Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы наблюдается повышенный интерес к оптическим свойствам полупроводниковых наноструктур с резонансными (квазистационарными) состояниями примесных центров. Этот интерес связан с перспективой создания новых источников стимулированного излучения на примесных переходах [1]. Важным параметром, определяющим возможность получения инверсии заселенности является время жизни резонансных примесных состояний (РПС). Полупроводниковые наноструктуры представляют широкие возможности управления данным параметром, причем их оптические свойства могут зависеть не только от положения примеси относительно гетерограниц, но и от туннельной прозрачности соответствующих потенциальных барьеров. РПС в квантовых ямах проявлялись в экспериментах по рамановскому рассеянию [2], поглощению ИК-излучения [3] и фотопроводимости [4]. Необходимо отметить, что в квантовых точках (КТ) и квантовых проволоках (КП) эффекты размерного квантования выражены значительно сильнее в сравнении с квантовыми ямами и, соответственно, следует ожидать более существенной модификации РПС в таких структурах. Между тем оптические свойства туннельно-связанных КТ (квантовых молекул (КМ)) с РПС к настоящему времени изучены недостаточно подробно. Отчасти это связано с известными трудностями учета туннельных процессов, рассмотрение которых в основном проводится в рамках численных методов. В некоторых практически важных случаях использование науки о квантовом туннелировании с диссипацией может оказаться достаточно продуктивным, поскольку несмотря на использование инстантонных подходов появляется возможность, в сочетании с моделью потенциала нулевого радиуса для РПС, получить основные результаты в аналитической форме. При этом в рамках указанного подхода возможно учесть влияние эффектов электрического поля [5] на свойства РПС в КМ и на состояния примесной зоны в КП, образованной одномерной сверхрешеткой из потенциалов нулевого радиуса.
Это актуально, поскольку в таких системах имеется высокая степень свободы в управлении зонной структурой и оптическими свойствами с помощью внешнего электрического ПОЛЯ.
Диссертационная работа посвящена развитию теории
электрооптического поглощения в КМ с участием резонансных ГГ -состояний и в КП с примесной зоной. Предполагалось, что распадность РПС в КМ обусловлена процессом диссипативного туннелирования.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом изучении особенностей примесного электрооптического поглощения в 0D- и ID-системах, связанных с влиянием параметров диссипативного туннелирования на РПС в КМ, и с наличием примесной зоны, образованной регулярной цепочкой L? -центров в КП во внешнем продольном электрическом поле.
Задачи диссертационной работы
1. В одноинстантонном приближении получить аналитическую формулу
для вероятности диссипативного туннелирования в КМ, моделируемой
двухъямным осцилляторным потенциалом, при наличии внешнего
электрического поля с учетом влияния низкочастотных колебаний среды.
В модели потенциала нулевого радиуса получить дисперсионное уравнение для резонансных D~ -состояний в КТ с параболическим потенциалом конфайнмента во внешнем электрическом поле с учетом туннельного распада РПС. Теоретически исследовать влияние внешнего электрического поля и туннельного распада на среднюю энергию связи РПС и ширину резонансного уровня в КМ, состоящей из двух туннельно-связанных сферических КТ.
В дипольном приближении получить аналитические формулы для вероятности фотоионизации D~ -центра с резонансным примесным уровнем в КМ для случаев продольной и поперечной по отношению к направлению внешнего электрического поля поляризации света. Исследовать зависимость
фотоионизационных спектров и дихроизма примесного поглощения от величины внешнего электрического поля и параметров диссипативного туннелирования.
В рамках обобщенного варианта модели Кронига - Пенни методом потенциала нулевого радиуса исследовать зависимость ширины примесной зоны от величины внешнего электрического поля и периода регулярной цепочки L? -центров в КП.
В дипольном приближении получить аналитическую формулу для вероятности оптических переходов электронов из состояний примесной зоны в размерно-квантованные состояния КП. Исследовать зависимость спектральных кривых от величины внешнего электрического поля и периода регулярной цепочки L? -центров.
Научная новизна полученных результатов
Найдено аналитическое решение для одноинстантонного действия в константе скорости туннельного распада с точностью до предэкспоненциального фактора для КМ, моделируемой двухъямным осцилляторным потенциалом во внешнем электрическом поле с учетом взаимодействия с локальной фононной модой при конечной температуре.
В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получено дисперсионное уравнение электрона, локализованного на JT -центре с резонансным примесным уровнем, расположенным между дном КТ и уровнем энергии ее основного состояния при наличии внешнего электрического поля с учетом туннельного распада РПС. Показано, что чем больше вероятность туннельного распада, тем легче резонансное IT -состояние разваливается под действием внешнего электрического поля.
