Введение к работе
Актуальпость темы. Развитие техники двойного селективного легирования стимулировало интерес к оптическим свойствам полупроводниковых наноструктур, содержащих Н~- подобные примесные центры и их молекулярные комплексы. Так в настоящее время возможно получение квантовых ям GaAs/AlGaAs, содержащих стационарные - Л+- и D'- центры [1,2]. В объемных слабокомпепсировашшх полупроводниках такие примесные центры были обнаружены более 40 лет назад (обзор дан в [3]). Было показано [3], что в системе нейтральных и заряженных примесных центров в объемных полупроводниках возможны, в частности, такие формы локализации электронов, как изолированные Н~ - подобные центры и примесішіе молекулярные комплексы Щ. Последние образуются в следствии роста концентрации нейтральных примесей, когда расстояние между нейтралышми атомами становится достаточно малым и носитель заряда (электрон или дырка) обобществляется. При этом энергетический уровень Щ- подобного центра расщепляется из-за обмешюго взаимодействия. Как оказалось [3], в условиях низких температур с наличием Н~ - подобных центров связаны ряд особенностей в спектрах люминесценции, рассеяние и рекомбинация носителей заряда, а также фотопроводимость Ge и Si в широкой спектральной области. Интерес к оптическим свойствам полупроводниковых наноструктур с Н2 - подобными примесными центрами обусловлен, прежде всего, новой физической ситуацией, связанной с квантовым размерным эффектом. В этом случае появляются новые возможности для управления термами примесного молекулярного иона, а также спектрами фотолюминесценции (ФЛ) и фотовозбуждепия (ФВ). Особый интерес привлекают к себе квантовые точки (КТ) с резонансным и - состоянием Щ- центра, время жизни которого определяется процессом туннельного распада, управляемого с помощью
внешнего электрического, или магнитного поля. С прикладной точки зрения, актуальность исследования оптических свойств КТ с Щ - центрами определяется тем, что такие системы имеют важное значение для разработки новых источников стимулированного излучения на примесных переходах. С другой стороны, при изучении туннельно-связанных КТ (квантовых молекул (КМ)) необходимо учитывать то обстоятельство, что физика и химия электронных процессов в наномасштабах имеют много общего. Это дает возможность рассматривать физику распада Щ- центра с резонансным и — состоянием в КМ с позиций многомерного диссипативного туннелирования, которое может происходить во многих химических реакциях [4]. Важным достоинством использования ипстантопных подходов является ТО, что в сочетании с моделью потенциала нулевого радиуса для D\ - центра появляется возможность получить основные результаты в аналитической форме, а также учесть влияние электрического и магнитного полей па
спектры ФЛ и ФВ квантовых точек с D^— центрами.
Диссертационная работа посвящена развитию теории ФЛ, связанной с излучателышм переходом электрона с резонансного и - состояния -DJ-цептра в локализованное g - состояние в КТ при наличии внешнего электрического поля, а также теории ФВ Щ— центра с резонансным « -состоянием в КТ во внешнем магнитном поле.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом изучении особенностей спектров ФЛ и ФВ квантовых точек, связанных с влиянием внешних электрического и магнитного полей на -DJ- центры с резонансным к - состоянием в условиях диссипативного туннелирования.
Задачи диссертационной работы
1. В рамках науки о квантовом туннелировании с диссипацией в
одноипстантонном приближении получить аналитические формулы для вероятностей туннелирования в КМ, моделируемой двухъямным
осцилляторным потенциалом при наличии, соответственно, внешнего электрического и магаитиого полей с учетом взаимодействия с локальной фопонной модой среды при конечной температуре.
-
В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получить дисперсионные уравнения, описывающие локализовашюе g - и резонансное и - состояішя Щ- центра в КТ с параболическим потенциалом копфайпмента при наличии внешнего электрического поля и диссипативпого тушіелирования. Исследовать зависимость энергии связи симметричного локализованного g - состояния, средней энергии связи антисимметричного резонансного и -состояішя и величины расщепления между g- и и - термами D2 - центра в КТ от величины напряженности внешнего электрического поля и параметров диссипативпого тушіелирования.
