Диссертация (1149174), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Эффектлокализации экситонов приводит к сильному различию времен излучательнойΓ = (1 − )21релаксации экситонов в квантовых ямах и особенно в квантовых точках. Если в квантовых ямах времена составляют десятки пикосекунд, то в квантовыхточках – единицы и десятки наносекунд [6]. Морфологическое несовершенствокристалла, а именно большое число дефектов, приводит к уменьшению объемакогерентности экситона и увеличению времени радиационного распада экситонов.
Флуктуации толщины квантовой ямы, также приводят к локализацииэкситонов в плоскости квантовой ямы и замедлению радиационного распадаэкситонов.Скорость излучательной рекомбинации экситонов зависит от шириныквантовой ямы. В узких квантовых ямах шириной ≤ , где – боровский радиус экситона, пространственное ограничение вдоль ростовой осиприводит к зависимости перекрытия волновых функций экситона и дырки отширины квантовой ямы. Для КЯ AlGaAs/GaAs или GaAs/InGaAs шириной ≈ 5 нм с конечной высотой барьеров перекрытие волновых функций максимально.
Это проявляется как максимум в зависимости энергии связи экситонаот ширины КЯ [56; 62] и скорости радиационного распада экситонов [56]. Анализ спектров отражения серии образцов с AlGaAs/GaAs КЯ различной ширины[53] показал, что скорость радиационного распада экситонов в КЯ падает почтив 2 раза при увеличении ширины КЯ от 5 нм до 30 нм.На свето-экситонное взаимодействие также влияет и перенормировка фотонных состояний.
Наиболее сильно это проявляется в гетероструктурах с КЯв микрорезонаторах. В микрорезонаторах плотность фотонных состояний изменяется так, что из непрерывного спектра фотонных состояний остается толькоодна фотоная мода резоантора [63]. Это приводит к усилению свето-экситонного взаимодействия, если спектральное положение экситонного перехода близкок спектральному положению фотонной моды. В литературе это явление принято называть эффектом Парсела [63; 64]. Если поместить КЯ в пучность стоячей электромагнитной волны в микрорезонаторе, то свето-экситонное взаимодействие усилиться. Если же поместить КЯ в узлы стоячей электромагнитнойволны, то экситоны в КЯ перестанут взаимодействовать со светом.221.1.4Коррелированная электрон-дырочная плазма и экситоныФЛ в полупроводниках является результатом рекомбинации электрондырочных пар, сопровождающейся излучением фотона.
Если электрон и дыркасвязаны кулоновским взаимодействием и образуют экситон, то радиационнаярекомбинация такой электрон-дырочной пары сопровождается излучением фотона с соответствующей энергией. Однако, появление в спектрах ФЛ линий наэнергии, соответствующей экситоному резонансу, не обязательно должно означать существование экситонной населенности [18]. Казалось бы, больше не существует возбуждений кристалла, обладающих той же энергией, что и экситоны.Это верно, если рассматривать электроны и дырки, не связанные в экситоны,как газ невзаимодействующих частиц. Однако, множество электрон-дырочныхпар является сильновзаимодействующей системой многих тел.
В такой системе излучение фотона не следует рассматривать как рекомбинацию какой-либоэлектрон-дырочной пары, а следует рассматривать как оптической переход вмногочастичной системе из состояния с взаимодействующими парами в состояние с − 1 взаимодействующими парами. Теоретический анализ [18] показал, что корреллированная электрон-дырочная плазма может излучать фотоныс энергией, соответствуйщей экситонному резонансу. В таком процессе закон сохранения энергии всегда выполняется.
Излучение фотона с энергией меньшей,чем ширина запрещенной зоны, приводит к эффективному разогреву оставшейся системы. Модель коррелированной плазмы подтверждается рядом работ, вкоторых изучалась динамика ФЛ [65; 66].Эксперименты по изучению динамики ФЛ при нерезонансной накачке короткими оптическими импульсами [65] показали появление линии ФЛ с энергией 1 экситона в первые несколько сотен фемтосекунд после импульса. Этоочень мало для формирования экситонов [32; 35; 36; 41]. Однако, быстрое появление линии ФЛ с энергией 1 экситона может быть объяснено излучениемплазмы, где быстрое кулоновское рассеяние изменяет форму нестационарногораспределения фоторожденных носителей [18].Детальное экспериментальное исследование образцов с высококачественными КЯ [66] и сравнение с микроскопической теорией ФЛ показало, что притемпературе около 30 K ФЛ может быть объяснена только излучением плазмы.23Соответствующие данные спектроскопии ФЛ с временным разрешением показали, что различные спектральные компоненты излучения, относящиеся к экситонному резонансу и излучению зонных состояний, имеют схожую динамику.Только при низких плотностях накачки и низких температурах для согласияс экспериментом необходимо учитывать экситонную населенность.
