Автореферат (1149548)
Текст из файла
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиПанькин Дмитрий ВасильевичИсследование полярных оптических фононов в слоистых гетероструктурах.Специальность: 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург2018Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университетеНаучный руководитель:СмирновМихаилБорисович,докторфизикоматематических наук, профессор, профессор кафедры физикитвердого тела Санкт-Петербургского государственногоуниверситетаОфициальные оппоненты: Втюрин Александр Николаевич, докторфизикоматематических наук, старший научный сотрудник, главныйнаучныйсотрудниклабораториимолекулярнойспектроскопии Института физики им.
Л.В. КиренскогоСибирского отделения РАН – обособленное подразделениеФИЦ КНЦ СО РАН, г. КрасноярскНемовСергейАлександрович,докторфизикоматематических наук, профессор, профессор кафедры«Технология и исследование материалов» ФГАОУ ВО«Санкт-Петербургский политехнический университет ПетраВеликого», г. Санкт-ПетербургВедущая организация:ФГБУ ВОН «Санкт-Петербургский национальныйисследовательский Академический университет Российскойакадемии наук», г. Санкт-ПетербургЗащита состоится «___» ________ 2018 г. в _____ на заседании диссертационного советаД 212.232.33 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, насоискание ученой степени доктора наук на базе Санкт-Петербургскогогосударственного университета по адресу 198504, г. Санкт-Петербург, Петродворец,ул.
Ульяновская, д. 1, малый конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М. ГорькогоСанкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034, СанктПетербург, Университетская наб., д. 7/9. Диссертация и автореферат диссертацииразмещены на сайте https://disser.spbu.ru.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьбанаправлять по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская ул., д. 1,ученому секретарю диссертационного совета Д 212.232.33 А.М. Поляничко.Автореферат разослан «» _____________ 2018 г.Ученый секретарь Совета Д 212.232.33,кандидат физ.-мат. наук, доцентПоляничко А.М.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ настоящее время слоистые гетероструктуры широко используются в качестве ключевыхэлементов различных оптоэлектронных приборов.
В частности, они применяются в лазернойтехнике, способной работать в терагерцевом диапазоне, и для регистрации инфракрасного (ИК)излучения в окнах атмосферной прозрачности. Устройства со слоистыми гетероструктурами намежподзонных переходах, работающие в ИК-области, нашли применение в качестве газовыхдетекторов, индикаторов открытого горения, детектирования военных целей, излучающих в ИКдиапазоне, и в астрономии. К перспективным областям применения слоистых гетероструктуротносятся телекоммуникация в области частот, соответствующих окнам прозрачности атмосферы,неинвазивная диагностика заболеваний (например, по степени нагрева и по концентрациивыдыхаемых человеком газов), проведение медицинских операций с применением ИК-видения,разработка телеметрических систем с высоким температурным разрешением.
Одними изважнейших технических характеристик, которые необходимы для работы таких приборов, являютсякомпактность и возможность работы при комнатных рабочих температурах. Решение данных задачвключает и разработку новых типов материалов.Широкому применению гетероструктур способствовали следующие факторы: развитиеметодов роста (таких как молекулярно-пучковая эпитаксия и газофазная эпитаксия из металлорганическихсоединений),совершенствованиеэкспериментальныхметодовдиагностикивыращенных структур (детектирующей аппаратуры, источников излучения, оптических материалови т.д.), развитие теоретических методов исследования (квантовомеханических и полуклассическихмодельных подходов).К числу перспективных материалов для создания оптоэлектронных приборов относятсянитридные полупроводники типа A3B5.
Среди них особое место занимает пара материалов GaN иAlN. Удачное сочетание ширин запрещенных зон в данных материалах позволяет создаватьгетероструктуры, работающие в диапазоне от ИК (гетероструктуры на межподзонных перехода) досине-зеленой и УФ областей (для гетероструктур на междузонных переходах). Большие энергиифононов в нитридных материалах (по сравнению с гетероструктурами на базе арсенидныхматериалов) значительно понижают вероятность рассеяния носителей на продольных оптическихфононах. Большие ширины запрещенных зон позволяют использовать данные материалы вустройствах, работающих при высоких напряжениях и температурах.Данные материалы уже находят применение в светоизлучающих светодиодах и лазерах. Темне менее, существуют трудности технологического характера. Одной из главных проблем при ростенитридных гетероструктур является существенное рассогласование постоянных решеток самихнитридных материалов и материалов, используемых в качестве подложек.
Релаксация напряженийприводит к росту структур с дислокациями и остаточными деформациями в слоях. Поиск режимов4роста минимально дефектных структур требует подбора соответствующих условий роста, которыйневозможен без анализа структуры выращенных образцов. Методом, чувствительным кособенностям выращенных структур, может служить спектроскопия комбинационного рассеяниясвета (КРС).
Она зарекомендовала себя в качестве чувствительного, бесконтактного, точного инеразрушающего метода анализа как структуры объемных материалов, так и структур спониженной размерностью, например, квантовых ям и сверхрешеток, квантовых нитей, квантовыхточек и др.Частоты и интенсивности спектральных линий, наблюдаемых в спектрах КРС, содержатбогатую информацию о структуре образца, о характере межатомных и электрон-фононныхвзаимодействий. Однако, эффективное использование этой информации возможно лишь приналичии схемы отнесения наблюдаемых в спектре линий конкретным типам колебаний тех илииных структурных фрагментов. Такое отнесение может быть установлено только присопоставлении экспериментальных данных с результатами расчетов по динамике решетки.Особенности строения полупроводниковых гетероструктур (низкая симметрия, большое числоатомов) исключают возможность использования подходов, используемых в исследованияхобъемных кристаллов, основанных либо на классических моделях с эмпирическими потенциаламимежатомных взаимодействий, либо на квантово-механических расчетах из первых принципов.Поэтому в теоретических исследованиях фононов в гетероструктурах широкое применение нашликонтинуальныемодели,вкоторыхобластиоднородности,заполненныеразличнымиполупроводниковыми материалами, рассматриваются в приближении сплошной среды.
