Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы очевиден рост интереса к
примесным состояниям в полупроводниковых наноструктурах. Это связано с чрезвычайной чувствительностью таких структур к наличию единичных дефектов, которые могут существенно изменять их транспортные и оптические свойства и приводить к появлению новых эффектов, отсутствующих в баллистических структурах [1]. Эффекты, связанные с модификацией примесных состояний в полупроводниковых наноструктурах, особенно ярко выражены в условиях гибридизации размерного и магнитного квантования, что дает новые возможности для управления спектрами примесного магнитооптического поглощения [2-4]. Следует отметить, что электронный энергетический спектр в наноструктурах достаточно сильно зависит и от направления магнитного поля по отношению к осям симметрии потенциала конфайнмента [5]. В случае квантового канала (КК) это обстоятельство может приводить к зависимости резонансных частот от направления магнитного поля при внутризонном оптическом поглощении с участием оптических фононов [6], а также к трансформации энергетического спектра квантовой ямы в квазидискретный в случае, когда магнитное поле направлено вдоль оси размерного квантования [7]. С другой стороны, высокая чувствительность энергии связи носителя на примеси к энергетическому спектру наноструктуры позволяет исследовать влияние фактора геометрической формы на состояния локализованного электрона. Это актуально, поскольку, например, в реальных массивах размеры и форма отдельных квантовых точек (КТ) отклоняются от равновесных, что сказывается как на оптических свойствах массива, так и на возможности реализации на его основе оптоэлектронных приборов [8].
Диссертационная работа посвящена развитию теории магнитооптического поглощения в квазинульмерных и квазиодномерных полупроводниковых структурах с участием примесных центров.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом изучении примесного магнитооптического поглощения при одно- и двухфотонных
оптических переходах в структурах с несферическими КТ, а также примесного поглощения в КК в условиях внешнего поперечного магнитного поля. Задачи диссертационной работы
В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получить аналитическое решение задачи о связанных состояниях электрона, локализованного на D~ -центре в КТ, имеющей форму эллипсоида вращения, при наличии внешнего магнитного поля.
Исследовать влияние магнитного поля на пространственную анизотропию энергии связи D~ -состояния в несферической КТ.
В дипольном приближении получить аналитическую формулу для коэффициента примесного магнитооптического поглощения в квазинульмерной структуре с учетом дисперсии характерных размеров несферических КТ. Исследовать дихроизм примесного магнитооптического поглощения в квазинульмерной структуре с несферическими КТ.
Во втором порядке теории возмущений получить аналитические формулы для коэффициентов двухфотонного (ДФ) примесного магнитооптического поглощения в квазинульмерной структуре с несферическими КТ для случаев продольной и поперечной по отношению к вертикальной оси КТ поляризации света с учетом дисперсии характерных размеров КТ. Исследовать дихроизм ДФ примесного магнитооптического поглощения, а также влияние диссипативного туннелирования на вероятность ДФ примесного поглощения в квантовой молекуле.
В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получить аналитическое решение задачи о связанных состояниях электрона, локализованного на D~ -центре в КК в поперечном магнитном поле. Исследовать зависимость энергии связи D~ -состояния в КК от координат D~ -центра, параметров структуры и величины внешнего поперечного магнитного поля.
6. В дипольном приближении рассчитать коэффициенты примесного магнитооптического поглощения в КК для случаев поперечной и продольной относительно оси КК поляризации света с учетом лоренцева уширения энергетических уровней. Исследовать особенности спектров примесного поглощения света в КК, а также их динамику с изменением величины внешнего поперечного магнитного ПОЛЯ. Научная новизна полученных результатов
В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получено дисперсионное уравнение электрона, локализованного на D~ -центре в КТ, имеющей форму эллипсоида вращения, при наличии внешнего магнитного поля.
Исследована зависимость энергии связи D~ -состояния от координат D~ -центра, характерных размеров несферической КТ и величины внешнего магнитного поля для случая, когда примесный уровень расположен ниже дна КТ. Показано, что в магнитном поле пространственная анизотропия энергии связи D~ -состояния в несферической КТ уменьшается за счет сжатия LT-орбитали в радиальном направлении КТ.
В дипольном приближении проведен расчет коэффициентов примесного магнитооптического поглощения в квазинульмерной структуре с КТ в форме эллипсоида вращения для случаев продольной и поперечной по отношению к вертикальной оси КТ поляризации света с учетом дисперсии характерных размеров КТ. Найдено, что спектральная зависимость коэффициента примесного магнитооптического поглощения в первом случае имеет осциллирующий характер с периодом осцилляции, определяемым гибридной частотой, а во втором случае для спектральной зависимости характерен квантово-размерный эффект Зеемана с асимметричным дублетом. Установлено, что расстояние между пиками в дублете определяется циклотронной частотой, а расстояние между соседними дублетами - гибридной частотой. Показано, что магнитное
поле приводит к усилению дихроизма примесного поглощения света из-за снятия вырождения по магнитному квантовому числу.
Во втором порядке теории возмущений проведен аналитический расчет ДФ примесного магнитооптического поглощения в квазинульмерной структуре с КТ, имеющими форму эллипсоида вращения, с учетом дисперсии характерных размеров КТ. Рассмотрены случаи продольной и поперечной по отношению к вертикальной оси КТ поляризации света. Показано, что в магнитном поле край полосы ДФ примесного поглощения сдвигается в коротковолновую область спектра и усиливается дихроизм ДФ примесного поглощения. Во втором порядке теории возмущений рассчитана вероятность ДФ ионизации D~ -центра в квантовой молекуле, состоящей из двух туннельно-связанных сферических КТ. В рамках науки о квантовом туннелировании с диссипацией получено аналитическое решение для одноинстантонного действия в константе скорости туннельного распада с точностью до предэкспоненциального фактора с учетом взаимодействия с локальной фононной модой при конечной температуре. Показано, что прозрачность туннельного барьера существенно влияет на спектральную зависимость вероятности ДФ примесного поглощения в квантовой молекуле за счет изменения ширины возбужденного энергетического уровня.
