Диссертация (1150801), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Основные результаты работы докладывались на:1. 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 changeof exciton g-factor in quantum well», 21st international symposium”Nanostructures: physics and technology“, 24–28 June, 2013, St.
Petersburg,Russia.2. 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 всероссийскаяконференция по физике полупроводников "Полупроводники 2015 21–25сентября, 2015, Ершово, Московская область, Россия.3. P. S.
Grigoryev, A. S. Kurdyubov, Yu. 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,April 26–29, 2016, St. Petersburg, Russia.4. P. S. Grigoryev,S. A. Eliseev,A. S. Kurdyubov,V. A. Lovtcus,M. S. Kuznetsova,V. V. Petrov,Yu.
P. Efimov,I. V. Ignatiev,«Excitonresonances in asymmetric quantum well», 24th international symposium”Nanostructures: physics and technology“, June 27 – July 1, 2016, St.Petersburg, Russia.Личный вклад. Автором работы были получены практически все представленные в работе экспериментальные данные. Автор принимал активноеучастие в создании экспериментальных установок, а также в разработке дизайна, характеризации и отборе исследуемых образцов. Автором лично разработаны программы для численного моделирования структуры экситонныхсостояний и проведены соответствующие расчеты.Помимо этого автор обрабатывал представленные экспериментальные данные и участвовал в написании статей для научных журналов.9Публикации.
Основные результаты по теме диссертации изложены в 7печатных изданиях [1–7], 3 из которых изданы в журналах, включённых всистему цитирования Web of Science [1–3], 4 — в тезисах докладов [4–7].Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырехглав и заключения. Полный объем диссертации составляет 107 страницыс 20 рисунками и 6 таблицами. Список литературы содержит 124 наименований.ГЛАВА 1Литературный обзорОткрытие экситона.
Первые магнитооптические исследования, исследованияформы спектров отражения и силы осциллятора экситонаСразу после открытия экситона в кристалле закиси меди [8] исследованияв магнитном поле заняли особое место в исследованиях экситона. Ключевымаргументом в пользу того, что наблюдаемая серия линий вблизи края поглощения кристалла относится именно к экситонным состояниям, а не обусловлена переходом локализованных на примесях носителей заряда, было характерное смещение исследуемой серии линий в магнитном поле [9].
Такоесмещение обусловлено диамагнитным сдвигом энергии экситонного состояния в магнитном поле и напрямую связано со средним расстоянием междуэлектроном и дыркой. Недавние исследования в электрическом и магнитномполях позволили изучить тонкую структур возбужденных состояний экситона в этом материале [10, 11]В объёмных кристаллах для световых волн вблизи энергии экситонного резонанса возникают, так называемые, добавочные волны.
В отличие отобыкновенного двулучепреломления, добавочные волны вызваны не анизотропией тензора диэлектрической проницаемости, а нелокальностью откликакоторую вносит экситон. Под нелокальностью понимают зависимость тензора диэлектрической проницаемости, , не только от длины волны света, ,но и от волнового вектора световой волны. Резонансное свето-экситонноевзаимодействие приводит к антипересечению в дисперсии световой волны вкристалле (), таким образом, в кристалле одновременно распространяются как минимум две волны.
Добавочные волны возможно наблюдать в эксперименте [12]. Если поляризованный вдоль одной из осей анизотропии свет1011с энергией чуть выше экситонного резонанса пустить через кристалл, то вкристалле будут распространяться несколько волн с различными волновымивекторами, при этом не связанных с двулучепреломлением. Площадь экситонной линии поглощения в таком эксперименте будет зависеть от толщиныисследуемого кристалла из-за интерференции распространяющихся волн.Одновременно с развитием теории добавочных волн в кристаллооптикебыли опубликованы схожие по тематике работы Томаса и Хопфилда [13, 14]по влиянию пространственной дисперсии на спектры отражения в кристаллах CdS.
