Диссертация (1149174), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

Это говорит о том, что термодина­мическое равновесие в экситонной подсистеме не достигается в температурномдиапазоне 4 – 30 К.654 Сумм. ФЛX232X1X3, X4100.15δE (мэВ)X1P=10 мкВтТемпература (K)5 10 15 20 25 30(б) 80P=150 мкВт60Сумм.

ФЛX1X2(в)4020X3, X4(г)X10.100.150.1X2 , X3, X40.0500P=10 мкВт510 15 20 25 30 0Температура (K)X2 , X3, X45P=150 мкВт10 15 20 25 30Температура (K)δE (мэВ)Интенс. ФЛ (отн. ед.)0Температура (K)5 10 15 20 25 30 0(a)Интенс. ФЛ (отн. ед.)520.050Рисунок 3.3 — Температурные зависимости интегральной ФЛ (а, б) и ПШПВдля различных резонансов (в, г). Сплошные кривые на (а) и (б) аппроксимация выражением (3.6) с параметрами: 0 / = 1.1, 0 / = 780при мощности накачки = 10 мкВт для (a); 0 / = 0.4, 0 / = 80 примощности накачки = 150 мкВт для (б). Энергии активации для обоихмощностей накачки одинаковы: = 4.5 мэВ и = 16 мэВ.

Зависимостибыли измерены при накачке в экситонный уровень 6, спектральноеположение которого определялось при каждой температуре.53Ширины экситонных линий при повышении температуры также ведут се­бя, на первый взгляд, неожиданно. Сильное уменьшение интенсивности ФЛ приувеличении температуры означает, что безызлучательная экситонная релакса­ция начинает доминировать над радиационной при > 15 K [см.

рисунок 3.3(а,б)]. Если ширины экситонных линий при низкой температуре контролируютсяизлучательными процессами, то увеличение температуры должно приводитьк уширению линий, чего не наблюдается в эксперименте. Как видно на ри­сунке 3.3(в), ширины линий, измеренные при малой мощности накачки, прак­тически не зависят от температуры в изучаемом температурном диапазоне впределах экспериментальной точности. Этот результат является необычным,поскольку рассеяние на фононах должно приводить к дополнительному ушире­ние.

Увеличение температуры приводит к увеличению населенности фононныхсостояний, что проявляется как дополнительное уширение экситонных линий ??(см. параграф 1.1.2). В исследованном температурном интервале вкладом опти­ческих фононов можно пренебречь, а взаимодействие с акустическими фонона­ми при увеличении температуры до 30 К должно приводить к дополнительномуувеличению ширин экситонных линий в ФЛ на величину в несколько десятковмкэВ, чего не наблюдается в эксперименте.

Причина этого эффекта пока неясна.Увеличение мощности накачки действует на ширины линий сильнее, чемизменение температуры. На рисунке 3.4 видно, что увеличение мощности вызы­вает дополнительное уширение, которое пропорционально квадратному корнюот мощности накачки. В работе ?? теоретически предсказывается подобное суб­линейное уширение экситонных резонансов при увеличении концентрации экси­тонов. Авторы теоретически исследуют упругое экситон-экситонное кулоновсоерассеяние в квантовых ямах. Немонотонная зависимость уширения от концен­трации экситонов, объясняется составной природой экситонов и тем, что ос­новной механизм экситон-экситонного рассеяния – обменный. Дополнительноеуширение является немонотонной функцией температуры: оно увеличиваетсяс ростом температуры до ≈ 15 K, а затем падает с дальнейшим нагрева­нием образца [сравни рисунки 3.3 (в) и (г)].

Это поведение наблюдается длявсех мощностей накачки, при которых дополнительное уширение может бытьидентифицировано.540.14X1δE (мэВ)0.120.10.08X2X3, X40.06T = 8K0255075100125Мощность накачки (µВт)150Рисунок 3.4 — Зависимость ПШПВ () экситонных линий в спектрах ФЛ отмощности накачки, измеренная при температуре = 8 K (жирные точки).3.1.2Кинетика экситонных состоянийНаиболее прямые данные об экситонных релаксационных процессах мож­но получить из кинетических экспериментов. Поэтому были проведены экспе­рименты накачка-зондирование в геометрии на отражение. На рисунке 3.5(a)показана зависимость сигнала фотомодулированного отражения нижайшего эк­ситонного перехода от задержки между импульсами накачки и зондирования.Важной особенностью сигнала является одновременное присутствие быстройи медленной компонент.

Медленная компонента практически не изменяется втечении нескольких сотен пикосекунд. Быстрая компонента кинетики отража­ет динамику излучающих экситонов. В общем случае, эта компонента можетиметь когерентный и некогерентный вклад. Когерентная часть сигнала связанас процессом четырех-волнового смешивания [122]. В следующей главе будет по­казано, что она формируется на начальном участке быстрой компоненты, когдаимпульс зондирования приходит раньше импульса накачки, < . Анализукогерентного сигнала посвящена следующая глава.Спадающий край быстрой компоненты формируется обычным сигналомнакачка-зондирование, который определяется экситонной населенностью, со­зданной импульсом накачки.

Принимая во внимание конечную длительностьимпульса накачки ( = 1.75 пс, см. главу 2.3), можно получить следующее55866442260448 12 16 20 24Температура (K)esc(отн. ед.)8T1 (пс)Ipp (отн. ед.)8(a)02−10Ipp (отн. ед.)660102030Задержка (пс)40e-hh150(б)44e-lh2200−2−2−4−4e-hh214901490149514951500150015051505Энергия фотонов (мэВ)15101510Рисунок 3.5 — (а) Кинетика сигнала накачка-зондирование ( измеренная нарезонансе 1 при = 4 K и мощности накачки = 10 Вт (точки).

