Плазменные волны в двумерных электронных системах с периодическим потенциалом в условиях воздействия постоянного и высокочастотного электрических полей Кубракова, Екатерина Сергеевна

Введение к работе

Актуальность темы. В последнее время внимание многих исследователей обращено к коллективным явлениям в низкоразмерных системах, и в частности, к процессам распространения в них плазменных волн. Интерес к изучению плазменных возбуждений в низкоразмерных электронных системах объясняется возможными приложениями в электронных приборах, работающих в терагерцовом диапазоне [1]. Плазмоны находят применение при создании миниатюрных, перестраиваемых спектрометров и детекторов миллиметрового излучения [2]. Существует целый ряд классических и квантовых экспериментов, в которых наблюдается интерференция плазменных волн [3].

Скорость двумерных (2D) плазменных возбуждений примерно на два порядка превышает максимально достижимую дрейфовую скорость электронов [4], что позволяет использовать их в качестве переносчиков электрических сигналов, что, в свою очередь, повысит быстродействие электронных устройств.

Квантовая теория плазменных волн в одномерных сверхрешетках (СР) была построена в конце прошлого века [5 - 7]. Одними из современных низкоразмерных систем, в которых возможно распространение плазменных возбуждений, являются сверхрешетки на квантовых точках (СР на КТ) различных размерностей [8, 9]. СР (в том числе и на основе 2D электронного газа) уже не только исследуются экспериментально - на их базе создан ряд электронных приборов с уникальными свойствами (лазеры, транзисторы и т.д.). Интерес к 2D структурам в первую очередь связан с практической необходимостью регулирования их частотных характеристик путем изменения параметров системы. Это обстоятельство является важным при создании различных полупроводниковых элементов электронных приборов, энергетические характеристики которых можно перестраивать, управляя тем самым их оптическими и электронными свойствами. Дополнительный периодический потенциал, созданный в 2D электронном газе, меняет свойства плазменных колебаний [10], что может приводить к проявлению необычных эффектов и должно учитываться при изготовлении оптоэлектронных приборов.

Развитие теории новых эффектов, которые, с одной стороны, могли бы лечь в основу работы приборов, основанных на СР, с другой стороны - позволили бы дать ценную информацию о параметрах полупроводниковых материалов, стимулирует теоретическое исследование воздействия различных внешних полей на плазменные возбуждения в полупроводниковых электронных системах с 2D газом со сверхструктурой (СС).

Тематика работы соответствует перечню ведущих направлений ФГБОУ ВПО «ВГСПУ». Исследование проводилось в рамках деятельности «Физической лаборатории низкоразмерных систем» при кафедре общей физики ВГСПУ (научное направление РК № 01201068025 «Физика наноструктур»). Исследования, вошедшие в диссертацию, поддержаны грантами РФФИ, Государственным научным грантом Волгоградской области и проводились в рамках программы Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы».

Цель работы: установить, провести анализ и выявить особенности закона дисперсии плазменных волн в двумерных полупроводниковых электронных системах с периодическим потенциалом в условиях воздействия высокочастотного и широкого диапазона напряженностей постоянного электрических полей.

Для достижения цели исследования поставлены и решены следующие задачи:

1. найти закон дисперсии плазменных волн в двумерных полупроводниковых сверхструктурах в присутствии высокочастотного электрического поля;

2. провести анализ закона дисперсии плазменных волн в двумерной сверхрешетке в широком диапазоне температур и напряженностей постоянного квантующего электрического поля, направленного вдоль оси сверхрешетки;

3. найти закон дисперсии связанных плазменных волн в двумерных электронных системах с различными законами дисперсии носителей заряда в условиях воздействия высокочастотного электрического поля;

4. получить и провести анализ закона дисперсии связанных плазменных волн в двумерных электронных системах с периодическим потенциалом в условиях штарковского квантования в широком диапазоне напряженностей электрического поля.

