Диссертация (Обменное взаимодействие и коллективные свойства экситонов в наносистемах EuO-SrO), страница 6

Время жизни последнихсильно возрастает при увеличении ширины разделяющего слоя PbS. Например,при d  50 A оно увеличивается почти на порядок.Еще в работе [3] было отмечено, что для разрешенных электрических дипольных переходов 4f-5d характерна большая сила осциллятора. Расчеты ее дляEu2+ по формулеf mcdv ,e 2 N где N – число ионов, способных возбуждаться;  - коэффициент поглощения;v - частота света; дал действительно большие значенияf  0,01  0,03 .Длясравнения можно привести значение силы осциллятора для желтой серии Cu2O(n=2) f 2  2,8  10 6 [3].Для межъямного экситона расчет силы осциллятора на один электрон былпроведен по формуле [3]f v0 2m22(EE)F(0)r,v0vnm2332где Fv (0) - вероятность нахождения электрона на определенном узле, а Fv волновая функция водородоподобного атома; ( Ev  E0 ) - энергия возбуждения.Краткий обзор литературы показывает, что наиболее перспективными наносистемами являются спиновые сверхрешетки как в плане теоретическогоизучения, так и в практическом их применении [6], [12-15].

Особенно среди нихследует выделить наноструктуры на основе ферромагнитных полупроводников.Если ряд наносистем типа EuS – PbS, SmS – EuS на сегодня изучены достаточноподробно [9-11], [25,26] то практически совсем не исследованы наноструктурына основе ферромагнитного полупроводника EuO, который по ряду параметров( T k , положению 4 f 7 - уровней, энергии связи экситонов и т.д.) выгодно отличается в практическом приложении отличается от других ферромагнитных полупроводников.34ГЛАВА 2. ТИПЫ ЭКСИТОНОВ В НАНОСИСТЕМАХEuO-SrO2.1. Экситоны в моноокиси EuO ниже температуры КюриИнтерес к сверхрешеткам на основе EuO и SrO продолжает возрастать,особенно после публикаций работ [24], [26].

При низких температурах T  TK внанослоях EuO направление спинов электронов задает молекулярное полеH мол  J ie SeB,(2.1)где J ie – обменный интеграл; S e – усредненное значение спина ионов Eu 2 , которые являются соседями центрального иона европия Eu 3 ;  B – магнетон Бора.Это поле (2.1) является результатом обменного взаимодействия s - и d электронов дна зоны проводимости и локализованных 4 f 7 - электронов, образующих 4 f 7 - зону в запрещенной зоне EuO шириной ~ 0,5эВ (Рис. 2.1) [29].Рис. 2.1.Схема энергетических уровней в EuOЗона 4 f   расположена в зазоре 15  и 5d-зоны проводимости  3  и находится в верхней половине запрещенной зоны, что приводит к n-типу проводимости в d-зоне, поэтому 4 f 7 - уровни относят к донорной примеси.

Таким об-35разом, простая кристаллическая структура EuO типа NaCl Oh5  Fm3m  , чистоспиновый момент иона Eu 2 8S7 2  и гейзенберговский характер обменного взаимодействия делают EuO удобным объектом для проверки модельных представлений и теорий. Зависимость ширины запрещенной зоны E g от концентрациикислорода в EuO и SrO хорошо известна [30] при неизменном значении константы обменного d-f -взаимодействия.Рис. 2.2.Гигантский эффект Зеемана изменяет потенциал и уровни энергии. Оптический переход  в магнитной квантовой ямеРеальный потенциальный профиль зоны проводимости и валентной зонынаноструктуры EuO - SrO аппроксимируется потенциалом прямоугольной формы. Это дает хорошее описание картины экситонных состояний и позволяетопределить энергию связи экситона Eex, что важно для наносистем со спинзависимым от H мол   J il Sl  B потенциалом.

Так, при H мол  2,42 Тл расчет даетвеличину Eex  20 мэВ , а магнитная длина сравнивается с радиусом экситона вплоскости и составляет ~ 6 нм. С учетом гигантского спинового расщепленияпорядка 200 мэВ уровни энергии основного и возбужденного состояний и волновые функции  e  z  , где z – направление по нормали к плоскости квантовыхям (КЯ) представлены на Рис. 2.2.36Результаты анализа люминесценции показывают межъямную релаксациюэкситонных электронов [31], возбужденных резонансно и нерезонансно, а направление туннелирования определяется величиной энергии (квазиуровнемФерми F  ) этого перехода (Рис. 2.3).Рис. 2.3.Схема оптического и туннельного переходов экситонных электронов вдвойной КЯ:  Ф – уровень Ферми, Ec1 и Ec 2 – дно зон проводимости EuO иSrO, E v1  E v 2 – уровни потолка валентных зон равны по ХаррисонуПри анализе необходимо дополнительно к этому учитывать процесс спиновой релаксации, за которую отвечают два механизма: дальнодействующееобменное взаимодействие и спин-флип тяжелой дырки h.