Гладкасплошная кривая – аппроксимация быстрой компоненты распада функцией () [см выражение (3.11)]. Пунктирная кривая показывает рост медленнойкомпоненты, моделируемый выражением (3.10). На вкладке показанытемпературные зависимости 1 (синие точки) и (оранжевые точки).

(б)Спектр фотомодулированного отражения, измеренный при задержке 30 пспосле прихода импульса накачки (синяя кривая). Красными точками показанспектр импульса накачки. Пунктирная кривая – аппроксимация спектранакачки функцией (3.12), где ~ = 0.37 мэВ.56выражение затухающей части сигнала:∫︁ ( ) = )︂(︂ − . ()( − ) exp −1(3.9)Здесь интегрирование происходит по импульсу накачки, а также учтена очеред­ность импульсов накачки и зондирования путем ввода ступеньчатой -функции.Величины и – интенсивности лучей накачки и зондирования. Сигналнакачка-зондирование пропорционален мощностям лучей накачки и зондирова­ния, а зависимость от временной задержки определяется временем спада экси­тонной населенности 1 .Быстрая компонента наложена на медленную, связанную с неизлучающи­ми экситонами.

Она возникает из-за выброса излучающих экситонов из светово­го конуса. Таким образом, быстрый рост медленной компоненты моделируетсявыражением:∫︁ ( ) = (),(3.10)0где – скорость выброса экситонов, и константа ≤ 1 учитывает, что вкладнеизлучающих экситонов в сигнал накачка-зондирование может быть меньше,чем от излучающих, при той же экситонной плотности.Весь детектируемый в эксперименте сигнал это сумма обоих вкладов: ( ) = ( ) + ( ).(3.11)При моделировании сигнала накачка-зондирование мы предполагали, что им­пульс накачки имеет прямоугольный временной профиль с длительностью .Его спектр, изображенный на рисунке 3.5(б), может быть аппроксимированфункцией:)︂2(︂sin[( − 0 )/].(3.12) () = 0( − 0 )/Эта функция получена преобразованием Фурье прямоугольного оптическогоимпульса с несущей частотой 0 и длительностью = 1/.На рисунке 3.5(a) показана аппроксимация быстрой компоненты сигналанакачки-зондирования функцией ().

Нарастание медленной компоненты так­же показано отдельной кривой. Из рисунка видно, что быстрая компонента хо­рошо моделируется функцией (), что позволяет получить время затухания57экситонной населенности 1 . При температуре = 4 K время 1 = 6.4 пс, чтоочень близко к величине, полученной из спектров отражения, 2/Γ01 = 6.9 пс.На вставке на рисунке 3.5(a) приведена температурная зависимость време­ни 1 . Как видно, оно сильно уменьшается при повышении температуры до 16 Kи затем снова увеличивается.

При анализе этого эффекта, предполагалось, чтобыстрая компонента определяется двумя главными процессами: радиационнымзатуханием и выбросом носителей, характеризующимся скоростью . Тогдаскорость затухания быстрой компоненты:1/1 = Γ01 + .(3.13)Температурная зависимость может быть получена из экспериментальныхданных. В самом деле, амплитуда медленной компоненты на временах >> становится независящей от времени и определяется . Из уравнения (3.10)можно получить.= 1 /1 .(3.14)∆ = ( )Здесь амплитуда медленной компоненты нормирована на амплитуду пика сиг­нала накачка-зондирование, описываемого выражением (3.9), чтобы исключитьинтенсивности лучей накачки и зондирования. Температурная зависимость показана на вставке а рисунке 3.5(a).

Как видно, эта скорость сильно увеличива­ется при температуре = 16 K и затем падает. Такое поведение не может бытьобъяснено экситон-фононным рассеянием, поскольку скорость такого рассея­ния должна монотонно зависеть от температуры в изучаемом диапазоне (см.,например, работу [54]). Возможный физический механизм выброса экситоновбудет обсуждаться в разделе 3.2.На рисунке 3.5(б) показана спектральная зависимость фотомодулирован­ного отражения, измеренной при задержке 30 пс, когда присутствует толькомедленная компонента. Импульсы накачки были спектрально узкими, как по­казано на рисунке. Хотя спектральное положение импульсов накачки было вы­брано таким, чтобы преимущественно возбуждать нижайшее экситонное состоя­ние, ненулевой сигнал наблюдается в широком спектральном диапазоне вплотьдо экситонного состояния (ℎ ) с легкой дыркой.На рисунке 3.6 показан сигнал накачка-зондирование, измеренный приразличных температурах образца.

На рисунке видно, что заметный сигнал по­Ipp (отн. ед.)582104Тем 8 12перату 16ра ( 20K) 24−200204060ердаЗ80100с)п(кажРисунок 3.6 — Сигнал накачка-зондирование ( ) для нижайшего экситонногосостояния, измеренный при различных температурах образца. = 100 мкВт.является при отрицательных задержках, когда импульс зондирования падает наобразец раньше импульса накачки.

Температурный рост с 4 K до 12 K вызываетсущественный рост этого сигнала, который затем уменьшается при повышениитемпературы.Наличие сигнала накачка-зондирование при отрицательных задержкахуказывает на то, что характерное время затухания медленной компоненты превосходит период повторения импульсов накачки ( = 12.5 нс). В результате,детектируемый сигнал аккумулируется за большое число предшествующих им­пульсов. В случае экспоненциального затухания сигнала, амплитуда медленнойкомпоненты в момент времени прямо перед приходом следующего импульса ста­новиться равной 1 = exp(− / ).

Характеристики

Список файлов диссертации