Диссертация (Оптоэлектронные свойства бирефрактивных кристаллов A2B5 и приборов на их основе), страница 5

С ростом температуры частоты верхней и нижней ветви поляритонов смещаются всторону меньших энергии.Из спектров отражения методом Крамерса — Кронига рассчитана спектральная характеристика мнимой 2 () и действительной 1 () частей комплекснойдиэлектрической постоянной для различных температур кристаллов 2 . Сповышением температуры спектральная характеристика мнимой части 2 ()диэлектрической постоянной в области «бутылочного горла» синглетного экситона Γ−2 () уменьшается по амплитуде (рис.1.8(А)). При 10 К минимальноезначение 2 () равно 2 на частоте и максимальное значение равно 23 на частоте . При температуре 230 К амплитуда 2 () изменяется в пределах 4 · · · 5единиц.

В этих же пределах изменяется величина действительной части 1 ()комплексной диэлектрической постоянной в интервале температур 10 ÷ 230 К(рис.1.8(В)). Энергетическое положение , и фактора затухания вэтом интервале температур изменяются как показано на (рис.1.9).Параметр затухания характеризует рассеяние механической энергии экситонных поляритонов на фононах, дефектах кристаллической структуры, или наповерхностных состояниях. С увеличением температуры кристалла параметр26Рисунок 1.9: А — Энергетическое положение , температурах, В — температурная зависимость массы дыроки фактора затухания*1 ,при различныхфактора затуханияи параметраΔ .затухания плавно изменяется.

При некоторой температуре температурныйградиент значительно изменяется, что указывает на уменьшение светоэкситонного взаимодействия . Во многих кристаллах это подтверждается потерейпрозрачности на = 1 экситонных состояний [23]. Площадь под кривой приэтом становится пропорциональной силе осциллятора экситонного перехода и независят от температуры образца. В наших экспериментах параметр затухания испытывает изменения при температурах 70 · · · 80 К (рис.1.9 (В)).

В интервале температур 70 · · · 10 К с уменьшением температуры параметр затуханияуменьшается с большим градиентом, чем в интервале температур 70 · · · 230 К.Полагаем, что это связано с качеством кристаллов (толщиной ≈ 0.7 мкм) полученных из газовой фазы и качеством сколотых кристаллов.С температурой изменяется как энергетические положения и , таки величины коэффициентов отражения.

Расчеты контуров спектров отражения экситонов позволили оценить величину трансляционной массы экситона равной 1.15 · 0 (0 — масса свободного электрона). Исходя из условия, что = * + * и1=1*+1*(* и * эффективные массы электронов и ды-рок, — приведенная эффективная масса), оценены величины эффективныхмасс электронов * = 0.10 · 0 и дырок *1 = 0.89 · 0 . Считая эффективнуюмассу электронов слабо зависящей от температуры, проведена оценка эффективной массы дырок *1 при различных температурах (рис.1.10). Массы дырок27*1 при увеличении температуры от 10 К до 230 К изменяется от 1.03 · 0 до0.55 · 0 (рис.1.10(В)).Следует отметить, что на контур спектров отражения и на величину коэффициента оказывает влияние величина трансляционной эффективной массыэкситонов .

При большей эффективной массе наблюдается большее значение разности коэффициента отражения − . Максимальная величинакоэффициента отражения наблюдается при частотах соответствующих экситона, а — коэффициент отражения в длинноволновой области. Длинноволновая область определяется величиной фоновой диэлектрической постоянной . Для оценки изменения силы осциллятора с ростом температуры введенпараметр Δ = Φ · Δ, где Φ — константа пропорциональности, а Δ разностьвеличин максимального и минимального коэффициента отражения.

Наиболееточные значения Φ, Δ = − и Δ экситонов Γ−2 () определены принизких температурах (10 К). Величина силы осциллятора при разных температурах оценивалась по величине Δ , определенной по разности − (рис.1.8(В)), с учетом разности − .В поляризации ⊥ в спектрах поглощения кристаллов 2 толщиной 17 мкм в области основного состояния экситонов = 1 обнаруживаютсямаксимумы при энергии 1.0415 эВ и 0 — 1.0426 эВ (рис.1.10(А)).

