Взаимодействие полупроводников и систем, содержащих наночастицы, с электромагнитным полем, страница 2

Таким образом, диссертация включает рассмотрение следующихзадач:1. Выяснение механизмов оже-рекомбинации и ударной ионизации в уз5кощелевых полупроводниках с кейновским спектром носителей заряда приусловии сильного вырождения дырок.2. Построение модели межзонного и примесного пробоя в полупроводникахс зоной делокализованных примесных состояний внутри запрещенной зоны.3. Развитие теоретических моделей процессов формирования ближнего оптического поля при взаимодействии внешних электромагнитных полей с системами, содержащими наночастицы с диэлектрическими, полупроводниковыми и металлическими свойствами.4.

Построение теории процесса рассеяния поверхностных плазмон-поляритонов наночастицами, расположенными в непосредственной близости от поверхности, по которой распространяются ППП.5. Исследование взаимодействия ППП с цепочками наночастиц различнойконфигурации.Научная новизна работы определяется впервые полученными в процессевыполнения исследований результатами и состоит в следующем:1. В рамках трехзонной кейновской модели энергетических зон полупроводника получены вероятности оже-рекомбинации в узкощелевых полупроводниках при условии сильного вырождения дырок.

Расчет рекомбинациивыполнен как для случая, когда электрон рекомбинирует с тяжелой дыркой,а высвобождаемая энергия передается другой дырке в зоне тяжелых дырок,так и для случая, когда высвобождаемая энергия при рекомбинации электрона с тяжелой дыркой передается другому электрону в зоне проводимости.2. Для узкощелевых полупроводников с кейновским спектром энергетических зон рассмотрен процесс ударной ионизации состояний в валентной зонетяжелых дырок электронами из зоны проводимости при условии сильноговырождения дырок. Получены зависимости вероятности ударной ионизацииот положения уровня Ферми в валентной зоне.3. Рассчитаны вольт-амперные характеристики узкощелевых полупроводников с примесной зоной делокализованных состояний, отделенной от разрешенных зон кристалла полосами запрещенных состояний.4. Выполнено моделирование электромагнитных полей оптического диапазона частот в ближней волновой зоне в системах с полупроводниковымии диэлектрическими нанообъектами, локализованными как на поверхностимассивных образцов, так и под поверхностью.

Установлена связь распределения электрического поля в системе с диэлектрическими параметрами.5. Получено представление в прямом пространстве электростатическоготензора Грина для системы, состоящей из слоя, заключенного между двумяполупространствами с различными диэлектрическими свойствами. На основеданного тензора Грина выполнен анализ распределения ближнего оптическо6го поля в системе со структурой металлических наночастиц, расположеннойвнутри диэлектрического слоя.

Установлены особенности резонансного оптического отклика структур наночастиц, вносимые слоистым окружением.6. Методом тензорной функции Грина построена теория рассеяния поверхностных плазмон-поляритонов наночастицей. Теория позволяет по известному электрическому полю в частице рассчитать как дифференциальные, таки полные сечения рассеяния поверхностных плазмон-поляритонов в волны,распространяющиеся от поверхности в дальнюю волновую зону, или в поверхностные плазмон-поляритоны, распространяющиеся в определенном направлении.7. Рассмотрено дипольное приближение в задачах рассеяния ППП наночастицей.

