Автореферат (1150800), страница 2
Текст из файла (страница 2)
S. Grigoryev, O. A. Yugov, S. A. Eliseev, Y. P. Efimov, V. A. Lovtcius,V. V. Petrov, V. F. Sapega, I. V. Ignatiev, «Inversion of Zeeman splitting ofexciton states in InGaAs quantum wells» // Phys. Rev. B. — 2016. May. — Vol.93. — p. 205425.2. E.
S. Khramtsov, P. A. Belov, P. S. Grigoryev, I. V. Ignatiev, S. Y. Verbin,Y. P. Efimov, S. A. Eliseev, V. A. Lovtcius, V. V. Petrov, S. L. Yakovlev, «Radiativedecay rate of excitons in square quantum wells: Microscopic modeling andexperiment» // Journal of Applied Physics. — 2016. — Vol. 119, no. 18.3. P. Grigoryev, A. Kurdyubov, M. Kuznetsova , I. Ignatiev, Y.
Efimov, S. Eliseev,V. Petrov, V. Lovtcius, P. Shapochkin, «Excitons in asymmetric quantum wells»// Superlattices and Microstructures. — 2016. — Vol. 97. — P. 452 – 462.4. P. S. Grigoryev,O. A. Yugov,V. F. Sapega,V. V. Petrov,Y. P. Efimov,Y. K. Dolgikh, S. A. Eliseev, I. V. Ignatiev, «Light-hole-induced change of excitong-factor in quantum well» // 21st international symposium "Nanostructures:physics and technology". — 2013.5.
Ф. С. Григорьев, Ю. П. Ефимов, С. А. Елисеев, И. В. Игнатьев, В. А. Ловцюс,В. В. Петров, А. В. Трифонов, «Экситоны в совершенных гетероструктурах:эксперимент и теория» // XII всероссийская конференция по физике полупроводников "Полупроводники 2015". — 2015.6. P. S. Grigoryev, A. S. Kurdyubov, Y. P. Efimov, S.
A. Eliseev, V. A. Lovtcus,V. V. Petrov, I. V. Ignatiev, «Microscopic modeling ofexciton spectra inasymmetric quantum wells» // V international scientific conference STRANN.— 2016.7. P. S. Grigoryev, A. S. Kurdyubov, M. S. Kuznetsova, Y. P. Efimov, S. A. Eliseev,V. A. Lovtcus, V. V. Petrov, I. V. Ignatiev, «Exciton resonances in asymmetric8quantum well» // 24th international symposium "Nanostructures: physics andtechnology". — 2016.Содержание работыСтруктура работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, изаключения. Полный объем диссертации 107 страниц текста с 20 рисункамии 6 таблицами. Список литературы содержит 124 наименования.Во введении обосновывается актуальность исследований, проводимых врамках настоящей диссертационной работы, формулируется цель, ставятся задачи работы, сформулированы научная новизна и практическая значимость представляемой работы.Первая глава посвящена обзору научной литературы по изучаемой проблеме.
Обзор разделён на две части. Первая часть посвящена исследованию экситонов в объёмных полупроводниках. Вторая часть рассматривает исследования экситонов в квантовых ямах. Такое деление продиктовано историческимразвитием исследований экситонов в полупроводниках от объёмных материаловк тонким кристаллам, квантовым ямам и другим объектам пониженной размерности. Анализ литературных данных показал, что экситоны в квантовых ямахисследовались в предельных случаях, позволяющих применять относительнопростое теоретическое описание. Это относится как к ширине квантовых ям, таки к величине прикладываемых магнитных полей. Экситоны в предельно узкихили предельно широких квантовых ямах, изучены гораздо лучше чем экситоныв ямах промежуточной ширины сравнимой с боровским радиусом экситона.
