Автореферат (Спектроскопия экситонов в гетероструктурах с квантовыми ямами в магнитном поле)

Санкт-Петербургский государственный университетНа правах рукописиГригорьев Филипп СергеевичСпектроскопия экситонов в гетероструктурах сквантовыми ямами в магнитном полеСпециальность 01.04.10 — физика полупроводниковАвторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург — 20162Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университетеНаучный руководитель:Игнатьев Иван Владимировичдоктор физико-математических наук,профессор кафедры физики твёрдого тела физического факультета СПбГУОфициальные оппоненты: Монозон Борис Семёновичдоктор физико-математических наук,профессоркафедрыфизикиСанктПетербургского государственного морскоготехнического университета, г.

Санкт-ПетербургПлатонов Алексей Владимировичкандидат физико-математических наук,старший научный сотрудник отделения физикитвёрдого тела Физико-технического институтаим. А.Ф.Иоффе РАН, г. Санкт-ПетербургВедущая организация:Институт Физики Твердого Тела РАН РФ,г. Черноголовка Московской обл.2017 г. вчасов на заседанииЗащита состоитсядиссертационного совета Д 212.232.33 при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д. 1, малый конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им.

М. ГорькогоСанкт-Петербургского государстенного университета по адресу: 199034, СанктПетербург, Университетская наб., д.7/9. Диссертация и автореферат размещенына сайте СПбГУ (www.spbu.ru).Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу:198504, Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д. 2, учёному секретарю диссертационного совета Д 212.232.33 Поляничко А.М.Автореферат разосланУченый секретарьдиссертационного совета Д 212.232.33при Санкт-петербургском государственномуниверситете, к.

ф.-м. н., доц.года.Поляничко А.М.3Общая характеристика работыАктуальность темы.Оптические свойства экситона активно исследуются уже более полувека. Экситон, как водородоподобное связанное состояниеэлектрона и дырки в полупроводниковом кристалле, позволяет в лабораторныхусловиях воссоздать условия недоступные для атома водорода в Земных условиях. Так, благодаря радикально меньшей энергии Ридберга, поведение экситонав магнитном поле имитирует поведение атомарного водорода в сверхвысокихмагнитных полях достижимых, например, в коронарных выбросах звёзд.Тонкий слой полупроводникового кристалла, ограниченный барьерными слоями с большей шириной запрещенной зоны, представляет собой квантовую яму для свободных носителей.

Интенсивное развитие метода молекулярнопучковой эпитаксии, появившегося в конце 1970-х годов, привело к возможностисоздания высококачественных гетероструктур с заранее заданным почти произвольным профилем потенциала для носителей.Существующие на данный момент теоретические модели позволяютадекватно описать поведение экситона в прямоугольной квантовой яме в двухпредельных случаях. Первый относится к широким квантовым ямам в которыхразделение движения центра масс экситона и относительного движения электрона и дырки является хорошим приближением. Второй относится к узкимямам, где экситон описывается аналитическими выражениями модели квазидвумерного экситона.

Исследование промежуточных случаев требует значительныхусилий при построении теории, поскольку волновая функция экситона в ямахпромежуточной ширины не имеет аналитического выражения.Показательный рост вычислительной мощности компьютеров, следующий закономерности, известной как “закон Мура”, позволяет численно решатьзадачи всё возрастающей сложности. Благодаря этому, компьютерные возможности, существующие на сегодняшний день, позволяют численно решить задачу омоделировании экситона в квантовой яме промежуточной ширины с точностью,достаточной для описания экспериментальных данных. В то же время, высокоекачество доступных для исследования гетероструктур делает возможным экспериментальное изучение возбуждённых состояний экситона в квантовой яме.

Вгетероструктурах высокого качества неоднородное уширение экситонных резонансов пренебрежимо мало, что и позволяет наблюдать в спектрах люминесценции и отражения возбуждённые состояния отдельно друг от друга.Развитие техники выращивания гетероструктур и возрастание вычислительной мощности компьютеров послужили главными предпосылками к осуществлению настоящей работы, посвященной исследованию экситонов в квантовых ямах промежуточной ширины.4Цель настоящей работы заключалась в получении принципиально новойинформации о свойствах экситонных состояний в полупроводниковых квантовых ямах промежуточной ширины с варьируемым, в том числе, асимметричнымпрофилем потенциала и изучении их поведения во внешнем магнитном поле.Предметом анализа являются энергетический спектр экситона, величина зеемановского расщепления состояний в магнитном поле, а также сила осциллятораэкситона.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:1.

Экспериментально исследовать энергию экситонных состояний в квантовых ямах и её зависимость от магнитного поля.2. Разработать метод моделирования волновых функций экситонов в ямах промежуточной ширины в магнитном поле с учётом смешивания подзон тяжёлой и лёгкой дырки.3. Численно смоделировать зеемановское расщепление уровней размерногоквантования экситонов в квантовых ямах промежуточной ширины.

Сопоставить результаты моделирования с экспериментальными данными.4. Экспериментально исследовать и смоделировать зависимость силы осциллятора экситонных состояний в квантовых ямах промежуточной шириныот магнитного поля.5. Исследовать зависимость формы контура экситонного резонанса в спектреотражения от формы потенциала квантовой ямы и её положения относительно поверхности гетероструктуры.Основные положения, выносимые на защиту:1. Численное решение трехмерного уравнения Шредингера для экситона вквантовой яме произвольной ширины и с произвольным профилем потенциала позволяет количественно определять основные характеристики экситона, такие как энергии размерно-квантованных состояний, величину светоэкситонного взаимодействия, зеемановское расщепление экситонных уровней в продольном магнитном поле.2.