-
В диполыюм приближении рассчитать вероятность ФЛ, связанной с излучателышм переходом электрона с резонансного и -состояішя в локализованное g- состояние -DJ- цешра в КТ во внешнем электрическом поле. Исследовать влияние внешнего электрического поля и параметров диссипативпого тупнелировапия на спектральную зависимость вероятности ФЛ квантовой точки.
-
Методом потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы исследовать влияние внешнего магнитного поля и диссипативпого туїшелироваїшя па среднюю энергию связи резонапеного и -состояния и уширение резонансного уровня -DJ- центра в КТ с параболическим потепциалом копфайпмепта.
-
Получить аналитическую формулу для вероятности ФВ Щ. -центра, связанного с оптическим переходом электрона с локализованного g-состояния в резонансное и - состояние - центра в КТ при наличии внешнего магнитного поля. Исследовать зависимость спектра ФВ от
величины внешнего магнитного поля и парамеїров диссшіативного тугшелироваїшя.
Научная повизпа получеппьд результатов
1. Найдены аналитические решения для одноинстантонного
действия в константе скорости тушгельного распада с точностью до
предэкспоненциального фактора для КМ, моделируемой двухъямным
осцилляторным потенциалом, при наличии внешнего электрического и
магнитного поля соответственно. В модели потенциала нулевого радиуса
получены дисперсионные уравнения, описывающие зависимость энергии
локализованного g- и средней энергии связи резопансного и - состояния -
центра от величины внешнего электрического поля и параметров
диссшіативного туинелирования. Показано, что наличие диссшіативного
туннелирования приводит к более высокой чувствительности средней
энергии связи резонансного и — состояния к изменению внешнего
электрического поля в сравнении с энергией локализованного g — состояния
Dl - центра. Найдено, что с ростом электрического поля растет величина расщепления между g- ни - термами, что связано с уменьшением средней энергии связи резонансного и - состоящая -DJ- центра в КТ. Выявлена достаточно высокая чувствительность времени жизни резонансного и -состояния к параметрам диссшіативного туннелирования: с ростом температуры и частоты фононной моды время жизни резонансного и -состояния уменьшается за счет увеличения вероятности диссипативпого туннелирования; увеличение константы взаимодействия с контактной средой приводит к значительному росту времени жизни из-за блокировки туннельного распада. Найдено, что отличительной особенностью термов
DJ- центра с резонансным и - состоянием является отсутствие точки вырождения.
2. В дипольпом приближении рассчитана вероятность ФЛ,
связанной с излучательным переходом электрона с резонансного и -
состояния в локализованное g - состояние Щ— центра в КТ при наличии внешнего электрического ноля. Найдено, что кривая зависимости вероятности ФЛ от напряженности внешнего электрического поля содержит два пика. Больший пик соответствует ФЛ с энергией излучаемого фотона равной средпей энергии оптического перехода электрона из резонансного к -
состояния в локализованное g - состояние -DJ- центра. Меньший пик появляется при напряженности поля Ес при которой вероятность диссипативпого туннелировапия имеет максимум, т.е. когда исходно асимметричный двухъямный осцилляторпый потенциал КМ становится симметричным. Установлено, что когда средняя энергия оптического перехода определяется величиной Ес, то имеет место своеобразный резопанс: два пика объединяются в один и величина вероятности ФЛ в результирующем пике возрастает-, более чем на два порядка. Показано, что вероятность ФЛ и уширение резонансного уровня эффективно модулируются такими параметрами диссипативпого туїшелирования, как температура и константа взаимодействия электрона с контактной средой.
3. В модели потенциала пулевого радиуса в приближении
эффективной массы получены дисперсионные уравнения электрона, связанного на Щ- центре с локализованным g - и резонансным и -состоящими при наличии внешнего магнитного поля. Исследована зависимость средней энергии связи резонансного и - состояния, а также ширины резонансного уровня от расстояния между D - центрами, величины внешнего магнитного поля и параметров диссипативпого тупнелирования для случая симметричного расположения молекулярного иона Dj отпосительпо центра КТ. Показано, что с ростом расстояния между D - центрами ширина резонансного уровня увеличивается из-за ослабления обменного взаимодействия между D - центрами. Найдено, что магнитное поле оказывает стабилизирующее действие на резонансное и - состояние за
счет сжатия D2 - орбитали в радиальной плоскости КТ и «выморажившшя» туннельного распада.