Тоже касается исследованию экситонов в магнитном поле. Эффекты в малых магнитных полях можно рассматривать в рамках теории возмущений, в то времякак для магнитных полей, для которых выполняется критерий Эллиотта-Лудона,применима модель диамагнитного экситона. Экситоны в переходных магнитныхполях мало изучены из-за трудностей, возникающих при теоретическом описании таких систем. Поэтому задачей настоящей работы является экспериментальное исследование и теоретическое описание экситонов в квантовых ямахпромежуточной ширины и в переходных магнитных полях.Вторая глава посвящена исследованию зеемановских расщеплений основного и нескольких возбуждённых состояний размерного квантования экситона в квантовых ямах InGaAs/GaAs.
Описано исследование квантовых ям различной ширины, в том числе, промежуточной, сравнимой с несколькими боровскими радиусами экситона. В первом разделе главы представлены детали экспериментального измерения -факторов экситонов в квантовых ямах по спектрам люминесценции.
Приведены спектры люминесценции исследуемых гете-9ФЛ149450000Энергия, мэВобразца P554 как функция магнитного поля в левоциркулярной1492( − ) и правоциркулярной ( + )6149054321148814861484Рис. 1: Спектры люминесценцииполяризациях при = 5 . По10000ложительные значения магнит-5000так и влево от нулевой отметки. Интенсивность люминесценции обозначена цветом. Стрелки1000320121Магнитное поле, Тл3ного поля отложены как вправос номерами соответствуют уровням размерного квантования вквантовой яме.роструктур и продемонстрирована инверсия -фактора экситона, вызванная перенормировкой -фактора дырки в полупроводниковой гетероструктуре.
Рисунок 1 показывает спектры люминесценции квантовой ямы шириной 87 нанометров при приложении магнитного поля вдоль оси роста гетероструктуры вдиапазоне 0÷3 Тл. Каждый уровень размерного квантования образует параболическую кривую на этом рисунке.
Эта кривая асимметрична в меру величины -фактора соответствующего состояния. Асимметрия снижается с ростом номера уровня размерного квантования, то есть величина -фактора уменьшается. Вэтой главе диссертации показано, что асимметрия обусловлена перенормировкой -фактора и объясняется различной величиной смешивания наблюдаемыхсостояний экситонов с тяжёлой дыркой с состояниями экситонов с лёгкой дыркой.Во втором разделе главы описан теоретический подход, применённый длярасчёта волновых функций и энергий экситонов в квантовой яме в присутствиимагнитного поля. Представлен гамильтониан, описывающий все значимые взаимодействия в системе, и, в общих чертах, описана процедура решения стационарного уравнения Шрёдингера с представленным гамильтонианом.
В третьемразделе главы подробно описана процедура решения уравнения Шрёдингера,состоящая из двух этапов. Первый этап заключается в численном решении задачи на собственные значения с базовым гамильтонианом, обладающим цилиндрической симметрией. В результате этого этапа получен ограниченный базисэкситонных состояний, состоящий из волновых функций состояний экситоновс тяжёлой дыркой и экситонов с лёгкой дыркой. Второй этап состоит в учётеэффектов смешивания экситонов с тяжёлой дыркой и экситонов с лёгкой дыр-10кой. Для этого был диагонализован полный гамильтониан задачи, определённыйв матричной форме на ограниченном базисе, полученном в результате первогоэтапа решения задачи.нм рассч.33 нм40 нм45 нм87 нм рассч.87 нм4без смешиванияs-p смешиваниеs-p и s-d смешиваниеэксперимент0332факторфактор экситона2g-−20−24 нмнм10 нм12 нм7−4g-−4−6−6012Номер уровня340.5Волновой вектор (10 см )11.52656Рис.