Вприменении к оптическим полярным фононам такой подход называют моделью диэлектрическогоконтинуума (МДК). В целом ряде работ этот подход успешно применялся для моделированияфононных состояний в разнообразных гетероструктурах. Однако, многие важные аспектыколебательной динамики слоистых гетероструктур до сих пор остались неизученными.В данной работе показано, что подход, основанный на применении МДК, можно успешноприменить для оценки влияния разных структурных факторов на частоты фононови, такимобразом, установить практически важные корреляции «структура-спектр» для ряда слоистыхгетероструктур состава GaN/AlN.Цель работыВ рамках данной работы ставилась задача изучения влияния структурных факторов наспектры полярных оптических фононов в слоистых гетероструктурах.
В качестве объектаисследования были выбраны такие практически важные структуры как многократныеквантовые ямы (МКЯ) и сверхрешетки (СР). В качестве экспериментального методарегистрации полярных оптических фононов была выбрана спектроскопия КРС, а длятеоретического описания данного типа фононов выбрана МДК. Среди структурных факторов,5влияющих на частоты полярных оптических фононов в слоистых гетероструктурах, в рамкахданной работы были выделены следующие:1) соотношение толщин слоев, образующих бинарную СР2) общая длина периода СР,3) упругие деформации в слоях СР,4) влияние буферных слоев,5) диффузия атомов на гетероинтерфейсах.Помимо анализа структурных факторов, в работе проведен общий анализ решений уравненийМДК и получены важные соотношения, значительно облегчающие процедуру расчета.Задачи работыДля достижения поставленных целей в данной работы были поставлены и решены следующиезадачи:1) изучить влияние отношения толщин слоев на спектры полярных оптических фононов вСР,2) изучить влияние периода СР на поведение полярных оптических фононов в широкомдиапазоне толщин слоев,3) оценить существующие в материалах слоев упругие деформации и их влияние начастоты полярных оптических фононов,4) оценить влияние буферных слоев на частоты полярных оптических фононов в МКЯ, иизучить поведение фононного спектра при постепенном увеличении числа слоев, то есть припереходе МКЯ в СР,5) оценить влияние диффузии атомов и модернизировать модель для возможности учетаразмытости гетерограниц,6) определить степень влияния приведенных выше факторов на различные типы мод исделать вывод о чувствительности различных фононных мод и соответствующих имспектральных линий для оценки геометрических особенностей выращенной гетероструктуры.Методы исследованияВ качестве теоретического метода описания поведения полярных оптических фононов былавыбрана континуальная эмпирическая модель диэлектрического континуума.
В качествеэкспериментального метода была выбрана спектроскопия КРС. Измерения частично былипроведены на базе Научного Парка Санкт-Петербургского государственного университетаресурсного центра «Оптические и лазерные методы исследования вещества».6Научная новизна1) Выведены новые соотношения, определяющие общие свойства решений уравнений МДК дляпроизвольной слоистой гетероструктуры;2) Установлена зависимость между частотами полярных фононов и соотношением толщинслоев в бинарных гетероструктурах;3) Получены численные оценки влияния упругих деформаций материалов слоев на частотыполярных оптических фононов;4) Предложен новый метод учета влияния буферных слоев на частоты полярных оптическихфононов в СР и МКЯ;5) Предложена новая модель учета диффузии атомов на плоской гетерогранице.Научная и практическая ценностьПоказана перспективность анализа спектров КРС в области полярных оптическихфононов для определения и количественной оценки геометрических особенностей выращенныхСР и МКЯ.
Показано, что частотное положение спектральных линий и их интенсивности несутважную информацию о толщинах слоев, их числе, качестве интерфейсов, наличии и величинеупругих напряжений. Полученные в работе количественные корреляции позволяют изнаблюдаемыхспектров КРСполучатьколичественные оценкиважныхструктурныххарактеристик слоистых гетероструктур, таких как толщины слоев, степень размытостиинтерфейса и величины упругих деформаций. Установленные в работе общие свойстварешений уравнений МДК позволяют значительно упростить процедуру расчёта частотнормальных колебаний.Положения, выносимые на защиту1) Общим свойством пространственного распределения поляризации, индуцированнойполярными интерфейсными фононами в произвольной плоской гетероструктуре, являетсяодновременное равенство нулю средних вдоль направления, перпендикулярного плоскостиинтерфейса, значений компоненты электрического поля в направлении, перпендикулярном кинтерфейсам, и компоненты вектора электрического смещения в плоскости интерфейса.Использование этих положений значительно упрощает процедуру решения уравнений,описывающих в приближении диэлектрического континуума спектр полярных фононов впроизвольной плоской гетероструктуре..72) Упругие деформации, возникающие в слоях СР GaN/AlN из-за рассогласованияпараметров кристаллической структуры, слабо влияют на частоты полярных оптических модсимметрии А(ТО) и E(LO), в которых смещения атомов в соседних слоях синфазны, и сильновлияют на моды с антифазными атомными смещениями.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