Научная новизна. В диссертации впервые:

4. 1. на основе квантовой теории плазменных волн получено уравнение для нахождения закона дисперсии плазменных волн электронного газа в двумерной полупроводниковой сверхрешетке в условиях воздействия переменного электрического поля, в пределе высоких частот закон дисперсии получен в явном виде;

   2. для широкого диапазона температур и напряженностей постоянного электрического поля, направленного вдоль оси сверхрешетки, установлено и исследовано выражение для нахождения закона дисперсии двумерного электронного газа в системе с периодическим потенциалом;

   3. в приближении случайных фаз с учетом процессов переброса установлено уравнение для нахождения закона дисперсии связанных плазменных волн в присутствии электрического поля в электронной системе, состоящей из двух двумерных электронных газов, расположенных в параллельных плоскостях, один из которых представляет собой систему с периодическим потенциалом;

   4. получено уравнение для нахождения закона дисперсии связанных плазменных волн в электронной системе, состоящей из двух 2D электронных газов в системе с периодическим потенциалом, расположенных в параллельных плоскостях в присутствии квантующего электрического поля;

   5) в случае высоких температур (А << T, где А - полуширина минизоны проводимости) и в широком диапазоне напряженностей постоянного электрического поля изучено выражение для нахождения закона дисперсии связанных плазменных волн в двух 2D электронных газах со СР.

   Научная и практическая ценность. Установленные в работе законы дисперсии плазменных волн в двумерных сверхрешетках позволяют пополнить сведения о характерных свойствах и параметрах низкоразмерных материалов наноэлектроники, что может быть использовано в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях.

   Изучение коллективных возбуждений в 2D полупроводниковых системах в условиях воздействия различных внешних полей дает информацию о частотных характеристиках системы, которую необходимо учитывать при создании новых приборов.

   В качестве объектов исследования выбраны

   4. 4. 1. двумерные полупроводниковые электронные системы с различными спектрами носителей заряда в условиях воздействия постоянного и высокочастотного электрических полей, представляющие практический интерес для микроэлектроники и оптоэлектроники (транзисторы, генераторы и детекторы излучения и т.д.);

         2. плазменные волны, имеющие приложения в квантовой оптике, используемые для передачи информации.

         Достоверность полученных результатов обеспечивается выбором адекватных физических моделей, а также использованием в работе современных, хорошо апробированных методов компьютерного моделирования и теоретической физики: метода вторичного квантования, приближения случайных фаз, аппарата специальных функций (цилиндрических, эллиптических и т. д.); непротиворечивостью выводов исследования основным физическим закономерностям, а также совпадением полученных результатов с ранее известными в предельных (частных) случаях.

         На защиту выносятся следующие положения

         4. 4. 2. 1. Уравнение для нахождения закона дисперсии плазменных волн в двумерном электронном газе со сверхструктурой в присутствии переменного электрического поля. Закон дисперсии плазменных колебаний в пределе высоких частот.

                  2. Анализ уравнения для нахождения закона дисперсии плазменных волн, распространяющихся в 2D электронном газе со сверхструктурой для широкого диапазона температур и напряженностей постоянного электрического поля. Обнаружение основной и резонансной моды плазменных волн в невырожденном 2D электронном газе СР, аналитическое выражение для частоты резонансных мод в случае высоких температур в широком диапазоне напряженности электрического поля.

                  3. Уравнение для нахождения закона дисперсии связанных плазменных волн в присутствии квантующего электрического поля в электронной системе, состоящей из двух 2D электронных газов в системе с периодическим потенциалом, расположенных в параллельных плоскостях. Закон дисперсии плазменных волн в предельном случае высоких температур и одинаковых параметров 2D структур.

                  4. Выражение для нахождения закона дисперсии связанных плазменных волн в электронной системе, состоящей из двух 2D электронных газов, расположенных в параллельных плоскостях, один из которых представляет собой систему с периодическим потенциалом, в присутствии электромагнитной волны. Закон дисперсии плазменных волн для случая, когда частота электромагнитной волны велика по сравнению с частотой связанных плазмонов.

                  5. В случае высоких температур в широком диапазоне напряженности электрического поля, на основании полученного выражения для нахождения закона дисперсии связанных волн в двух 2D электронных газах со СР выявлено расщепление собственных и резонансных частот плазменных волн на две моды, обусловленное самосогласованным взаимодействием двух 2D электронных газов со СР. Установлены условия проявления осцилляционной зависимости co(q ,Е), области одночастичных и коллективных возбуждений в двух 2D электронных газах в системе с периодическим потенциалом.

