Автореферат (1149173), страница 3
Текст из файла (страница 3)
При этом измерялось фотомодулированное отражение, т.е. разница коэффициента отражения при наличии накачкии при ее отсутствии. В зависимости сигнала накачка-зондирование от временной задержки между импульсами можно выделить быструю и медленную комIpp (отн. ед.)112104Тем 8 12ператур16 20а(K) 24−200206040100пс)а(ржкеЗад80Рис. 2 — Сигнал накачка-зондирование ( ) для нижайшего экситонногосостояния, измеренный при различных температурах образца. = 100 мкВт.поненты (см.
рисунок 2). Быстрая компонента связана с наличием и затуханием поляризации, созданной лучом накачки. Время спада быстрой компонентыпрактически совпадает с радиационным временем жизни экситонов, полученным из анализа спектров отражения. Медленная компонента сигнала накачказондирование обусловлена наличием резервуара неизлучающих экситонов.
Нарисунке 2 показан сигнал накачка-зондирование для нижайшего экситонногосостояния, измеренный при различных температурах. Следует обратить внимание на наличие сигнала при отрицательных задержках, который говорит отом, что время жизни неизлучающих экситонов превышает период следованияимпульсов (12.5 нс). Из анализа зависимости величины сигнала при отрицательных задержках и скачка медленной компоненты после прихода импульсанакачки можно сделать вывод о том, что время жизни неизлучающих экситоновуменьшается при увеличении температуры образца, а их населенность ведет себя немонотонным образом. При увеличении температуры образца до ≈ 15 Kувеличивается эффективность выброса экситонов за пределы светового конуса,что увеличивает населенность резервуара.
При дальнейшем увеличении температуры включаются процессы диссоциации экситонов и выброса носителей изквантовой, что приводит к уменьшению времени жизни экситонов в резервуареи уменьшению его населенности. Дополнительное уширение экситонных линийв спектрах ФЛ при изменении температуры образца ведет себя аналогично величине сигнала накачка-зондирование при отрицательных задержках, которыйпропорционален населенности резервуара неизлучающих экситонов. Это позволяет связать дополнительное уширение с экситон-экситонным рассеянием. В12пользу этой гипотезы также выступают данные зависимости спектральных ширин линий ФЛ от мощности накачки, которая имеет сублинейный характер.Строгое теоретическое рассмотрение экситон-экситонного столкновительногоуширения, найденное в литературе, предсказывает аналогичное поведение.В четвертой главе представлены оригинальные экспериментальные результаты исследования квантовых биений квантово-размерных экситонных состояний в квантовой яме. При когерентном резонансном оптическом возбуждении нескольких экситонных состояний в квантовой яме в оптическом отклике,исследованном методами спектроскопии накачка-зондирование, наблюдаютсяосцилляции, связанные с квантовой интерференцией размерно-квантованныхэкситонных состояний.
На рисунке 3 показана спектрально разрешенная кинетика сигнала накачка-зондирование при когерентном возбуждении, центрированном на четвертое экситонное состояние 4. Рисунок демонстрирует нетривиальную зависимость амплитуды сигнала для различных экситонных резонансовот задержки между импульсами накачки и зондирования. В частности, в сигнале видны быстро затухающие осцилляции, наложенные на медленно меняющийся фоновый сигнал. Медленная компонента сигнала связана с долгоживущимрезервуаром неизлучающих экситонов, что уже обсуждалось в третьей главе.Наблюдаемые осцилляции связаны с квантовыми биениями квантово-размерных экситонных состояний в КЯ.
Важно подчеркнуть необычную для экспериментов накачка-зондирование особенность, а именно, что осцилляции наблюдаются одинаково хорошо как при положительных, так и при отрицательныхзадержках.Рисунок 4(а) демонстрирует сигнал кинетики фотоотражения длянескольких экситонных переходов. Фурье-спектры этих сигналов представленна рисунке 4(б). Частоты квантовых биений, измеренных в спектральных максимумах (минимумах) сигнала фотомодулированного отражения, соответствуютэнергетическому расстоянию между соответствующими экситонными уровнями и уровнем 4 (см. вставку на рисуноке 4(б)).
Изменение энергии фотоновнакачки приводит к изменению как амплитуды наблюдаемого сигнала, так ик изменению наблюдаемых частот квантовых биений. Аналогичные измерениятакже были проведены на другом образце с параболической КЯ, результаты которых представлены в диссертационной работе для иллюстрации универсальности наблюдаемых эффектов. В образце с параболической КЯ из-за особенностейспектра размерно-квантованных экситонных состояний наблюдаемые частотыбиений превышают 4.5 ТГц.13Рис.