-
В дипольном приближении получена аналитическая формула для вероятности ФВ DI- центра, связанного с оптическим переходом электрона с локализованного g - состояния в резонансное и - состояние DJ- центра во внешнем магнитом поле. Найдено, что спектр ФВ представляет собой полосу, граница которой смещается в красную область спектра с ростом величины внешнего магнитного поля, что обусловлено соответствующим уменьшеїшем величины расщепления между g- и и - термами. Показано, что параметры диссипативпого туннелирования оказывают существенное влияние на положение края полосы ФВ: с ростом температуры и частоты фоношюй моды край полосы ФВ сдвигается в длинноволновую область спектра за счет уменьшения средней энергии связи резонансного и -состояния, а с ростом константы взаимодействия с контактной средой - в коротковолновую область спектра вследствие блокировки туннельного распада.
-
Найдено, что кривая зависимости вероятности ФВ D^- центра от величины внешнего магнитного поля содержит пик, который появляется, когда энергия фотона становится сравнимой со средней энергией оптического перехода. Установлено, что на положение пика влияют параметры удерживающего потенциала КТ, а вариация параметров диссипативпого туннелирования приводит к изменению высоты пика.
Практическая ценность работы
1. Развитая теория ФЛ, связанной с излучательным переходом электрона с резонансного и - состояния -DJ- центра в локализованное g — состояние в КТ при наличии внешнего электрического поля может быть использована при разработке источников электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот.
2. Развитая теория ФВ -DJ- центра с резонансным и - состоянием в
КТ при наличии диссипативного туїшелирования во внешнем мапштном поле может быть использована при разработке фотоприемников ИК-излучешга с управляемой чувствительностью.
Основные научные положении, выносимые па защиту
-
Наличие диссипативпого тунпелировапия в КТ приводит к более высокой чувствительности средней энергии связи резонансного и -состояния к изменению внешнего электрического поля в сравнении с энергией локализованного g - состояния 0'г - центра.
-
Зависимость вероятности ФЛ квантовой точки с DJ- центром от напряженности внешнего электрического поля содержит два пика: более высокий пик соответствует ФЛ с энергией излучаемого фотона равной средней энергии оптического перехода электрона из резонансного и -состояния в локализованное g - состояние D^— центра, а второй пик появляется при напряженности поля при которой исходно асимметричный двухъямный оснилляторный потенциал КМ становится симметричным.
-
В зависимости вероятности ФЛ квантовой точки с D^- центром от внешпего электрического поля возможен эффект резонанса, имеющий место, когда средняя энергия оптического перехода определяется величиной впешпего поля, при которой двухъямпый осцилляторный потенциал КМ становится симметричным.
-
Магнитное поле оказывает стабилизирующее действие на резонансное и - состояіше за счет сжатия D^- орбитали в радиальной плоскости КТ и «вымораживания» туннельного распада.
-
Зависимость вероятности ФВ -DJ- центра в КТ от величины внешнего магнитного поля содержит пик, который появляется когда энергия фотона становится сравнимой со средней энергией оптического перехода, при этом положение пика определяется параметрами удерживающего потенциала КТ, а его высота - параметрами диссипативного туннелироваяия.
Апробация работы. Осповные результаты работы докладывались на X и XII Всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой, опто- и напоэлектронике (Санкт-Петербург, 2008 г., 2010 г.); на VII-XI Всероссийских конференциях с элементами молодёжной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2008 - 2012 it.); на П научно-технической конференции «Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроникн» (Пенза, 2009 г.); на V Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (Саранск, 2009 г.); на конференции - конкурсе молодых физиков (Москва, 2011); на XV Международной конференции «Опто-, наноэлекгроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2012 г.)
Личный вклад Основные теоретические положения диссертации разработаны совместно с профессором В.Д. Кревчиком. Конкретные расчеты и апализ результатов проведены автором самостоятельно. Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с Семеновым М.Б., Груниным А.Б. и Калининым Е.Н., которым автор благодарен за плодотворное сотрудничество.
Публикации По результатам исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, опубликовано 8 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 содержит 139 страниц текста, включая 31 рисунок. Список литературы включает 140 наименований.