Для сравнения на этом же рисунке представлены спектры отражения кристаллов 2в поляризации ‖ и спектры поглощения полученные из расчетов спектров отражения методом Крамерса — Кронига. Из сравнения спектров видно,что длинноволновые максимумы , * и , в пределах погрешности эксперимента, совпадают по энергии. В области возбужденных состояний экситоновв спектрах пропускания также наблюдается дублетный максимум при энергии1.0519 эВ и 1.0523 эВ и максимум при 1.0538 эВ.

В области основного состоянияэкситонов на кристаллах больших толщин 408 мкм обнаруживается максимумв виде более широкой полосы с полушириной ∼ 5 мэВ.Как отмечалось ранее (рис.1.3 и 1.4) в спектрах пропускания кристалловмалых толщин 0.45 ÷ 1.7 мкм в обеих поляризациях обнаруживается интерференционные полосы. На рис.1.10(В) сопоставлены спектры интерференции28, и2Рисунок 1.10: A — Спектры отраженияспектров пропускания кристалловкристаллов толщиной0.7поглощения (*— из расчетов Крамерса — Кронига и 17 мкм при 10 К), В — спектры пропускания кристаллов толщиной 328 мкм при 10 К.изтолщиноймкм и поглощенияпропускания кристаллов малых толщин и поглощения кристаллов толщиной 328 мкм.

Из спектров видно, что максимумы поглощения в поляризации ‖ и ⊥ соответствуют энергиям при которых происходит изменениеинтенсивности интерференционных полос. На спектры интерференции сказывается анизотропия краевого поглощения.Минимум в спектрах пропускания (максимум поглощения) основного состо−яния ортоэкситона 2Γ−1 () + Γ2 () отстоит от максимума основного состоянияпоперечного синглетного экситона ( ) симметрии Γ−2 () на энергетическое расстояние 1.0 ± 0.2 мэВ. Максимум (1.0415 эВ) обусловленный основным состоянием ( = 1) ортоэкситона так же как и в 2 , отщеплен от дипольно— активного состояния синглетного экситона Γ−2 () под действием обменноговзаимодействия, снимающего вырождения между синглетными и триплетными состояниями экситона.

Эти особенности связаны одной парой зон 1 − 1 .Минимум спектров пропускания 0 (1.0426 эВ) также связан с ортоэкситонами−симметрии 2Γ−1 ()+Γ2 () и обусловлены парой зон 2 −1 . Это подтверждаетсятем фактом, что анизотропия спектров отражения и поглощения наблюдаетсякак при 300 К, так и при 10 К. Ниже будет показано, что полосы 0 (1.0426 эВ)и (1.0415 эВ) имеют различные коэффициенты температурного смещения.5Таким образом, в кристаллах 2 симметрии 2ℎнаблюдается водоро-доподобный разрешенный в поляризации ‖ синглетный электрически —дипольный экситон симметрии Γ−2 () [23]. Полосы (минимум) в спектрах про-292 при 300 К в поляризации ‖ и ⊥ для54 мкм — кривая 3, 4 и толщиной 9.5 мкм —Δспектры пропусканияΔ кристаллов толщиной 78 мкм.Рисунок 1.11: А — Спектры пропускания кристалловобразцов толщинойкривая5),78мкм — кривые1, 2,толщинойВ — модулированные по длине волныпускания (0 поперечная частота экситона Γ−2 ()) и 0 поперечная частота−обусловленная состояниями ортоэкситона симметрии 2Γ−2 () + Γ1 ().

