Автореферат (Динамика спиновой когерентности в полупроводниковых наноструктурах), страница 2

Диссертация включает в себя Введение, 5глав и Заключение, изложенные на 178 страницах, список литературы из 131наименований, 49 рисунков и 1 таблицу.8Краткое содержание работы.Вовведенииобоснованаактуальностьтемыисследований,сформулированы цель и научная новизна работы, перечислены основныеположения, выносимые на защиту, а также приведено краткое содержаниедиссертации.Перваяглавапредставляетсобойобзорстатей,посвященныхтеоретическому и экспериментальному исследованию тонкой структуры испиновой динамики электронов и дырок в полупроводниковых наноструктурах соструктурой цинковой обманки. Описаны способы формирования тонкойструктурыэлектрон-дырочнойпарыподвлияниемпространственныхограничений, обменного взаимодействия и внешних полей.

Описаны основныеметоды изучения тонкой структуры и спиновой динамики экситонов, трионов иносителей в полупроводниках. Основное внимание сконцентрировано наполяризационных оптических методах. Они основаны на том, что переходам всостояния с определенной ориентацией спинов соответствует определеннаяполяризация излучения. Показаны преимущества метода квантовых биений дляэкспериментального определения параметров тонкой структуры, поскольку этотметод позволяет определить величины расщеплений на фонесильногонеоднородного уширения линий. Рассмотрены также преимущества методаквантовых биений в сигнале фарадеевского вращения и эллиптичности дляисследования долгоживущей спиновой динамики резидентных носителей.Во второй главе приведены характеристики гетероструктур с квантовымиямами InGaAs/GaAs, GaAs/AlGaAs и с самоорганизованными квантовымиточками InP/InGaP, InAs/GaAs, исследованных в данной работе, и описаныосновные экспериментальные и теоретические методы, использованные дляизучения спиновой динамики в реальном времени.Основнымиэкспериментальнымиметодамиисследованийявлялись:изучение спектров и кинетики поляризованной фотолюминесценции квантовыхточек при квазирезонансном возбуждении и изучение фотоиндуцированного9магнито-оптического эффекта Фарадея (Керра) в импульсных экспериментах«накачка-зондирование».Фотолюминесценция возбуждалась перестраиваемым излучением титансапфирового лазера.

Для регистрации люминесценции в режиме реальноговремени использовалась стрик-камера. Для измерения сигналов фарадеевскоговращения и эллиптичности использовался титан-сапфировый лазер с импульсамидлительности 1.8 пс с частотой 78 МГц, который настраивался в резонанс сэкситонным или трионным оптическими переходами. Накачивающий пучок былциркулярноилилинейнополяризованспомощьюупруго-оптическогомодулятора. Пробный пучок был линейно поляризован. Для исследования сигналарезонансного спинового усиления фиксировалась задержка между накачивающими зондирующим импульсами, и измерялся сигнал вращения или эллиптичности взависимости от величины магнитного поля. Исследования проводились вовнешнем магнитном поле, как в геометрии Фарадея, так и в геометрии Фохта.Часть экспериментов проводилась при приложении к образцам электрическогополя параллельно оси роста структуры.

Для приложения поля на внешнююповерхность образца бы нанесен полупрозрачный электрод. Для исследованияспектровстационарнойлюминесценциииспользовалсяспектрометрсрегистрацией излучения с помощью CCD камеры. Все экспериментальныеустановки управлялись компьютерами со специализированным программнымобеспечением.Также во второй главе приведено теоретическое описание динамическихпроцессоввмоделированиеисследования.спиновыхансамбляхиспользованныхОписанрасчетвпозволившеепровестиэкспериментальныхметодов[A1,A15,A21],работесоответствующегоматричногоэлементаэкситонного оптического перехода для моделирования квантовых биений всигнале фотолюминесценции. Приведено теоретическое описание формированиясигнала фарадеевского вращения и эллиптичности на примере действия короткогополяризованного импульса света на заряженные квантовые точки.

