Диссертация (1149550)
Текст из файла
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯСАНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиПанькин Дмитрий ВасильевичИсследование полярных оптических фононов в слоистых гетероструктурах.01.04.07 – физика конденсированного состоянияДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительдоктор физико-математических наук, профессорСмирнов Михаил БорисовичСанкт-Петербург20182Содержание………………………………………………………………………2Введение…………………………………………………………………………..4Глава 1.
Слоистые гетероструктуры………………………………………...141.1 Свойства и применения слоистых гетероструктур………………141.2 Выводы к главе 1….…………………………………………………...22Глава 2. Экспериментальные исследования слоистых гетероструктурметодом спектроскопии комбинационного рассеяния света..……………232.1Обзорэкспериментальныхисследованийспектровкомбинационного рассеяния света в слоистых гетероструктурах..…232.2 Описание установки и экспериментальной методики регистрацииспектров комбинационного рассеяния света………..………………….282.3 Выводы к главе 2………………………………………………………33Глава 3.Методы интерпретации и моделирования спектровкомбинационного рассеяния света гетероструктур……………………….343.1 Дискретный подход…………………………………………………...343.2 Континуальные модели……………………………………………….353.2.1 Модель упругого континуума………………………………..363.2.2 Модель механического континуума………………………...373.2.3 Модель диэлектрического континуума…………………….423.3 Выводы к главе 3………………………………………………………44Глава 4.
Общие свойства решений уравнений модели диэлектрическогоконтинуума для плоских гетероструктур ………………..…………………454.1 Применение модели диэлектрического континуума к планарнойслоистой гетероструктуре……………………………………………….454.1.1 Модельные структуры………………………………………494.1.2 Проивольная планарная гетероструктура………………...524.2 Свойство 1…………………………………………………………….564.3 Свойство 2…………………………………………………………….594.4 Выводы к главе 4………………………………………………………613Глава 5. Модель диэлектрического континуума: полярные фононы вслоистых гетероструктурах из изотропных материалов…………………635.1 Изолированный гетеропереход……………………………………….635.2 Одиночная квантовая яма……………………………………………..715.3 Сверхрешетки………………………………………………………….765.4 Выводы к главе 5………………………………………………………..85Глава 6. Модель диэлектрического континуума: полярные фононы вслоистых гетероструктурах из анизотропных материалов……………...876.1 Изолированный гетеропереход из анизотропных материалов…….876.2 Одиночная квантовая яма из анизотропных материалов…………..926.3 Сверхрешетки из анизотропных материалов……………………...986.4 Применение модели диэлектрического континуума к тонкослойнымвюрцитным сверхрешеткам GaN/AlN…………………………………...1056.5 О возможности определения периода сверхрешеток GaN/AlN порасщеплению делокализованных мод…………………………………….1096.6 Выводы к главе 6………………………………………………………114Глава 7.
Влияние упругих деформаций на частоты делокализованныхоптических фононов в сверхрешетках GaN/AlN………………………….1167.1 Упругие деформации слоев в вюрцитных сверхрешеткахGaN/AlN…………………………………………………………………..1167.2 Выводы к главе 7……………………………………………………..123Глава 8. Влияние буферных слоев на частоты делокализованныхоптических фононов…………………………………………………………..1248.1 Случай вюрцитных множественных квантовых ям GaN/AlN…...1248.2 Выводы к главе 8……………………………………………………..137Глава9.Влияниеразмытостиинтерфейсовначастотыделокализованных оптических фононов…………………………………..1399.1 Случай вюрцитных сверхрешеток GaN/AlN……………………….1399.2 Выводы к главе 9……………………………………………………..146Основные результаты и выводы……………………………………………147Список использованной литературы ……………………………………...1504ВведениеАктуальность исследования.В настоящее время слоистые гетероструктуры широко используются вкачестве ключевых элементов разных оптоэлектронных приборов.
Вчастности, они применяются в лазерной технике, способной работать втерагерцевом диапазоне, а так же для регистрации инфракрасного (ИК)излучения в окнах атмосферной прозрачности. Устройства со слоистымигетероструктурами на межподзонных переходах, работающие в ИК-области,нашли применение в качестве газовых детекторов, индикаторов открытогогорения, детектирования военных целей, излучающих в ИК-диапазоне, и вастрономии.Кгетероструктурперспективнымотносятсясоответствующихобластямприменениятелекоммуникацияатмосфернымокнамвслоистыхобластипрозрачности,частот,неинвазивнаядиагностика заболеваний (например, по степени нагрева и по концентрациивыдыхаемыхчеловекомгазов),ведениемедицинскихоперацийсприменением ИК-видения, разработка телеметрических систем с высокимтемпературнымразрешением.Однимиизважнейшихтехническиххарактеристик, которые необходимы для работы таких приборов, являютсякомпактность и возможность работы при комнатных рабочих температурах.Решение данных задач включает и разработка новых типов материалов.Широкому применению гетероструктур способствовали следующиефакторы: развитие методов роста (таких как молекулярно пучковаяэпитаксия(МПЭ)игазофазнаяэпитаксияизметалл-органическихсоединений (ГФЭМОС), совершенствование экспериментальных методовисследованияисточниковтеоретическихвыращенныхизлучения,методовструктуроптических(детектирующейматериаловисследованияиаппаратуры,т.д.),развитие(квантовомеханическихиполуклассических модельных подходов).К числу перспективных материалов для создания оптоэлектронныхприборов относятся нитридные полупроводники типа A3B5.