2: Экспериментально полученные значения -фактора экситонов при =1 Тл как функция номера уровня для 87нанометровой квантовой ямы в образцеP554 (синие точки). Серые и голубые круги – результаты расчётов без учёта и сучётом смешивания лёгких и тяжёлых дырок, соответственно. Вклад только от s-pсмешивания показан пустыми квадратами.2.53-1Рис. 3: Значения -фактора экситонов в зависимости от эффективного волнового вектора дырки * . Для квантовых ям шириной87, 45, 40 и 33 нм показаны -факторы основного и возбуждённых состояний. Красные пустые треугольники и голубые кружки показывают результат численного моделирования -факторов для ям шириной 33и 87 нм, соответственно. Пунктирная линия— подгонка экспериментальных данных линейной зависимостью ex = κ* + 0 с параметрами: κ = (3.5 ± 0.1) × 10−6 см, 0 =−6.6 ± 0.2.В результате решения уравнения Шрёдингера с учётом смешивания состояний экситонов с тяжёлыми дырками и экситонов с лёгкими дырками получены энергии этих состояний и соответствующие значения -фактора экситонныхсостояний, наблюдаемых в эксперименте.На рисунке 2 представлены в сравнении экспериментально полученные ирассчитанные теоретически значения -факторов экситона для разных уровнейразмерного квантования в квантовой яме шириной 87 нм.
Цилиндрическая симметрия основного гамильтониана позволяет разделить состояния экситонов попроекции орбитального углового момента на ось перпендикулярную плоскостиквантовой ямы (s-подобные, p-подобные, d-подобные, и т. д. состояния). Такоеразделение позволяет представить вклад от смешивания наблюдаемых экситонных состояний с тяжёлой дыркой (s-подобных) с p-подобными экситоннымисостояниями с лёгкой дыркой отдельно от полного эффекта (см. рис.
2).11В этой главе также описаны результаты исследования расщеплений экситонных состояний в магнитном поле в квантовых ямах шириной 4, 7, 10, 12, 30,35 и 40 нм (приведены на рисунке 3). Численное моделирование, проведённоедля квантовой ямы шириной 30 нм, показало хорошее согласие с экспериментом.На рисунке 3 величины -факторов экситона построены в зависимости от эффективного волнового вектора дырки. В приведённом диапазоне волновых векторовэкспериментальные данные для ям различной ширины хорошо ложатся на одну прямую, что показывает универсальный характер зависимости -фактора отволнового вектора.ΓℏΓ , мкэВ4010002050X3Тл3 Тл60X4101050149414961498Энергия, мэВX20200X2Тл1492X10ΓℏΓ , мкэВКоэффициент отраженияX1X3024Магнитное поле, Тл60X4024Магнитное поле, Тл6Рис.
5: Скорость радиационного распада экситона дляРис. 4: Спектры отражения кван-первых четырёх состояний в 95-нанометровой кванто-товой ямы InGaAs/GaAs ширинойвой яме как функция магнитного поля. Красные круж-95 нм в магнитном поле до 6 Тл вки – данные выделенные из эксперимента. Пустые+циркулярной поляризации (ниж-кружки – численно рассчитанные скорости радиаци-няя по энергии ветвь). Красныеонного распада. Пунктирные линии – подгонка по еди-кривые — подгонка феноменологи-ной для всех состояний формуле с единственным под-ческой формулойгоночным параметром.Третья глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию взаимодействия экситона со светом, в частности тому, как это взаимодействие изменяется в присутствии магнитного поля.
В первой части представлены результаты расчёта скорости радиационного распада экситона в квантовыхямах GaAs/Al0.3 Ga0.7 As. Скорость радиационного затухания экситона, в дополнение к микроскопическому расчёту, была рассчитана с использованием двухмоделей, допускающих аналитическую запись волновой функции: модели экситона в широкой квантовой яме и модели квазидвумерного экситона.
Сравнениерезультатов трёх расчётов позволило установить границы применимости ана-12литических моделей для расчёта скорости радиационного распада экситона. Вовторой части главы приведены результаты теоретического расчёта и экспериментальных измерений скорости радиационного распада экситона как функциимагнитного поля. Для этого были экспериментально измерены спектры отражения в различных магнитных полях и произведена их подгонка с помощьюобобщённой феноменологической модели, описанной в диссертации. Примеризмеренных спектров и их подгонки приведен на рисунке 4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