Численный расчет зеемановского расщепления экситонных уровней в квантовых ямах промежуточной ширины позволяет адекватно описать поведение экситонного спектра таких систем в продольном магнитном поле.53. Расщепление уровней размерно-квантованных экситонов в квантовых ямахпромежуточной ширины в продольном магнитном поле является универсальной функцией волнового вектора. Экспериментально регистрируемыевеличины расщеплений адекватно описываются с помощью численного моделирования, учитывающего смешивание состояний легких и тяжелых экситонов и реальный профиль потенциала квантовой ямы.4. В магнитном поле эволюция силы осциллятора экситона в квантовой ямеописывается параболической зависимостью в области малых полей, переходящей в линейную зависимость с ростом магнитного поля. Форма этойзависимости одинакова для различных состояний размерного квантования.5.

Сопоставление результатов микроскопического моделирования экситонныхсостояний с данными, полученными по спектрам отражения, является чувствительным методом определения реального профиля потенциала исследуемой квантовой ямы.Научная новизна:1. Разработан оригинальный метод численного решения трехмерного уравнения Шрёдингера для моделирования экситонов в полупроводниковой квантовой яме промежуточной ширины с учётом сложной структуры валентнойзоны.

Метод позволяет описывать поведение экситонных состояний в магнитном поле, направленном вдоль оси роста гетероструктуры.2. Впервые экспериментально изучен эффект перенормировки g-фактора экситона и зависимость силы осциллятора экситона от магнитного поля вквантовой яме InGaAs/GaAs промежуточной ширины как для основноготак и для возбуждённых состояний экситона.3. Разработан метод определения профиля потенциала квантовой ямы путеммикроскопического расчета спектра отражения в области экситонных резонансов и сравнения их с экспериментально наблюдаемыми спектрами.Практическая значимость: Работа представляет собой фундаментальное исследование экситонов в квантовых ямах, проведённое с учётом всех важных особенностей исследуемых систем.

Применение, адекватных поставленнымв работе задачам, моделей позволяет эффективно описывать исследуемые процессы с использованием полного спектра вычислительных возможностей, доступных на момент проведения работы. Продемонстрирована эффективностьразработанной численной процедуры для описания экситонов в квантовых ямах6промежуточной ширины в присутствии магнитного поля с учётом сложной валентной зоны в кристалле со структурой цинковой обманки. Сравнение результатов численного моделирования с простыми моделями, пригодными для описания экситонов в узких или в широких квантовых ямах, позволило ограничитьобласти применимости простых моделей.Достоверность результатов обеспечена: согласованием результатов, полученных с помощью аналитической теории, компьютерного моделирования иэкспериментальных методик, а также с данными, имеющимися в литературе; использованием современных алгоритмов компьютерного моделирования и методик численного расчёта; использованием хорошо известных методик проведенияэксперимента.Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:1. P. S. Grigoryev,O. A. Yugov,V. F. Sapega,V. V. Petrov,Y. P. Efimov,Y. K. Dolgikh, S. A. Eliseev, I. V. Ignatiev, «Light-hole-induced change of excitong-factor in quantum well», 21st international symposium ”Nanostructures:physics and technology“, 24–28 June, 2013, St. Petersburg, Russia.2. Ф. С. Григорьев, Ю. П. Ефимов, С. А. Елисеев, И. В.

Игнатьев, В. А. Ловцюс,В. В. Петров, А. В. Трифонов, «Экситоны в совершенных гетероструктурах:эксперимент и теория», XII всероссийская конференция по физике полупроводников "Полупроводники 2015 21–25 сентября, 2015, Ершово, Московская область, Россия.3. P. S. Grigoryev, A.

S. Kurdyubov, Yu. P. Efimov, S. A. Eliseev, V. A. Lovtcus,V. V. Petrov, I. V. Ignatiev, «Microscopic modeling ofexciton spectra inasymmetric quantum wells» V international scientific conference STRANN,April 26–29, 2016, St. Petersburg, Russia.4. P. S. Grigoryev, A. S. Kurdyubov, M. S. Kuznetsova, Yu. P. Efimov, S. A. Eliseev,V. A. Lovtcus, V. V. Petrov, I. V.

Ignatiev, «Exciton resonances in asymmetricquantum well», 24th international symposium ”Nanostructures: physics andtechnology“, June 27 – July 1, 2016, St. Petersburg, Russia.Диссертационная работа была выполнена при поддержке грантов министерства образования и науки РФ (Договор № 11.G34.31.0067), Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ, грант № 15-52-12019 в рамках проекта ICRC TRR-160 и грант № 16-02-00245-a) и Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ, грант № 11.38.213.2014), а также ресурсногоцентра СПбГУ “Нанофотоника” (www.photon.spbu.ru).Личный вклад. Автором работы были получены практически все представленные в работе экспериментальные данные.

Автор принимал активное уча-7стие в создании экспериментальных установок, а также в разработке дизайна,характеризации и отборе исследуемых образцов. Автором лично разработаныпрограммы для численного моделирования структуры экситонных состояний ипроведены соответствующие расчеты. Помимо этого автор обрабатывал представленные экспериментальные данные и участвовал в написании статей длянаучных журналов.Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 7печатных изданиях, 3 из которых изданы в журналах, включённых в системуцитирования Web of Science, 4 — в тезисах докладов.Список публикаций автора по теме диссертации:1. P.