3)生长了 m面GaN薄膜并测量了其偏振光致发光谱，探讨了各向异性发光与能带分裂的内在关联，通过与C面GaN作对比，确认了非极性面的内禀各向异性和非对称应变是产生面内光学各向异性的两个重要因素。（4)采用MOCVD制备出单一取向的m面InN薄膜，并详细表征了其面内晶体结构和光学各向异性，获得了?0.7 eV的本征带隙，观测到并解释了吸收边相对于发射边的蓝移行为。（5)理论研究了 AN独特的价带结构在应变作用下的演化过程，发现在一定的应变作用下，A1N的价带对称性可以从不利于C面出光的r7，r9,排列转变为有利于C面出光的{r9， Tj, r?}排列，从而为ain的能带改性提供了理论依据。
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