При этом характерные времена спиновой релаксации составляют десятки пс [32].Если в качестве наногетеросистемы взять EuO 1, 06 - Sr0,94 O 0, 06 - EuO 1, 06 , тороль КЯ будет уже выполнять Sr0,94O 0, 06 с шириной запрещенной зоныEg 2  1,7 эВ , а функция барьера перейдет к EuO 1, 06 , у которого ширина запре-щенной зоны станет Eg1  2,6 эВ .

На Рис. 2.4 дана соответствующая схема энер-37гетических уровней [33], дополненная переходами экситонных электронов между барьерами и уровнями Ферми 1 и  2 1   2  .Рис. 2.4.Схема энергетических уровней EuO 1, 06 - Sr0,94 O 0, 06 - EuO 1, 06 и переходов экситонных электронов при оптическом возбуждении; 1 и  2 – уровни Ферми;Eg1 и Eg 2 – ширина запрещенных зон; Ec1 и Ec 2 – дно зон проводимости; потолки валентных зон равны Ev1  Ev 2 по теории атомных орбиталей Харрисона(ТАОХ)Для упрощения теоретических расчетов энергетических схем и болееудобного анализа практического использования таких наногетеросистемEuO 1 x - Sr1 x O x - EuO 1 x целесообразно применение схем, указанных на Рис.

2.5.Рис. 2.5.Схема энергетических уровней EuO 1 x - Sr1 x O x - EuO 1 x и переходов экситонных электронов при оптическом возбуждении; 1   2 , Eg1  Eg 2 4 f 7   -зоны, Ec1и Ec 2 – дно зон проводимости, Ev1  Ev 2 – потолок валентных зон, которые примерно равны по ТАОХ38В этом случае (Рис. 2.5) перекрытия 4 f 7   -зон нет (Рис. 2.4), а перекрытия барьеров EuO 1 x зоной проводимости Sr1 x O x способствует переходу экситонных электронов 1   2  и образованию межбарьерных экситонов.

Дырки hв таких переходах не участвуют из-за большой массы.Неравновесное состояние экситонных электронов описывается функциейраспределения f r , k , t . Отклонение от равновесного состояния вызываетсяоптическим возбуждением и туннелированием экситонных электронов в соседнюю яму или барьер. Для неравновесных систем энергия Фермизаменяетсяквазиимпульсом F  . Тогда концентрация электронов задается формулойn  NC eEC  F kT,(2.2)где N C – концентрация электронов в области EC .Прямая рекомбинация учитывается в полупроводнике с малой ширинойзапрещенной зоны. Когда эта ширина больше 0,5 эВ, то рекомбинация проис7ходит через состояния в запрещенной зоне. В нашем случае это 4 f - уровни(типа донорной примеси) с уникально высокой концентрацией поляризованныхэлектронов [32].2.2.

Прямые и межъямные экситоны в наносистемах EuO1-х –SrO- EuO1-хВремя жизни прямых экситонов в двойных квантовых ямах (ДКЯ) многобольше, чем непрямых в одиночных квантовых ямах. В частности, большоевремя жизни непрямых экситонов способствует накоплению экситонов в низкоэнергетических экситонных состояниях и позволяет системе охладиться донизких температур, при которых экситонный газ становится вырожденным приплотностях много меньших плотности Мотта.

Таким образом, ДКЯ представляют возможность исследования низкотемпературной 2D экситонной системы.39Одним из основных свойств в плоскости двойных и полупроводниковыхквантовых ям является существование хаотического потенциала, который вызван шероховатостью интерфейса, примесями и дефектами. Для параметризации величины потенциала можно использовать отношение энергии связи непрямого экситона к ширине линии непрямой люминесценции, EI /∆PL. По соотношению параметров d , lB , EI ,  PL (в нулевом магнитном поле аналогом l l Bявляется боровский радиус непрямого экситона) можно выделить четыре классапространственно разделенных электрон-дырочных систем в ДКЯ [15].В рамках приближения Хартри – Фока построена схема энергетическихуровней экситонных состояний (Рис.

2.6). Установлено, что сдвиг края поглощения в экситонном спектре обусловлен d-f обменным взаимодействием. Расчеты показали аномально высокие значения энергии связи и силы осциллятораэкситонов. Величина обменного интеграла оказалась равной 461см-1 .Рис. 2.6.Образование прямого экситона в нанослоях оксидов европияВремя жизни, энергия связи и сила осциллятора существенно возрастаютв системах пониженной размерности. Поэтому, для изучения экситонов в оксиде европия, для него подобрана соответствующая гетеропара и сконструирована сверхрешетка EuO - SrO.Рассмотрим детально экситонные состояния гетеросистемы EuO - SrO.Особый интерес возникает вследствие того, что в запрещенной зоне оксида ев-40ропия находятся недозаполненные 4f – оболочки.