При этихусловиях исследования с временным разрешением демонстрируют различнуюдинамику излучения экситонного резонанса и межзонных переходов.Более прямую информацию о экситонной населенности и её вкладе в ФЛмогут дать методы спектроскопии пропускания в терагерцовом диапазоне [18;67; 68]. Эти методы аналогичны исследованию спектров пропускания газов, которые могут дать исчерпывающую информацию о компонентном составе смесигазов. В спектрах пропускания появляются особенности, соответсвующие оптическим переходам между собственными состояниями всех атомов и молекул,входящих в состав исследуемой смеси.
По относительной амплитуде особенностей в спектрах пропускания можно судить о концентрациях, входящих в состав смеcи атомов и молекул. Поскольку экситон является водородоподобнойквазичастицей, то переходы между собственными водородоподобными состояниями экситона, также могут быть использованы для идентификации экситонови определения их концентрации (населенности). Наибольшей силой осциллятора обладает переход 2 ↔ 1.
Для экситонов в гетероструктурах, основанныхна материалах типа GaAs этот переход происходит с излучением или поглощением фотонов с энергией ~ = ~2 − ~1 ∼ 5 мэВ. Фотоны с такой энергиейпринадлежат терагерцовому диапазону ( 1 ТГц = 4.2 мэВ).241.21.2.1Квантовые биения в полупроводникахПростейшее описание квантовых биенийОптические квантовые биения - это осцилляции сигнала в оптическом отклике квантовой системы, которые появляются, если два или более возбужденных состояния системы взаимно когерентны [69—71].
Первые экспериментальные исследовании квантовых биений описаны в работах Е. Б. Александрова [69]и Дж. Додда [70].Для простейшего примера квантовых биений рассмотрим многоуровневуюсистему (см. рисунок 1.1). Система имеет основное состояние |0 > и два возбужденных состояния, обозначаемых |1 > и |2 >. Предположим также, что возможен дипольный оптический переход между основным состоянием и возбужденными состояниями. Такая система реализуется, например, в атоме водорода,где основным состоянием является "1s"состояние, а возбужденными - триплет"2p"уровней, расщепленных во внешнем магнитном поле.
В работах [69; 70]исследовались пары металлов, воспроизводящих описанную многоуровневуюсистему.|2>|1>E1E2|0>Рисунок 1.1 — Схема трехуровневой системы, в которой возможны квантовыебиенияПри возбуждении коротким импульсом света такой многоуровневой системы, первоначально находящейся в основном состоянии, система перейдет всуперпозиционное состояние. Волновую функцию суперпозиционного состояния25можно записать в виде:Ψ0 = 1 |1 > +2 |2 >,(1.5)где |1 |2 и |2 |2 – вероятности обнаружить систему в состоянии |1 > и |2 >,соответственно (|1 |2 + |2 |2 = 1). Дальнейшая эволюция системы определяетсярадиационным распадом возбужденного состояния и описывается следующейволновой функцией:Ψ() = −Γ[︁−1 1~ −|1 > +2 2 ~]︁|2 > ,(1.6)где Γ – скорость радиационного распада возбужденного состояния, 1 и 2- разность энергий между основным состоянием и возбужденными.
Тогда зависимость вероятности радиационного перехода от времени, или зависимостьинтенсивности ФЛ от времени определяется следующим образом:() ≈ () = | < 0||Ψ() > |2 =]︁[︁ −−Γ2222**− 2 ~ 1 ==|1 | |01 | + |2 | |02 | + 2 (1 2 01 02 ) ]︂)︂(︂[︂2 − 1−Γ= + ~(1.7)Из выражения (1.7) видно, что зависимость интенсивности ФЛ от времени после импульсного возбуждения – осциллирующая затухающая функция.Скорость затухания интенсивности ФЛ определяется скоростью радиационного перехода, а частота осцилляций – энергетическим зазором между возбужденными состояниями. Важно отметить, что излучение ФЛ некогерентно и осцилляции интенсивности есть следствие осцилляций вероятности радиационногоперехода. Осцилляции вероятности можно интерпретировать как интерференцию квантовых состояний. Осцилляции интенсивности ФЛ в зависимости отвремени некорректно трактовать, как интерференцию электромагнитных волн,по причине отсутствия когерентности излучения ФЛ.Итак, квантовые биения проявляются, как осцилляции интенсивности излученного или поглощенного света, индуцированные коротким импульсом света, когерентно возбуждающем систему в суперпозиционное квантовое состояние.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
