Диссертация (1149174), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Выполненные для этого образца экспериментальные исследованияполностью подтвердили рассуждения, приведенные выше, для случая интерференции поляризации.В работе [99] экспериментально исследовался образец с узкой КЯ. Из-замоноатомных флуктуаций наблюдались экситонные состояния с различнымиэнергиями размерного квантования. В зависимости интенсивности интегрального сигнала FWM от задержки между импульсами наблюдались биения, которые авторы интерпретировали как интерференцию поляризаций. Однако внесколько более поздней работе [100] той же группы авторов, была использована методика разделения квантовых биений и интерференции поляризаций,представленная в работе [98].
Оказалось, что экситоны, локализованные в различных моноатомно гладких островках, не могут рассматриваться как две независимые двухуровневые системы. Существует достаточно сильная связь междуэкситонами в различных островках. Это приводит к тому, что изучаемую систему следует рассматривать как трехуровневую.Другой метод разделения квантовых биений и интерференции поляризаций предложен в работе [74]. Метод основан на исследовании сигнала FWM соспектральным разрешением.
Авторы показали, что в случае квантовых биенийполяризация третьего порядка описывается выражением⃒⃒2 1 ⃒21 2 ⃒++221112(3)⃒+| ( , )|2 = ⃒⃒1 − − 12 − − 2 ⃒(1.11)и для случая интерфренции поляризаций выражением(3)| ( , )|2⃒⃒22 ⃒ 1 1 ⃒2⃒= ⃒⃒+1 − − 1 2 − − 2 ⃒(1.12)Здесь, – частота детектирования, = 2 4 (− ), = 2 2 ( ), – плотность возбужденных уровней, – дипольный матричный элемент и – скорость дефазировки. В работе продемонстрировано,что для квантовых биений сигнал FWM со спектральным разрешением какфункция временной задержки претерпевает небольшие изменения фазы и амплитуды при прохождении частоты детектирования через один из резонансов.
Вто же время, при интерференции поляризаций фаза осцилляций сигнала FWMсо спектральным разрешением, как функции задержки, изменяется на , и ам36плитуда стремиться к нулю, когда частота детектирования варьируется околорезонанса. Это позволяет разделить квантовые биения и интерференцию поляризаций.В работе [74] предложенный метод был применен для изучения сигналаFWM со спектральным разрешением для изучения квантовых биений междуLH и HH экситонными состояниями во множественных относительно узких КЯ.Как и предсказывала представленная выше теория, фаза и амплитуда биенийв сигнале FWM, как функции задержки, практически не зависели от частоты детектируемых фотонов.
В противоположность этому, фаза и амплитудаосцилляций значительно менялись, когда изучались два экситонных состоянияобъемного CdSe.Полупроводниковая (КЯ) представляет собой удобную модельную систему для изучения квантовых биений между размерно-квантованными экситонными состояниями. Отметим, что переходы между возбужденными электронными или экситонными состояниями в КЯ используются для лазерного излученияв терагерцовом диапазоне [101—103].С фундаментальной точки зрения КЯ позволяют изучить многоуровневую когерентность. Квантовые биения в многоуровневой системе теоретическиописаны в работах [104; 105].
Многоуровневая система, состоящая из уровнейЛандау магнето-экситонов, экспериментально изучена в работе [106], в которойнаблюдались квантовые биения только между двумя нижайшими энергетическими уровнями. До настоящего времени никаких экспериментальных данныхо множественных квантовых биениях в КЯ, не представлено в литературе. Оригинальные результаты исследований квантовых биений в КЯ, где квантовые биения происходят между 4-мя размерно-квантованными состояниями представлены в главе 4.37Глава 2. Экпериментальные установки и образцыВ настоящей работе были использованы как методы стационарной оптической спектроскопии экситонных состояний, так и методы, являющиеся различными вариантами метода "накачка-зондирование". Базовая структура экспериментальных установок, реализующих обе группы методов, включала криостат замкнутого цикла охлаждения, перестраиваемый титан-сапфировый лазер,спектральный прибор с охлаждаемым матричным фотодетектором, комплектоптических и оптоэлектроных элементов, необходимую электронику.
В случаестационарной спектроскопии использовался непрерывный лазер, а для реализации метода "накачка-зондирование"пикосекундный или фемтосекундный импульсный лазер.2.1ОбразцыВ большинстве экспериментов, результаты которых представленныйв настоящей работе, исследовалась полупроводниковая гетероструктура сInGaAs/GaAs квантовой ямой (КЯ). Если в тексте специально не оговорено, тоэкспериментальные данные получены при изучении именно этого образца.