Они покрывают большой диапазон экспериментальных наблюденийот простых наблюдений экситонных спектров [15] до измерений -факторовсвязанных экситонов [16, 17]. Экспериментальное исследование добавочныхволн привело к наблюдению экситонных поляритонов в спектрах отражениятонких слоев CdSe Разбириным и Уральцевым [18]. В этой работе исследовались тонкие слои кристалла CdSe с минимальной толщиной 0.25 мкм. Вкристалле такой толщины экситонные поляритоны испытывают размерноеквантование, которое выражается в значительной модуляции коэффициентаотражения вызванное интерференцией добавочных волн в кристалле и световых волн вне его.Исследование особенностей экситона в кристаллах GaAs с учётом сложнойвалентной зоны относится к 70-м годам [19–23].
Эти исследования в частности покрывают и эффекты в магнитном поле [24]. В этих исследованиях дляописания сложной валентной зоны, образованной p-орбиталями атомов арсенида галлия, используется гамильтониан Латтинджера, или более общийгамильтониан Латтинджера-Кона. Гамильтониан, описывающий валентнуюзону кристалла со структурой цинковой обманки был получен из соображений симметрии и описан в работах [25, 26].Исследования в очень больших магнитных полях, удовлетворяющих критерию Эллиотта-Лудона, посвящены так называемому диамагнитному экситону. Это предельное состояние экситона в магнитных полях при которыхэнергия уровней Ландау несвязанных электрона и дырки превосходит энергию связи экситона в исследуемом полупроводнике.
Теория диамагнитногоэкситона игнорирует кулоновское взаимодействие между электроном и дыркой в плоскости перпендикулярной направлению магнитного поля, или учи-12тывает его в виде поправок. Экситон при таких условиях становится почтиодномерным. Энергия связи такого диамагнитного экситона значительно повышается. Это позволяет наблюдать диамагнитные экситоны в узкозонныхполупроводниках с малой энергией связи, таких как InSb, InAs и HgCdTe.В кристалле PbTe энергия связи экситона в котором не превышает нескольких десятков мкэВ, даже очень малое магнитное поле настолько увеличиваетэнергию связи, что при температуре жидкого гелия (4.2 К) экситон можетуверенно наблюдаться. Измерение диамагнитного экситона в PbTe позволилоуточнить эффективные массы электрона и дырки в этом материале [27].
Подробно с историей исследований и основными особенностями диамагнитногоэкситона можно ознакомиться в обзоре [28] и монографии [29].Исследования диамагнитных экситонов в узкозонных полупроводникахсвязаны также с исследованиями силы осциллятора экситона в магнитномполе, поскольку экспериментально наблюдаемое увеличение энергии связив квазиодномерном экситоне при высоких магнитных полях сопровождается увеличением площади линии поглощения и, соответственно, увеличениемсилы осциллятора. Также как и исследования энергии диамагнитного экситона, большинство исследований силы осциллятора экситона в объёмных полупроводниках носило качественный характер.
Одним из таких исследованийявляется исследование экранирования экситонных состояний при увеличении концентрации носителей в кристалле [30] в результате мощной нерезонансной накачки в зону поглощения. Количественное исследование силы осциллятора путём определения площади под линией поглощения экситона ввысококачественных кристаллах является нетривиальной задачей, поскольку для экситонного поглощения требуется наличие нерадиационного распадараспада экситона. В работе [31] указано, что при скорости нерадиационногораспада Γ → 0 экситонная линия поглощения исчезает. Возникает парадоксальная ситуация, когда для достоверного определения силы осциллятораэкситона по спектру поглощения приходится изучать неидеальный кристалл,в котором полная ширина экситонной линии существенно превышает радиационную ширину.13Магнитооптические исследования силы осциллятора экситона в квантовыхямахС развитием технологии молекулярно-пучковой эпитаксии в конце 70-хгодов появляются исследования экситонов в квантовых ямах [32–34].