Среди них5особое место занимает пара материалов GaN и AlN. Удачное сочетаниеширин запрещенных зон в данных материалах позволяет создаватьгетероструктуры, работающие в диапазоне от ИК (гетероструктуры намежподзонных перехода) до сине-зеленой и ультрафиолетовой (УФ)областей (для гетероструктур на междузонных переходах). Большие энергиифононов в нитридных материалах (по сравнению с гетероструктурами набазе арсенидных материалов) значительно понижают вероятность рассеянияносителейнапродольныхоптическихфононах.Большиеширинызапрещенных зон позволяют использовать данные материалы в устройствах,работающих при высоких напряжениях и температурах.Данные материалы уже находят применение в светоизлучающихсветодиодахилазерах.Темнеменее,существуюттрудноститехнологического характера. Одной из главных проблем при ростенитридныхгетероструктурпостоянныхрешетокявляетсясамихсущественноенитридныхрассогласованиематериаловиматериалов,используемых в качестве подложек.
Релаксация напряжений приводит кросту структур с дислокациями и остаточными деформациями в слоях. Поискусловий роста с минимально дефектной структурой требует подборасоответствующих условий роста, который невозможен без анализа структурвыращенныхобразцов.Методом,чувствительнымкособенностямвыращенных структур, может служить спектроскопия комбинационногорассеяниясвета(КРС).Оназарекомендоваласебявкачествечувствительного, бесконтактного, точного и неразрушающего метода анализакак структуры объемных материалов, так и структур с пониженнойразмерностью, например, квантовых ям и сверхрешеток, квантовых нитей,квантовых точек и др.Частоты и интенсивности спектральных линий, наблюдаемых в спектрахКРС, содержат богатую информацию о структуре образца, о характеремежатомных и электрон-фононных взаимодействий.
Однако, эффективноеиспользование этой информации возможно лишь при наличии схемы6отнесения наблюдаемых в спектре линий конкретным типам колебаний техилииныхструктурныхфрагментов.Такоеотнесениеможетбытьустановлено только при сопоставлении экспериментальных данных срезультатами расчетов по динамике решетки. Особенности строенияполупроводниковых гетероструктур (низкая симметрия, большое числоатомов) исключают возможность использования подходов, используемых висследованиях объемных кристаллов, основанных либо на классическихмоделях с эмпирическими потенциалами межатомных взаимодействий, либона квантово-механических расчетах из первых принципов.
Поэтому втеоретическихисследованияхфононоввгетероструктурахширокоеприменение нашли континуальные модели, в которых области однородности,заполненныеразличнымиполупроводниковымиматериалами,рассматриваются в приближении сплошной среды. В применении коптическимполярнымфононамтакойподходназываютмодельюдиэлектрического континуума (МДК). В целом ряде работ этот подходуспешноприменялсяразнообразныхдлямоделированиягетероструктурах.Однако,фононныхмногиесостоянийважныеваспектыколебательной динамики слоистых гетероструктур до сих пор осталисьнеизученными.В данной работе показано, что подход, основанный на примененииМДК, можно успешно применять для оценки влияния разных структурныхфакторов на частоты фононов и, таким образом, установить практическиважные корреляции «структура-спектр» для ряда слоистых гетероструктурсостава GaN/AlN.Цели и задачи работы.Врамкахданнойработыставиласьзадачаизучениявлиянияструктурных факторов на спектры полярных оптических фононов в слоистыхгетероструктурах.
В качестве объекта исследования были выбраны такиепрактически важные структуры как множественные квантовые ямы (МКЯ) и7сверхрешетки (СР). В качестве экспериментального метода регистрацииполярных оптических фононов была выбрана спектроскопия КРС, а длятеоретического описания данного типа фононов выбрана МДК. Средиструктурных факторов, влияющих на частоты полярных оптических фононовв слоистых гетероструктурах, в рамках данной работы были выделеныследующие: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 исследования роли различных структурных факторов, цельюработы был общий анализ решений уравнений МДК и вывод соотношений,значительно облегчающих процедуру расчета.Для достижения поставленных целей в данной работе были решеныследующие задачи:1) изучить влияние соотношения толщин слоев на спектры полярныхоптических фононов в СР,2) изучить влияние периода СР на поведение полярных оптическихфононов в широком диапазоне толщин слоев,3) оценить возникающие деформации и ихвлияние на частотыполярных оптических фононов,4) оценить влияние буферных слоев на частоты полярных оптическихфононов в МКЯ, и изучить поведение фононного спектра при постепенномувеличении числа слоев, то есть при переходе МКЯ в СР,5) оценить влияние диффузии атомов и модернизировать модель длявозможности учета несовершенства гетерограниц,6) определить степень влияния приведенных факторов на различныетипы мод и сделать вывод о чувствительности различных фононных мод и8соответствующихспектральныхлинийдляоценкигеометрическихособенностей выращенной гетероструктуры.Научная новизна1)Выведеныновыесоотношения, определяющиеобщиесвойстварешений уравнений МДК для произвольной слоистой гетероструктуры;2)Установлена зависимость между частотами полярных фононов исоотношением толщин слоев в бинарных гетероструктурурах;3)Получены численные оценки влияния упругих деформаций материаловслоев на частоты полярных оптических фононов;4)Предложен новый метод учета влияния буферных слоев на частотыполярных оптических фононов в СР и МКЯ;5)Предложена новая модель учета диффузии атомов на плоскойгетерогранице.Практическая значимость.Показана перспективность анализа спектров КРС в области полярныхоптическихфононовдляопределенияиколичественнойоценкигеометрических особенностей выращенных СР и МКЯ.
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}
