Взаимодействие полупроводников и систем, содержащих наночастицы, с электромагнитным полем

На правах рукописиЕВЛЮХИН Андрей БорисовичВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И СИСТЕМ,СОДЕРЖАЩИХ НАНОЧАСТИЦЫ, С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМПОЛЕМСпециальность 01.04.10 - полупроводникиАвтореферат диссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква 2007Работа выполнена во Владимирском государственном университете на факультете прикладной математики и физикиОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор И.

П. Звягиндоктор физико-математических наук,профессор С. Д. Бенеславскийдоктор физико-математических наук,профессор Ф. С. ДжепаровВедущая организацияМосковский государственный институтрадиотехники, электроники и автоматики (технический университет).Защита состоится 6 марта 2008 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственном университете им.М. В. Ломоносова по адресу: 119991, г.

Москва, ГСП-2, Воробьевы горы, физический факультет, ауд. 2-05 криогенного корпуса.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-2, Воробьевыгоры, д.1, стр.2.Автореферат разослан 23 января 2008 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук,профессор2Г. С. ПлотниковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертация посвящена теоретическому исследованию широкого круга явлений, связанных с физическими процессами в твердых телах и на их поверхности.Актуальность темы.

Современные достижения в информационных технологиях поражают скоростью развития и размахом, с которым они захватывают все новые и новые сферы человеческой деятельности. За последние 10– 15 лет технологии связи и обработки информации превратились в одну изосновных движущих сил научно-технического прогресса и развития человеческого общества.

При этом есть все основания считать, что со временем ихроль будет только возрастать. Такое неординарное положение современныхтехнологий обработки, хранения и передачи информации стало возможнымблагодаря развитию многих областей знаний, в большинстве своем связанныхс физикой и особенно с физикой полупроводников.Физика полупроводников является той фундаментальной базой, на которой, начиная с изобретения полупроводникового транзистора и первых интегральных схем, основывается и развивается вся современная микро- и оптоэлектроника. Необходимость непрерывного прогресса в современных наукоемких технологиях, включая и нанотехнологии, ставит перед фундаментальной и прикладной наукой все более изощренные задачи, решение которых –необходимое условие новых достижений.

При этом физика полупроводников,в ее широком понимании, т.е. включающая в себя не только исследованиесвойств определенного класса существующих веществ, но и создание новыхискусственных систем с полупроводниковыми свойствами, остается в авангарде современных исследований. Ужесточение требований к работоспособности компонентов современных высокотехнологичных устройств приводитк активизации исследовательской деятельности на всех уровнях. При этомособый акцент делается на поиск и создание систем с новыми уникальнымисвойствами или на исследование известных систем в новых ранее недостижимых условиях.В этом отношении особое место занимают узкощелевые полупроводники,т.е.

полупроводники с малой в обычном полупроводниковом масштабе шириной запрещенной зоны. Интерес к подобным физическим системам обусловлен несколькими причинами. Узкощелевые полупроводники являются базовыми элементами многих приборов в современной оптоэлектронной технике.На их основе функционируют детекторы и источники инфракрасного излучения, теплопреобразователи, полупроводниковые лазеры и др. С другой стороны, узкощелевые полупроводники представляют весьма удобные объектыдля исследования физических процессов, происходящих в состоянии, дале3ком от термодинамического равновесия. Это обусловлено в немалой степенитем, что относительная простота энергетического спектра делает возможной адекватную теоретическую интерпретацию их основных свойств в сильно неравновесных условиях.

А малая ширина щели и большая подвижностьносителей заряда дают возможность с помощью легко достижимых в лабораторных условиях внешних воздействий создать в полупроводнике неравновесную электронно-дырочную плазму высокой плотности. Интерес к подобнымявлениям обусловлен тем, что в существенно неравновесных условиях удаетсяполучить недоступную при исследовании равновесной системы информациюоб электрофизических характеристиках материала, механизмах генерации ирекомбинации носителей тока, механизмах рассеяния и т.п.