3 — Спектрально разрешенная кинетика сигнала накачка-зондированиепри когерентном возбуждении в четвертое экситонное состояние 4. Леваявставка: геометрия эксперимента. Правая вставка: упрошенная модельэкситонных переходов.Для описания экспериментальных результатов была предложена теоретическая модель, полностью описывающая наблюдаемые квантовые биения.При положительных задержках осциллирующий сигнал обусловлен осцилляциями коэффициента поглощения (отражения) во времени после когерентноговозбуждения нескольких размерно-квантованных экситонных состояний. Такаямодель, однако, не позволяет объяснить сигнал при отрицательных задержках,когда импульс зондирования достигает образца раньше импульса накачки.
Нами предложена модель, которая объясняет осциллирующий сигнал интерференцией поляризации, созданной импульсом зондирования с сигналом четырехволнового смешивания. Он формируется на решетке населенности, созданнойвзаимным действием импульсов накачки и зондирования, в результате чего происходит дифракция импульса накачки в направлении, совпадающим с направлением отраженного луча зондирование.
Совпадение этих направлений распространения сигналов присходит только при отрицательных задержках. При положительных задержках условия для процесса четырех-волнового смешиванияиные и дифракция происходит в других направлениях. Подтверждением такой144III2II0II(I)−2IV−4−6−20−10010Задержка (пс)200.4(б)(TГц)I(a)Интенсивность (отн. ед.)Ipp (отн. ед.)60.30.2IIIII(I)00.2IIII= 0.4TГц= 0.31TГцIII =0.17TГц0.10II0.4Частота (TГц)II(I) =1.4930.09TГц1.494Энергия фотоновнакачки (эВ)0.6Рис. 4 — а) Примеры кинетики фотоотражения, измеренные в различных,спектрально выделенных экситонных переходах, которые отмечены околокаждой кривой. Кривые I, II, III и IV измерены при преимущественномвозбуждении состояния 4.
Кривая II(I) измерена при условиях, когдавозбуждаются только состояния I и II. (б) Фурье-анализ кинетик. Сплошныелинии - аппроксимация лоренцианами. На вставке изображены частотыквантовых биений, полученные из эксперимента (жирные точки), приразличных энергиях фотонов накачки и ожидаемые частоты биений,соответсвующие энергетическим расстояниям между экситоннымисостояниями (пунктирные линии)модели является линейная зависимость амплитуды осциллирующего сигнала отмощностей накачки и зондирования, наблюдаемая экспериментальноВ заключении приведены основные результаты работы:1. Показано, что в высококачественных гетероструктурах, имеющих предельно малое число дефектов, излучательная рекомбинация являетсянаиболее эффективным процессом экситонной релаксации и является основным механизмов спектрального уширения экситонного резонанса.
Для возбужденных размерно-квантованных экситонных состояний, вероятность излучательной рекомбинации существенно меньше,а также увеличена скорость фононной релаксации, что приводит кконкуренции этих процессов.2. Обнаружено, что основным механизмом фазовой релаксации излучающих экситонов в высококачественных гетероструктурах при низких температурах является экситон-экситонное рассеяние и рассеяниеэкситонов на свободных носителях.
Из-за большого времени жизни153.4.5.6.неизлучающих экситонов при низких температурах происходит их накопление в резервуаре, в результате чего экситон-экситонное рассеяние становиться существенным даже при малых плотностях накачки ∼ 1 Вт/см2 .Продемонстрировано, что при увеличении температуры образца включаются температурно активируемые процессы диссоциации экситонови выброса носителей из квантовой ямы, что уменьшает квантовый выход фотолюминесценции, а также уменьшает скорость фазовой релаксации излучающих экситонов.Обнаружено, что зависящая от температуры образца скорость диссоциации экситонов и выброса носителей сравнима со скоростью экситонной релаксации из неизлучающих состояний в излучающие ужепри температурах ∼ 15 К. При этом скорость диссоциации еще нанесколько десятичных порядков меньше, чем скорость излучательнойрекомбинации.Показано, что при когерентном возбуждении нескольких размерноквантованных экситонных состояний в квантовой яме реализуютсяусловия для квантовых биений, связанных с квантовой интерференцией этих экситонных состояний.Развита теоретическая модель, описывающая квантовые биения размерно-квантованных экситонных состояний в квантовых ямах и механизмы проявления квантовых биений в эксперименте накачка-зондирование.
Эта модель предсказывает, что время затухания осцилляцийсигнала при положительных и отрицательных временах определяетсяразличными физическими процессами дефазировки возбуждения. Поэтому изучение этим методом квантовых биений такого типа позволяет одновременно изучать фазовую релаксацию на оптической частоте,а также взаимную когерентность нескольких размерно-квантованныхэкситонных состояний..
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