3. Найдено, что в электрическом поле средняя энергия связи
резонансного JT -состояния уменьшается за счет электронной поляризации и
штарковского сдвига энергии. Показано, что увеличение константы
взаимодействия электрона с контактной средой приводит к блокировке
туннельного распада, что обусловлено ростом «вязкости» контактной среды. Установлено, что наименьшее время жизни имеют резонансные IT -состояния соответствующие JT -центрам, расположенным вблизи границ КТ. Найдено, что с ростом температуры и частоты фононной моды ширина резонансного уровня увеличивается за счет туннельного распада резонансного JT -состояния.
В дипольном приближении получена аналитическая формула для вероятности фотоионизации JT -центра с резонансным примесным уровнем в КМ при наличии внешнего электрического поля. Рассмотрены случаи продольной и поперечной по отношению к направлению внешнего электрического поля поляризации света. Показано, что квантово-размерный эффект Штарка проявляется в красном смещении порога фотоионизации, а также в увеличении силы осциллятора дипольного оптического перехода. Установлено, что в КМ с РПС имеет место дихроизм примесного электрооптического поглощения, связанный с изменением правил отбора для осцилляторных квантовых чисел в у- и z- направлениях КТ. Найдено, что зависимость вероятности фотоионизации от напряженности внешнего электрического поля при фиксированной энергии фотона содержит два характерных пика. Первый пик появляется при напряженности поля при которой исходно асимметричный двухъямный осцилляторный потенциал КМ становится симметричным. Природа второго пика связана с трансформацией огибающих волновых функций вызванной электрическим полем. Выявлена высокая чувствительность фотоионизационных спектров к таким параметрам диссипативного туннелирования, как температура, частота фононной моды и константа взаимодействия с контактной средой.
В рамках обобщенного варианта модели Кронига - Пенни методом потенциала нулевого радиуса исследована зависимость ширины примесной зоны, образованной локализованными состояниями электрона в поле регулярной цепочки Z)0-центров, от напряженности внешнего продольного электрического поля в КП с параболическим потенциалом конфайнмента.
Показано, что с ростом напряженности электрического поля ширина примесной зоны увеличивается, что связано с увеличением степени перекрытия одноцентровых волновых функций. Рассчитаны спектральные кривые, соответствующие оптическим переходам электрона из состояний примесной зоны в размерно-квантованные состояния КП во внешнем электрическом поле. Найдено, что фотоионизационный спектр для КП представляет собой отдельные полосы, промежутки между которыми заполнены осцилляциями интерференционной природы, амплитуда и период которых растет с ростом величины внешнего электрического поля. Показано, что увеличение периода регулярной цепочки и длины КП приводит к подавлению осцилляции.
Практическая ценность работы
Развитая теория примесного электрооптического поглощения в КМ с РПС может быть использована при разработке новых источников стимулированного излучения на примесных переходах.
Развитая теория электрооптического поглощения в КП с примесной зоной позволит разработать фотоприемники ПК диапазона с управляемой чувствительностью.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1. Электрическое поле стимулирует распад резонансных D~ -состояний в
КМ в условиях диссипативного туннелирования. Увеличение константы
взаимодействия электрона с контактной средой приводит к блокировке
туннельного распада, что обусловлено увеличением «вязкости» контактной
среды.
2. Ширина резонансного уровня D~ -центра сильно зависит от
положения примеси в КТ - она минимальна, когда примесь расположена в
центре КТ и увеличивается с ростом температуры и частоты фононной моды.
Зависимость вероятности фотоионизации ГГ -центра с резонансным уровнем в КМ от напряженности внешнего электрического поля содержит два характерных пика: первый пик появляется при напряженности поля для которой исходно асимметричный двухъямный осцилляторный потенциал КМ становится симметричным, а природа второго пика связана с трансформацией огибающих волновых функций вызванной электрическим полем.
Фотоионизационные спектры для КМ с резонансным D~ -состоянием сильно зависят от параметров диссипативного туннелирования: с ростом температуры и частоты локальной фононной моды имеет место красное смещение порога фотоионизации и увеличение силы осциллятора дипольного оптического перехода.
5. Наличие примесной зоны, образованной локализованными
состояниями электрона в поле регулярной цепочки L? -центров в КП,
проявляется в фотоионизационных спектрах в виде осцилляции
интерференционной природы, амплитуда и период которых возрастает с
ростом величины внешнего электрического ПОЛЯ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XII Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики - 2011) (Санкт-Петербург, 2011г.); на V Международной научно-технической конференции «Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2011г.); на X Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2011г.); на XIII Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2011г.).
Личный вклад. Основные теоретические положения диссертации разработаны совместно с профессором В. Д. Кревчиком. Конкретные расчеты и анализ результатов проведены автором самостоятельно. Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получены в соавторстве с Калининым Е. Н., Разумовым А. В. и Семеновым М. Б., которым автор благодарна за плодотворное сотрудничество.
Публикации. По результатам исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, опубликовано 8 статей, из них 4 - в рецензируемых журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы. Диссертация содержит 120 страниц текста, включая 20 рисунков. Список литературы включает 92 наименования.