Этотобразец был отобран из серии выращенных образцов, сходных по качеству, в которых радиационное уширение экситона превосходит нерадиационное. Образец”P554"был выращен методом молекулярно-пучковой эпитаксии на легированной GaAs подложке, ориентированной вдоль оси [001]. Структура была выращена при повышенной температуре подложки около 550 ∘ C, чтобы предотвратить кластеризацию атомов индия [107] . Структура содержит широкую InGaAsКЯ номинальной толщины около 95 нм и содержанием In порядка 2% (см. рисунок 2.1). Для исследований был выбран образец ”P554 из-за его энергетическогоэкситонного спектра размерно-квантованных уровней, определяемого ширинойквантовой ямы. Помимо этого, структура также содержит опорную узкую КЯ( = 2 нм) с содержанием около 2%.
Из-за условий роста в структуре имеется градиент толщины порядка 10% см−1 . Содержание In также варьируется382 нмIn 2%GaAsКвантовая ямаGaAsПодложкаIn 2%95 нмРисунок 2.1 — Упрощенная схема образца P554. Серым цветом показаны слоибарьеров и подложки из GaAs, светло-красным слои квантовых ям ссодержанием индия около 2 %.от 1.5 до 2 %. Поэтому точные значения толщины и потенциального профиляширокой КЯ оцениваются по спектроскопическим данным.Образец был специально выращен и отобран для исследования экситонных процессов в высококачественной гетероструктуре. Рост производился наустановке молекулярно-пучковой эпитаксии ЭП-1302, расположенной на кафедре "Фотоника"физического факультета Санкт-Петербургского университета.Автор настоящей работы проводил оптическую характеризацию большого количества образцов, изготавливаемых на упомянутой ростовой установке, чтопозволило подобрать параметры роста и отобрать конкретный образец для исследования процессов в высококачественной гетероструктуре.В разделе посвященном квантовым биениям приведены результаты исследования другого образца.
Данный образец был выращен методом молекулярно-пучковой эпитаксии в университете г. Гераклион, Греция. Этот образецсодержал параболическую квантовую яму Al Ga1− As/Al0.12 Ga0.88 , в которойпараболический профиль квантовой ямы был получен путем варьирования концентрации алюминия от 5% в центре КЯ до 11% на гетерогранице. Спектрфотомодулированного отражения и схема энергетических уровней приведенына рисунке 2.2. Параметры КЯ рассчитывались таким образом, чтобы энергети391.62Энергия (эВ)1.61109871.6654321.591.58-401-20020Z (нм)−0.200.20.4ФМ отражение (отн.
ед.)Рисунок 2.2 — (слева) Профиль потенциала параболической КЯ (краснаялиния), черные горизонтальные линии - уровни размерного квантованияэкситона. (справа) Спектр фотомодулированного отражения, спектральныеособенности которого соотнесены с уровнями размерного квантованиястрелкамическое расстояние между эквидистантными уровнями размерного квантованияэкситонов в КЯ составляло около 6 мэВ.2.2Экспериментальная установка стационарной спектроскопииСхема экспериментальной установки стационарной спектроскопии приведена на рисунке 2.3.
Исследуемый образец находился в гелиевом криостате, гдеохлаждался до температур 4 – 30 К. Данный криостат оборудован внутреннимнагревателем, позволяющим регулировать температуру образца. На образец через оптическую систему фокусировалось излучение непрерывного титан-сапфирового лазера в пятно размером ≈ 50м. Лазер обладает узкой линией излучения (< 1 ГГц, 0.03 см−1 ), а также имеет компьютерный интерфейс управления40МиПМиПWLMНепрерывныйтитан-сапфировыйлазерJobin IvoniHR 550ПЗСРисунок 2.3 — Схема экспериментальной установки стационарнойспектроскопии. В ней часть излучения непрерывного титан-сапфировоголазера отводится на интерференционный измеритель длины волны (WLM)для контроля автоматизированного изменения длины волны.
Участкиоптических путей, отмеченные как "МиП использовались для установки в нихмодуляторов и поляризационных элементов в случае необходимости.длиной волны излучения. Последняя особенность позволяла измерять спектрывозбуждения фотолюминесценции в автоматическом режиме.Излучение фотолюминесценции, идущее от образца, при помощи оптической системы, которая могла включать поляризационные элементы, перефокусировалось на входную щель монохроматора. Использовался 0.55-м одиночный изображающий монохроматор (Jobin Ivon iHR550).
Данный монохроматороборудован тремя дифракционными решетками с различным числом штрихов(600, 1200 и 1800 штрихов/мм). К одной из двух выходных щелей монохроматора подключена высокочувствительная ПЗС-матрица (CCD), охлаждаемаяжидким азотом. Ширина аппаратной функции системы монохроматор - ПЗСматрица для решетки 1800 штрихов/мм составляет около 30 эВ в спектральном диапазоне около края фундаментального поглощения GaAs (1.5 эВ). Всяэкспериментальная установка имела программное управление и была созданаи запрограммирована автором настоящей работы. Представленная экспериментальная установка также позволяла измерять спектры отражения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