Эти со-стояния являются запрещенными в электрически квадрупольном приближении.Постоянная Ридберга для данных полос равна 12.5 мэВ из расчетов по положениям линий = 1 и 2 и равна 12.9 мэВ из расчетов по положениям линий = 2и 3. Эти значения не сильно отличаются от данных полученных для синглетнойэкситонной серии симметрии Γ−2 (). В диарсениде цинка экситонные постоян−−ные Ридберга, положение предела сходимости экситонов 2Γ−2 ()+Γ1 () и Γ2 ()−практически совпадают. Это позволяет полагать, что экситоны 2Γ−2 () и Γ2 ()образованы из волновых функции одной и той же пары электронных 1 и 1 зон(в спектрах поглощения — ). Особенность 0 связана ортоэкситонами Γ−1 ()обусловлена парой зон 2 − 1 .В спектрах пропускания кристаллов 2 в поляризации ‖(рис.1.11(А)) в длинноволновой области обнаруживаются два минимума пропускания 3 при энергиях 0.9339 эВ и при энергии 0.958 эВ.

Минимум пропускания 3 имеют разную интенсивность в различных образцах и по — видимому обусловлен переходами на примесный уровень вблизи зоны проводимостис энергией активации 24.1 мэВ. Максимум (0.9580 эВ) обусловлен прямыми30Рисунок 1.12: А — Модулированные по длине волны спектры пропускания кристаллов 2 толщиной17 мкм в поляризации ⊥ , В — температурные зависимости , 0 и полуширины полосы пропусканияΔ , С — температурная зависимость интегрального поглощения основного состояния = 1 экситонов−Γ−2 () и экситонов Γ2 ().разрешенными переходами в центре зоны Бриллюэна из валентной зоны 1 взону проводимости 1 .

В кристаллах 2 при низких температурах край поглощения формируется прямыми переходами в экситонные состояния [11,12,25].Энергия связи экситонов равна 12.3 мэВ и следовательно при комнатной температуре экситонные состояния диссоциированы. В поляризации ⊥ в спектрах пропускания наблюдается более слабое поглощение в области переходов (рис.1.11). При этом четко выделяются максимумы при 0.9649 эВ и при 1.0304 эВ. Эти максимумы обусловлены прямыми разрешенными в этойполяризации переходами из валентных зон 2 и 3 в зону проводимости 1 .В модулированных по длине волны спектрах пропусканияΔΔкристаллов тол-щиной 78 мкм (рис.1.12(В)) выделяется полоса 0.9608 эВ в поляризации ‖ идублетная полоса в поляризации ⊥ при энергиях 0.9606 и 0.9719 эВ.

В абелевой группе (кристаллический класс симметрии 2ℎ ) для состояний ортоэкситона в отсутствии внешнего магнитного поля остается случайное спиновоевырождение. В поляризации ‖ (в) спектроскопически может проявитьсятолько состояние ортоэкситона симметрии 2Γ−1 (), а в поляризации ‖ (а)проявляется состояние Γ−2 () [23]. Эта анизотропия является следствием пространственной дисперсии =1 ( ⊥ ) ортоэкситонного состояния.Контуры спектров пропускания модулированных по длине волны ( ΔΔ кристаллов 2 толщиной 17 мкм в поляризации ⊥ , смещаются в длин-31Таблица 1.1: Параметры экситонных поляритонов полученных из расчетов спектров пропусканияΔΔ ) кристаллов 2 толщиной 17 мкм (колонка Area*) в поляризациии спектров поглощения полученных из расчетов по формуле Крамерса — Кронига (колонка Area**).модулированных по длине волны (⊥,K0 ,эВ ,эВΔ ,мэВΔ ,мэВ−1Area*, эВ·см,−1Area**, эВ·смExc.Γ2 ()Exc.Γ2 (),Масса1 , 0101.04341.04270.72.31.440.1041.03201.041201.04130.72.61.400.1541.98321.03901.03820.72.74.730.1170.89431.03551.03470.84.76.160.1060.84801.03041.02832.15.37.370.0570.741001.02341.02043.06.27.870.0650.601501.01361.00904.68.28.80.1510.552301.0031.9997.510.39.930.5новолновую область с повышением температуры (рис.1.12(А)).