Длятеоретическогорасчетаиспользовалсяполуклассическийподход:10распространениеэлектромагнитногоизлученияописывалосьуравнениямиМаксвелла, а поляризация, возникающая в среде под действием света,рассматривалась квантово-механически. Приведен расчет временной эволюцииматрицы плотности спиновой системы, основное состояние которой формируетсяспином резидентного носителя, а возбужденное - спином триона. Изменениядиагональных элементов матрицы плотности в момент действия пучка накачки ипослеегопрохожденияопределяюттрансформациюэкспериментальноизмеряемых поляризационных характеристик пробного пучка.В третьей главе представлены результаты исследования, направленного наопределение энергетических параметров тонкой структуры электрон-дырочнойпары в квантовых точках InP и InAs [A1-A5,A11,A15,A16] а также результатысистематического исследования электронного g-фактора в квантовых ямахGaAs/AlGaAs [A12].

Приводятся результаты экспериментальных исследованийкинетики поляризованной фотолюминесценции и фарадеевского вращения.Основной особенностью изучаемой кинетики является наличие квантовыхбиений. В разделе 3.1 представлены зависимости основных характеристикквантовых биений в квантовых точках от поляризации возбуждающего ирегистрируемого излучений, а так же от величины и направления магнитногополя.

Установлено, что в эксперименте наблюдается два типа биений. Биенияпервого типа, наблюдаемые в продольном магнитном поле, обусловленыинтерференцией Зеемановских компонент светлого дублета экситона. Эти биения,типичные для квазидвумерных структур имеют малую амплитуду и быстрозатухают. Биения второго типа, наблюдаемые в наклонных магнитных полях,обусловлены интерференцией светлых и темных Зеемановских компонентэкситона.

На рисунке 1 показаны биения второго типа, экспериментальнонаблюдавшиесявфотолюминесценцииквантовыхточекInP.Кинетикафотолюминесценции измерена в разных поляризациях, указанных рядом с каждойкривой. Символы σ+ и σ- обозначают правую и левую циркулярные поляризации,при этом первый символ соответствует поляризации возбуждения, а второй –поляризации фотолюминесценции. Анализ показывает, что наклонное поле11смешивает попарно состояния |+1> с |+2> и |-1> с |-2>. При этом биения всигналах фотолюминесценции и циркулярного дихроизма будут наблюдатьсятолько на частотах:1 2  B g e,|| B cos    0 2   B g e, B sin  2 /  , B g e,|| B cos    0 2   B g e, B sin  2 /  .(1)Здесь δ0 – энергия изотропного обмена между состояниями |±1 и |±2,  B магнетон Бора, g e,|| и g e,  - продольная и поперечная компоненты электронногоg-фактора, B величина магнитного поля,  - угол между осью роста структуры инаправлением магнитного поля.Из рисунка 1 видно, что эти частоты в магнитном поле В = 3 Тл достаточноблизки в точной геометрии Фохта (θ =90о) и расходятся при увеличении иуменьшении угла, как показано на вставке к рис.

1. При этом биения с меньшейчастотой наблюдаются в одной ко-поляризации (σ+σ+) при угле θ <90о и в другойко-поляризации (σ-σ-) при угле θ >90о. Амплитуда биений сильно зависит от угланаклона, θ, магнитного поля относительно оси роста структуры, так что биенияпрактически не видны при θ < 20о.h (мэВ)Интенсивность ФЛ (усл.ед.)- -- -0.40.3+ +0.26080100120 (град.)140Рис. 1. Кинетика фотолюминесценции квантовых точек InP.В=3 Тл, θ=115о, ΔEStokes=45 мэВ,Ubias=-0.75 V.

На вставке –угловыебиений:зависимостиквадратыэксперименталь-ныетеоретического30–данные,сплошные линии – результат+ +0частот60t (пс)90120расчетаспараметрами: g e,|| = g e,  = 1.5,δ0.=0.141 мэВ.12В качестве иллюстрации того, что предложенная теория хорошо описываетэкспериментальные данные, на рис. 2 показано отношение амплитуд биенийразных ветвей, показанных на рис. 1, в зависимости от угла наклона в поле 3 T.Сплошная линия – теоретическая кривая, полученная без всякой дополнительнойподгонки с подстановкой, уже известных из анализа частот биений, электронногоg-фактора и изотропного обменного взаимодействия.Таким образом, теоретический анализ позволил установить тонкую структуруэкситонных состояний в исследуемых структурах с квантовыми точками InP иInAs, определить значения продольных и поперечных компонент электронного идырочного g-фактора, а также получить оценку средних величин обменногоIbeats+(0)/Ibeats -(0)взаимодействия.3.5Рис.