Одноиз первых наблюдений возбуждённых состояний экситона в квантовой ямеописано в работе [32]. Исследовались спектры возбуждения люминесценцииквантовых ям GaAs/AlGaAs шириной от 4.2 до 10 нм. В полученных спектрах наблюдаются пики, связанные с переходами в основные состояния экситона с тяжёлой дыркой и с лёгкой дыркой. Также наблюдалась особенность,связанная с 2s состояниями этих экситонов, сливающаяся с вышележащимивозбуждёнными водородоподобными состояниями.В работе [33] представлены результаты наблюдения возбуждённых уровней размерного квантования в квантовых ямах CdTe/CdZnTe шириной 50и 100 нм. В спектрах наблюдается ряд особенностей на высокоэнергетическом краю линии люминесценции из основного состояния, которые приписаны возбуждённым уровням размерного квантования экситона.
Для объяснения нетривиального соотношения интенсивностей линий, относящихся кпереходам с четных и нечетных состояний, авторы вывели выражения длявероятностей соответствующих переходов, опирающиеся на золотое правило Ферми. Мы вернемся к этому вопросу при обсуждении силы осциллятораэкситонного перехода в главе 2. Можно считать, что в работе [33] впервые обсуждается зависимость взаимодействия экситона со светом от ширины квантовой ямы.Исследование спектров люминесценции и отражения широких квантовыхям GaAs/AlGaAs (150, 200 и 600 нм) представлено в работе [34].
Образцы были выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии. В качестве барьеров, помимо слоёв тройного раствора Al0.3 Ga0.7 As, были также использованыпоследовательности чередующихся квантовых ям GaAs/AlAs и короткопериодные сверхрешётки того же состава, такие что среднее значение концентрации алюминия было 30 %. В спектрах отражения для наиболее широкойквантовой ямы наблюдаются квазипериодические осцилляции, расположенные по энергии выше экситонного резонанса. В спектрах люминесценции это-14го образца наблюдается единственная линия свободного экситона. Для образца с квантовой ямой шириной 200 нм квазиосцилляции в спектре отражениясоответствуют дополнительным пикам в спектре люминесценции на высокоэнергетичном склоне основной экситонной линии. Наблюдаемые квазиосцилляции объясняются взаимодействием со светом возбуждённых состоянийразмерного квантования экситонного поляритона в исследуемой квантовойяме.
С уменьшением ширины квантовой ямы энергетический зазор между осцилляциями растёт. При этом положение минимумов в спектрах отраженияхорошо согласуется с положением состояний размерного квантования центра масс экситона в квантовых ямах с учётом наличия мёртвого слоя и странсляционной массой экситона = 0.49 0 . Спектры отражения былисмоделированы с использованием метода матриц переноса и с учётом сложной дисперсии экситонных поляритонов в квантовых ямах для трёх различных дополнительных граничных условий. Сравнение результата моделирования с экспериментальными спектрами показало, что наиболее точно эксперименту соответствуют смоделированные спектры с граничными условиямиПекара, предполагающими нулевое значение поляризации на границе квантовой ямы.
Следует отметить, что для спектров отражения квантовых ямGaAs/AlGaAs трудно получить хорошее соответствие с экспериментом из-засложной структуры валентной зоны. В широкой квантовой яме, где эффектразмерного квантования слабо расщепляет подзоны лёгких и тяжёлых дырок, в спектре отражения лёгкодырочные поляритонные особенности накладываются на тяжёлодырочные особенности, что затрудняет как моделирование, так и интерпретацию получаемых экспериментально спектров. Квантовые ямы InGaAs/GaAs, исследуемые в настоящей работе, лишены такогонедостатка благодаря дополнительному отщеплению зоны лёгких дырок изза встроенного в квантовую яму напряжения.В работе Тредикуччи и др. [34] была проанализирована также температурная зависимость спектров отражения от широких квантовых ям.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
