Введение к работе
Актуальность темы Исследование экситонпых состояний в системах пониженной размерности ( квантовых ямах, квантовых проволоках, квантовых точках и сверхрешетках ) занимает одно из центральных мест в физике конденсированной среды. Это обусловлено возросшей практической важностью таких систем для микроэлектронных технологий и внутренней логикой развития физических исследований. Оптические и фотоэлектрические свойства низкоразмерных структур оказываются весьма нетривиальными и открывают довольно заманчивые перспективы приложений. Например, кажется довольно привлекательным создание на их базе новых быстродействующих элементов микроэлектроники, имеющих существенные преимущества по сравнению с существующими сейчас. В настоящее время активно разрабатываются новые типы люмияесцирующях экранов, солнечных батарея, различного рода. фотодетекторы и фотоумножители. Экситонные состояния предста-" вляют интерес, поскольку они играют существенную роль в кинетических явлениях - люминесценции, поглощении света, генерации лазерного излучения, фотопроводимости, теплопроводности и хемосорбций, в различных явлениях, связанных с неравновесными носителями тока.
В последнее время значительный интерес вызывают кваэидвумерные электронно-дырочные системы в квантовых ямах, квантовых точках и сверхрешетках. Экспериментальные данные указывают на существенную необходимость учета электронно-дырочного взаимодействия при описании кинетических явлений в этих ситемах. В результате притяжения электрона и дырки, расположенных в одной квантовой яме, образуются связанные бестоковые состояния электрона ( е ) и дырки ( h ) - прямые экситоны. Кулоновское взаимодействие электрона и дырки, расположенных в различных пространственно разделенных квантовых ямах, приводит к образованию непрямых экситонов. Непрямые экситоны являются многообещающими объектами для экспериментального изучения коллективных свойств 'экситонов. Это обусловлено тем-,
что время жизни непрямых экситонов больше времени термализации. Процесс рекомбинации, электрона и дырки в них подавлен, вследствие слабого перекрытия волновых функций электрона и дырки, локализованных в различных квантовых ямах. Скорость рекомбинации можно уменьшить включением расталкивающего-электрического поля, уменьшающего перекрытие волновых функций электрона и дырки.
Для однозначной интерпретации экспериментальных данных необходимо иметь детально разработанную теорию оптических и транспортных свойств экситонов в низкоразмерных структурах.
Цель работы.
Целью работы являлось построение последовательной микроскопической теории магнитоэкситонной люминесценции и поглощения света в одиночных и в связанных квантовых ямах и квантовых точках. Для этой цели был развит метод эффективной магнитной массы, основанный на строгом учете перенормировки эффективной массы магнитоэкситона в результате кулоновского притяжения электрона и дырки с учетом удерживающего потенциала. Далее этот метод был использован при исследовании оптических свойств магнитоэкситонов в одной и в связанных квантовых точках, а также в неоднородных к ваз и двумерных полях в связанных квантовых ямах, для изучения локализации магнитоэкситонов в связанных квантовых ямах. В приближении потенциала "жестких стенок" рассчитан спектр прямого и непрямого магнитоэкситона в идеальных квантовых ямах и квантовых точках.
Научная новизна.
рассчитан спектр прямого и непрямого экситона в магнитном поле и. в скрещенных электрическом и магнитном полях. Рассчитаны силы осцилляторов для переходов с поглощением (или излучением) электромагнитного излучения между магнитоэкситонными уровнями в связанных квантовых ямах;
рассчитан спектр примеси в связанных квантовых ямах в сильном
магнитном поле;
-рассчитаны транспортные времена релаксации и длины свободного пробега прямого и непрямого магнитоэкситона
предложен метод эффективной магнитной массы экситонз в сильном магнитном поле в квазидвумерных системах;
на основе метода эффективной магнитной массы проведен аналитический рассчет спектров магнитоэкситонного. поглощения в одиночной и в пространственно разделенных квантовых точках;
в приближении когерентного потенциала и с использованием метода реплик рассчитан коэффициент магнитоэкситонного поглощения света в квазидвумерных случайных полях;
в рамках метода эффективной магнитной массы изучена проблема локализации прямого и непрямого магнитоэкситона; ;
на основе результатов рассчета, выполнен анализ имеющихся экспериментальных данных по непрямым экситонам. Объяснено уменьшение пика экситоннои люминесценции и времени жизни прямого и непрямог» экситона в сильных магнитных полях
Практическая значимость работы.
Полученные в настоящей работе результаты дают возможность управлять спектром экситонного поглощения и люминесценции с помощью изменения параметров системы и (или) изменения внешнего поля и т.п. Полученные зависимости характеристик спектров от напряженности внешнего магнитного поля и электрического поля,.характеристик удерживающего потенциала квантовых ям и квантовых точек, качества поверхности квантовых ям открывают новые возможности для создания новых изделий микроэлектроники.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты рассчета спектра непрямого экситона в скрещенных электрическом и магнитном полях. Определение вероятности рождения непрямого магнитоэкситона и ее зависимость от электрического
5.
поля. Изучение поглощения электромагнитного излучения между уровнями непрямых магнитоэкситонов в связанных квантовых ямах.
2. Результаты рассчета спектра примеси, прямого и непрямого экс-
итона в связанных квантовых ямах в сильных магнитных полях.
-
Метод эффективной магнитной массы, учитывающий перенормировку эффективной массы прямого и непрямого магнитоэкситона в результате электронно-дырочного взаимодействия.
-
Результаты рассчета в рамках метода эффективной магнитной. массы спектра экситона, состоящего из электрона и дырки, локализованных в одной и в разных квантовых точках, в сильном магнитном поле.
5. Результаты расчета транспортных времен и длин свободного про
бега прямого и непрямого магнитоэкситона в поле случайного потенци
ала, обусловленного флуктуациями толщины квантовых ям, случайным
распределением примесных центров в квантовых ямах и флуктуациями
состава твердого раствора замещения.
6. Расчет коэффициента магнитоэкситонного поглощения света в
квазидвумерных неоднородных полях в одиночной и в связанных кван
товых ямах.
7. Результаты расчета длины локализации прямого и непрямого маг
нитоэкситона.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях и семинарах: V Международная конференция по физике и технологии тонких пленок ( Ивано-Франковск 1995 ); VI Международная конференция по физике и технологии тонких пленок ( Ивано-Франковск 1997 ); II Международная школа-конференция по физическим проблемам материаловедения полупроводников ( Черновцы 1997 ); Летняя школа-94 по теоретической физике им Л.Д. Ландау ( Черноголовка, 1994 ); а также ряде других семинаров и конференций
в МИСИС, ИСАИ.
Основные результаты настоящей работы опубликованы в 6 статьях, список которых приведен в конце автореферата.
Стуктура и объем диссертации.
Материал диссертации изложен на 10. страницах машинописного текста, содержит 15 рисунков, библиография 103 наименования. Диссертационная работа состоит из 4 глав, выводов, заключения и списка литературы.