2 Отношение амплитуд биений3.0разных ветвей, показанных на рис.1, в2.5зависимости2.0Квадраты1.5данные,1.0теоретический расчет.от–угланаклона.экспериментальныесплошнаялиния–0.50.06090120150 (град.)В разделе 3.2 главы 3 представлены экспериментальные результаты длянестационарного керровского вращения, анализ которых позволил с высокойточностью определить продольную и поперечную компоненты электронного gфактора для квантовых ям GaAs/AlxGa1−xAs разной ширины [A12]. Результатыэкспериментальных исследований и теоретического расчета представлены вдиссертации в виде зависимости компонент g-фактора от энергии оптическогоперехода e1-hh1 в квантовых ямах, что является удобным для последующегоиспользования этих данных как справочного материала.13Наибольшееколичестводанныхбылополученодляпоперечнойкомпоненты электронного g-фактора, ge,.

На рисунке 3 показаны величины ge,, вквантовых ямах GaAs/AlGaAs, полученные для различных квантовых ям взависимости от энергии экситонного оптического перехода. Видно, что есть дватипа зависимостей g-фактора от энергии. Во-первых, наблюдается монотонныйрост g-фактора, который обусловлен зависимостью расщепления нижайшего поэнергии уровня в квантовой яме от толщины квантовой ямы. Во-вторых, имеютсязначения g-фактора, практически не зависящие от энергии. Для буферного слояGaAs g=-0.44, и для квантовой ямы толщиной 13 нм g=-0.33.Этот эффектобусловлен вкладом прецессии спинов на дне зоны проводимости.

Также на рис. 3показаны результаты расчета, проведенного для концентрации Al в барьере x=0.3и 0.35 в зависимости от энергии перехода e1-hh1 без учета энергии связи.0.2x = 0.350.30#1#20.1#3gвозбуждения.показаны#40.0Рис. 3. Зависимость ge, от энергииданные.#5Символа-миэксперименталь-ныеЗнаквыбрансогла-сованно с известным значением-0.1g(GaAs)=−0.44.-0.2пунктирной-0.3КЯ 13 нмобъемный GaAs-0.51.52Сравнение с1.561.60Энергия (эВ)модельным расчетомлиниямиипоказанырасчеты для концентрации Al0.35,соответственно.Горизонтальныепунктирныеx=0.3-0.4Сплошнойилинии проведены для удобства. T=1.6 K.показываетсогласиетеориииэксперимента и подтверждает, с некоторыми ограничениями, существованиеуниверсальной зависимости электронного g-фактора от энергии перехода вGaAs/AlxGa1−xAs квантовых ямах.14Вчетвертойглавеприведенырезультатытеоретическихиэкспериментальных исследований квантовых биений в сигнале фарадеевскоговращения от слаболегированных квантовых ям и однократно заряженныхквантовых точек [A8,A18,A22,A26].

Описаны процессы генерации долгоживущейспиновой когерентности при резонансном возбуждении триона импульсомполяризованного света и создание спиновой поляризации за время жизни триона.Для описания спиновой ориентации циркулярно поляризованными световымиимпульсами существуют два подхода: классический и квантово-механический.Квантово-механическийподходприменяетсядляописанияоднократнозаряженных квантовых точек и квантовых ям с локализованными резидентнымиэлектронами, которые моделируются как двухуровневые системы. Другой подходдляописанияпроцессасозданияспиновойкогерентностиоснованнаклассической модели, в которой рассматривается ансамбль электронных спинов.Квантово-механический и классический подходы дают одинаковые результатыпри малой мощности накачки [A26].