                  Апробация результатов. Основные результаты работы регулярно обсуждались на семинарах физической лаборатории низкоразмерных систем на кафедре общей физики Волгоградского государственного социально - педагогического университета, и докладывались на следующих конференциях:

                  научные конференции профессорско-преподавательского состава ВГСПУ 2009 и 2011 г. и научные конференции студентов ВГСПУ 2008 и 2009 г.;

                  XIV Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области / направление «Физика и математика» / Волгоград, 2009, 2011;

                  1. 1. 1. 1. 1. Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» («Волны 2009») / Фотонные кристаллы и метаматериалы / Москва, 2009;

                              IX международный симпозиум по фотонному эху и когерентной спектроскопии/ «Актуальные проблемы квантовой оптики. Когерентная спектроскопия и актуальные проблемы спектроскопии» /Казань, 2009;

                              Юбилейная X всероссийская молодёжная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества / направление «Проводимость и транспортные явления» / Екатеринбург, 2009;

                              XVI Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых/ направление Физика полупроводников и диэлектриков (включая наносистемы) / Волгоград, 2010;

                              1. 1. 1. 1. 2. Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» («Волны 2010») / Плазмоника / Москва, 2010;

                                          XII международная конференция «Опто-, нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы» / Нанооптика / Ульяновск, 2010;

                                          VIII Международный семинар «Физико-математическое моделирование систем» / Воронеж, 2011;
                                          

                                          XIII Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» («Волны 2011») / Волновые процессы в неоднородных средах / Москва, 2011;

                                          XXI Международная конференция «Радиационная физика твердого тела» / Радиационная физика неметаллических материалов / Севастополь, 2011;

                                          XIII Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» («Волны 2012) / Нанофотоника и плазмоника / Москва, 2012.

                                          Публикации.

                                          По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: аналитические вычисления в работах [1-14]; численные расчеты, касающиеся взятия интегралов в выражениях для закона дисперсии в [1 - 3, 6 - 9], а также численное моделирование [4 - 5, 12 - 15].

                                          Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния», а именно - пункту 4 «Теоретическое и экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений, высокотемпературной плазмы на природу изменений физических свойств конденсированных веществ».

                                          Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 188 наименований. Основная часть работы изложена на 118 страницах и содержит 9 рисунков и графиков.

                                          Похожие диссертации на Плазменные волны в двумерных электронных системах с периодическим потенциалом в условиях воздействия постоянного и высокочастотного электрических полей

                                          

                                          Волны солитонного типа в одномерных дискретных системах свободных от потенциала Пайерлса-НабарроБебихов Юрий Владимирович

                                          Процессы электрической зарядки аэрозолей при воздействии полей электромагнитной природыМихалкова, Ольга Александровна

                                          Воздействие ультразвукового поля и пониженной силы тяжести на электрофизические свойства и структуру монокристаллического арсенида галлияФицуков, Михаил Михайлович

                                          

                                          Поведение поверхностей скола щелочногалоидных кристаллов при воздействии электрического поля в области предплавильных температур Мексичев Олег Александрович

                                          Образование и пространственно-временная динамика структур в нематическом жидком кристалле при воздействии электрического поляБатыршин, Эдуард Сафаргалиевич

                                          

                                          Ультразвуковая диагностика эволюции структуры магнитной жидкости, обусловленной длительным воздействием магнитного поляЧистяков Михаил Владимирович

                                          Квантовый транспорт в микроструктурах под воздействием переменного поля и спин-орбитального взаимодействияБулгаков, Евгений Николаевич

                                          

                                          Диагностика и методы исследования фазовых и структурных превращений в многокомпонентных системах, подвергнутых воздействию температурных полей и электронной бомбардировкиТомилин Николай Алексеевич

                                          

                                          Механизмы разрушения и залечивания трещин в дефектных проводниках с током, обусловленные воздействием электромагнитного поляЛановая Анна Владимировна

                                          Особенности в поведении высокотемпературных сверхпроводников при воздействии переменных магнитных полей малой амплитудыВоронов, Александр Алексеевич