Получены аналитические выражения для дифференциальных и полных сечений рассеяния ППП сферической наночастицей, установлены границы их применимости, продемонстрирована роль поглощения энергии ППП.Развитый подход расширен на случай эллипсовидных наночастиц и рассеяния ППП сферической частицей с учетом магнитно-дипольного вклада.8. Выполнено численное моделирование взаимодействия ППП с цепочками наночастиц различной конфигурации, что позволило проанализироватьособенности поведения ППП в системе в зависимости от конфигурационныххарактеристик цепочек.9. Продемонстрирована возможность направленного распространения поверхностных плазмон-поляритонов вдоль прямолинейных и изогнутых цепочек наночастиц, расположенных на плоской поверхности с ППП.Практическая значимость полученных в диссертации результатов определяется следующим:- полученные результаты по рекомбинации и ударной ионизации в узкощелевых полупроводниках позволяют расширить представления об их поведении в условиях, далеких от термодинамического равновесия, и выработатьпредельные режимы работы электронных приборов и оптических устройств(например детекторов и источников инфракрасного излучения), функционирующих на их основе;- построенная теоретическая модель межзонного пробоя в полупроводниках с примесной зоной позволяет глубже понять роль примесных состояний взапрещенной зоне полупроводников в формировании участков с отрицательной дифференциальной проводимостью на вольт-амперных характеристикахи установить условия возникновения таких участков;- изучение свойств ближних оптических полей позволяет выработать оптимальные режимы получения изображений наноскопических объектов различной природы (таких как полупроводниковые гетероструктуры, диэлектриче7ские и металлические наночастицы и кластеры наночастиц, биологическиеклетки и молекулы) сканирующим в ближнем поле оптическим микроскопом(СБОМ), а также провести адекватную интерпретацию полученных в СБОМизображений и тем самым расширить возможности микроскопии ближнегополя;- полученные результаты по распределению ближнего оптического поля вструктурах наночастиц в условиях их резонансного отклика могут быть использованы для разработки устройств для сверхплотной записи и храненияинформации, а также для получения надежных способов управления распределением электромагнитной энергии на наноскопических масштабах длин;- полученные результаты по рассеянию поверхностных плазмон-поляритонов наночастицами позволяют выяснить влияние на процесс рассеяния диэлектрических и геометрических параметров наночастиц и разработать микрооптические устройства (делители пучков, зеркала, линзы, интерферометрыи т.п.) с оптимальными характеристиками для управления распространениемэлектромагнитных волн в виде поверхностных плазмон-поляритонов;- установленная связь вероятностей различных каналов рассеяния ППП сосвойствами рассеивателя позволяет разработать методы плазмон-поляритонной микроскопии, которая имеет субволновое разрешение, для исследованиясвойств биообъектов;- возможность распространения ППП вдоль цепочек наночастиц и особенности фокусировки ППП изогнутыми цепочками наночастиц могут быть использованы для разработки устройств подвода и увеличения плотности электромагнитной энергии в областях с размерами меньшими, чем длина волныиспользуемого излучения, что может позволить управлять процессами взаимодействия излучения с веществом на наноуровне, включая возбуждениенелинейных эффектов, таких как генерация высших гармоник и гигантскоекомбинационное рассеяние.Основные положения, выносимые на защиту1.

Результаты теоретического исследования рекомбинационных процессовв узкощелевых полупроводниках с кейновским спектром энергетических зонпри условии сильного вырождения дырок, включающих вероятности и темпыоже-рекомбинации, время жизни неравновесных электронов, определяемоеоже-процессами.2. Расчет вероятности электронной ударной ионизации в узкощелевом полупроводнике с сильно вырожденными дырками в условии низких температур, когда минимальная (пороговая) энергия электрона, способного производить ударную ионизацию, соответствует энергии электрона, ионизующегосостояние на уровне Ферми в зоне тяжелых дырок.83.

Теоретическая модель межзонного и примесного пробоя в электрическомполе в полупроводниках с примесной зоной делокализованных состояний, отделенных от разрешенных зон кристалла полосами запрещенных состояний.4. Теоретическая модель ближних электрических полей над поверхностьюдиэлектрического массивного образца с полупроводниковыми нанообъектами, локализованными как на поверхности образца, так и в его объеме, привзаимодействии данной системы с внешней световой волной.5. Теоретическая модель ближних оптических полей, полученная на основеметода тензора Грина, для систем со структурами наночастиц, скрытымивнутри диэлектрического слоя.6.

Теория процессов рассеяния ППП нанообъектом произвольной формы.Интегральные выражения для напряженностей электрического и магнитногополей рассеянных волн, которые позволяют для различных каналов рассеяния по известному распределению электрического поля внутри рассеивателярассчитать дифференциальные и полные сечения рассеяния ППП. Дипольноеприближение (включая и магнитно-дипольный вклад) для задач рассеянияППП малыми сферическими частицами, границы его применимости.7.

Дипольное приближение для задач рассеяния ППП малыми эллипсовидными частицами, сравнительный анализ эффективности различных каналоврассеяния в зависимости от формы частиц.8. Результаты моделирования процессов взаимодействия ППП с цепочками наночастиц различной конфигурации: деление гауссова пучка ППП прямолинейной цепочкой наночастиц; возбуждение и фокусировка поверхностных плазмон-поляритонов изогнутыми цепочками наночастиц при рассеяниивнешнего пучка лазерного излучения; возбуждение и распространение ПППвдоль цепочек наночастиц конечной длины.Наиболее важные результаты получены в рамках исследовательских проектов:1.