Кроме того, повышенный интерес к неравновесным процессам в полупроводниках связанс необходимостью получения данных о предельных значениях параметровприборов, функционирующих на их основе, и с возможностью применениявозникающих эффектов.В свете стремительного развития нанотехнологий полупроводниковые системы могут выходить далеко за свои привычные рамки и выступать каксоставные части новых физических систем. Здесь, например, речь идет о возможности использования новых способов подвода энергии на основе фотоновили поверхностных плазмон-поляритонов к полупроводниковым активнымэлементам интегральных схем, т.е. о создании полупроводниково-плазмонныхчипов.В настоящее время практически достигнут предел минимизации полупроводниковых чипов, главным образом за счет того, что размеры традиционных соединений имеют объективные пределы, обусловленные тепловыделением и паразитной емкостью. При этом размеры транзисторов, входящих вчип, могут быть объективно уменьшены до величины, которая на порядокменьше соответствующих соединений.

В связи с этим встает острая проблема поиска замены существующих соединений более эффективными системами. Такими системами могут явиться поверхностные электромагнитныеволны оптического диапазона частот или, другими словами, поверхностныеплазмон-поляритоны (ППП), которые, распространяясь вдоль каналов с наноскопическим сечением, могли бы связывать различные полупроводниковыеактивные элементы в чипе. Такая возможность следует из того факта, чтооптические явления вблизи нанообъектов (в области ближнего поля) определяются не столько длиной волны излучения, сколько характерными размерами этих объектов и конфигурацией их расположения.

Поэтому появляетсявозможность влиять на электромагнитные поля вблизи нанообъектов заданием определенной структуры последних. При этом двумерный характер ПППможет значительно упростить разработку устройств, контролирующих по4токи электромагнитной энергии на малых (по сравнению с длиной волны)пространственных масштабах и управляющие ими. Современный повышенный интерес к поверхностным плазмон-поляритонам обусловлен главным образом двумя причинами.

Во-первых, с изобретением и развитием микроскопии ближнего оптического поля появилась возможность прямого наблюденияППП непосредственно у поверхности, что открыло путь не только к исследованию их свойств, но и к прямому влиянию на процесс их возбуждения. Вовторых, значительный прогресс в нанотехнологиях сделал возможным дляисследователей контролировать процесс распространения и рассеяния ПППна масштабах длин значительно меньших, чем длина их затухания. Однимиз многообещающих подходов к решению этой проблемы является использование поверхностных структур наночастиц. Недавно на этой основе былуспешно реализован ряд микрооптических устройств для ППП, включающихв себя зеркала, делители пучков и интерферометры. Всестороннее развитиемикрооптики, основанной на ППП, возможно только при детальном исследовании процессов рассеяния ППП различными микроструктурами.

При этомнаиболее важными являются два аспекта: это изучение эффективности различных каналов рассеяния, включающих рассеяние ППП в другие ППП ирассеяние ППП в свет, и изучение диаграмм направленности рассеяния ПППразличными микрообъектами. В связи с этим наряду с традиционными полупроводниковыми исследованиями в сфере высоких технологий в настоящее время существует большой интерес к изучению свойств поверхностныхплазмон-поляритонов в наноструктурированных системах, что находит своеотражение в многочисленных публикациях на эту тему в научных изданиях.Однако для реализации идей по созданию надежных устройств, управляющих потоками электромагнитной энергии на микро- и наноуровнях, необходимо выполнить большой объем фундаментальных исследований. При этом,учитывая, что эксперимент на наноуровне является довольно дорогостоящими трудоемким, на первое место выходят теоретические исследования, численное моделирование и компьютерный эксперимент.Цель диссертационной работы – теоретическое исследование широкого круга явлений, связанных с рекомбинационными и транспортными процессами в узкощелевых полупроводниках, с процессами взаимодействия наноструктурированных систем с оптическим излучением в области ближнегополя и с процессами распространения и рассеяния поверхностных плазмонполяритонов в системах с металлическими или полупроводниковыми наночастицами.