Методом потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной
массы исследовано ^-состояние в КК во внешнем поперечном магнитном поле. Для КК в z-направлении использовалась модель удерживающего потенциала квазидвумерного слоя электронного газа в виде модели «жестких» стенок, а в качестве дополнительного латерального потенциала в у-направлении выбран параболический потенциал, который формирует канал в квазидвумерном слое. Получено
дисперсионное уравнение электрона, локализованного на ^-центре,
определяющее зависимость энергии связи ^-состояния от параметров
потенциала структуры, координат ^-центра и величины внешнего магнитного поля, направленного вдоль оси OZ. Показано, что в КК имеет
место пространственная анизотропия энергии связи ^-состояния, и выявлена ее высокая чувствительность к величине магнитного поля в у-направлении КК. 6. В дипольном приближении рассчитаны коэффициенты примесного магнитооптического поглощения в КК для случаев поперечной и
продольной относительно оси КК поляризации света ея с учетом лоренцева уширения энергетических уровней. Выявлены правила отбора для квантовых чисел п (п=0,1,2,...) и m (m=l,2,...), соответствующих уровням энергии гибридного и размерного квантования (ось ОХ
направлена вдоль оси КК). В случае, когда ех =(0,0,1), оптические переходы электрона с примесного уровня возможны только в состояния КК с четными значениями m=2p, р=1,2,.., а при отсутствии магнитного поля (В=0) квантовое число п может принимать только четные значения
n=2k, k=0,l,2,..; если ея =(0,1,0), то т=2р-1 и при В=0 n=2k+l; для
случая e,i =(1,0,0) т=2р-1 и n=2k (В=0). Показано, что спектральные кривые имеют ярко выраженный осциллирующий характер. Найдено, что в магнитном поле период осцилляции определяется гибридной частотой при фиксированном значении квантового числа т, в противном случае
период меняется как ~ , где Lz - ширина потенциальной ямы в z-
направлении КК. Установлено, что магнитное поле устраняет правила отбора на осцилляторное квантовое число п, что связано со спецификой волновой функции электрона в КК. Найдено, что в случае, когда
ех =(1,0,0), спектральная кривая имеет высокую чувствительность к незначительному изменению внешнего магнитного поля. Показано, что зависимость коэффициента примесного магнитооптического поглощения
от величины магнитного поля для случая, когда ея =(0,0,1), имеет
пилообразный характер, при этом максимум поглощения достигается всякий раз, когда разность энергий дна гибридно-квантованной подзоны и энергии примесного уровня в КК становится сравнимой с энергией фотона. Выявлен дихроизм примесного магнитооптического поглощения в КК, связанный с изменением правил отбора для квантового числа т. Практическая ценность работы 1- Развитая теория примесного магнитооптического поглощения в квазинульмерных структурах с КТ в форме эллипсоида вращения может быть использована при разработке оптоэлектронных приборов на основе массива нетождественных КТ с управляемыми характеристиками.
Развитая теория ДФ примесного поглощения в квантовой молекуле может быть использована для определения параметров диссипативного туннелирования.
Развитая теория примесного магнитооптического поглощения в КК может составить основу для разработки фотоприемников ИК-излучения с управляемой чувствительностью.
Основные научные положения, выносимые на защиту 1- В магнитном поле пространственная анизотропия энергии связи ГГ -состояния в несферической КТ уменьшается за счет сжатия D~ -орбитали в радиальном направлении.
Магнитное поле приводит к усилению дихроизма примесного магнитооптического поглощения в квазинульмерной структуре с несферическими КТ из-за снятия вырождения по магнитному квантовому числу.
В КК пространственная анизотропия энергии связи ГГ -состояния, связанная с наличием геометрического и потенциального конфайнмента, является причиной ее высокой чувствительности к величине внешнего поперечного магнитного поля в у-направлении КК.
4. В КК имеет место дихроизм примесного магнитооптического
поглощения, связанный с изменением правил отбора для магнитного
квантового числа, при этом наличие магнитного поля приводит к
устранению правил отбора на осцилляторное квантовое число, что
связано со спецификой удерживающего потенциала КК.
Апробация работы Основные результаты работы докладывались на 7-й
Всероссийской молодёжной научной школе «Материалы нано-, микро-,
оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение»
(Саранск, 2008 г.); на X Всероссийской молодёжной конференции по физике
полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и нано-
электронике (Санкт-Петербург, 2008 г.); на XVI Международной научной
конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2009»
(Москва, 2009 г.); на II Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и
молодых учёных по направлению «Наноматериалы» (Рязань, 2009 г.); на IX
Всероссийской конференции с элементами молодёжной научной школы
«Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические
свойства и применение» (Саранск, 2010 г.).
Личный вклад Основные теоретические положения диссертации разработаны совместно с профессором Кревчиком В.Д. Конкретные расчеты, моделирование и анализ результатов проведены автором самостоятельно. Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получены в соавторстве сРазумовым А.В., Груниным А.Б. и Семеновым М.Б., которым автор благодарна за плодотворное сотрудничество.
Публикации По результатам исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, опубликовано 9 работ, из них 3 - статьи 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
