Введение к работе
Актуальность темы. Исследование магнитооптических свойств структур с квантовыми точками (КТ) представляет значительный интерес в связи с тем, что магнитное поле, модифицируя электронный спектр, существенно меняет оптические свойства квазинульмерных структур, приводя ко многим интересным с фундаментальной и прикладной точки зрения эффектам. Особый интерес представляют примесные состояния
(локализованные и квазистационарные) в КТ во внешнем магнитном поле В. Наличие последнего приводит к усилению латерального геометрического
конфайнмента КТ, что даёт возможность посредством варьирования В изменять эффективный геометрический размер системы и, следовательно, изменять энергию связи примесных состояний. Наложение размерного и магнитного квантования приводит к эффекту гибридизации спектра примесного магнитооптического поглощения, который несёт ценную информацию о зависимости энергии связи локализованного электрона от магнитного поля, параметров КТ и механизмах распада в случае квазистационарного состояния. Магнитное поле может оказывать влияние и на примесные состояния молекулярного типа. В этом случае появляются дополнительные степени свободы для управления термами примесных молекулярных состояний, связанные с вариацией расстояния между примесными атомами в молекуле и изменением пространственной конфигурации примесной молекулы в объеме КТ. С прикладной точки зрения, актуальность исследования влияния эффектов магнитного поля на оптические свойства КТ с примесными центрами атомного и молекулярного типа определяется тем, что такие системы важны не только как элементная база наноэлектроники, но и как функциональная основа квантовых компьютеров. Они могут применяться для создания фотоприемников с управляемой чувствительностью в области примесного поглощения света, магниточувствительных детекторов и лазерных источников с низким порогом по току.
Диссертационная работа посвящена развитию теории
магнитооптического поглощения в квазинульмерных структурах и в квантовых молекулах (КМ) с участием примесных центров атомного и молекулярного типа.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом изучении влияния эффектов магнитного поля на спектры примесного поглощения в квазинульмерных структурах с D~ -центрами с учетом спиновых состояний локализованного электрона, а также на спектры фотоионизации D~ - и D~ -центров с резонансными примесными уровнями в КМ при наличии диссипативного туннелирования.
Задачи диссертационной работы
1. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении
эффективной массы получить аналитическое решение задачи о связанных
состояниях электрона, локализованного на D~ -центре в КТ при наличии внешнего магнитного поля с учетом спиновых состояний локализованного электрона. Исследовать зависимость энергии связи D~ -состояния от величины внешнего магнитного поля, координат D~ -центра в КТ и спиновых состояний локализованного электрона.
В дипольном приближении получить аналитические формулы для коэффициентов примесного магнитооптического поглощения в квазинульмерной структуре с D~ -центрами для случаев продольной и поперечной по отношению к направлению внешнего магнитного поля поляризации света с учётом дисперсии радиуса КТ. Исследовать эффект гибридизации спектра и дихроизм примесного магнитооптического поглощения.
Посредством перенормировки осцилляторных термов во внешнем однородном магнитном поле в одноинстантонном приближении получить аналитическую формулу для вероятности диссипативного туннелирования в КМ, моделируемой потенциалом двухъямного гармонического осциллятора.
Методом потенциала нулевого радиуса исследовать влияние внешнего магнитного поля и диссипативного туннелирования на среднюю энергию связи D~ -состояния и ширину резонансного уровня в КМ, состоящей из двух туннельно-связанных 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 магнитного поля поляризации света. Исследовать влияние внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования на спектральную зависимость вероятности фотоионизации D~ -центра в КМ.
В модели потенциала нулевого радиуса получить дисперсионные уравнения, описывающие g- и u-термы для резонансных D~ -состояний в КТ
с параболическим потенциалом конфайнмента во внешнем магнитном поле в условиях туннельного распада. Исследовать зависимость средней энергии связи резонансного D~ -состояния и уширения термов от величины внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования. Теоретически исследовать процесс фотовозбуждения D~ -центра в КМ,
связанный с оптическими переходами электрона между резонансными g- и и-состояниями во внешнем магнитном поле. Исследовать зависимость спектра фотовозбуждения от величины внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования.
Научная новизна полученных результатов
1. В модели потенциала нулевого радиуса получено дисперсионное уравнение, определяющее зависимость энергии связи D~ -состояния от величины внешнего магнитного поля, координат D~ -центра в КТ и спиновых состояний локализованного электрона. Выявлен эффект магнитного вымораживания D~ -состояний в КТ в случае антипараллельного направления спина локализованного электрона относительно направления
внешнего магнитного поля. Показано, что в магнитном поле имеет место пространственная анизотропия энергии связи D~ -состояния в КТ.
2. В дипольном приближении получены аналитические формулы для коэффициентов примесного магнитооптического поглощения в квазинульмерной структуре с D~ -центрами для случаев продольной и
поперечной по отношению к направлению внешнего магнитного поля В поляризации света ел с учетом дисперсии радиуса КТ. Показано, что в
первом случае (ел\\В) оптические переходы из D~-состояния со спином -1/2
возможны в гибридно-квантованные состояния КТ с нечётными значениями осцилляторных квантовых чисел и с собственными значениями оператора
Г-1/2І
проекции полного момента на ось Oz т . = < > (m = 0). Во втором случае
(ел _1_ В) - с четными значениями осцилляторных квантовых чисел и
1/21 [-112
mj = \ \ (m = 1), либо nij = \ „,^f (m= -1). Найдено, что в случае
> (т = 1), либо т. = \
3/2 v h J 1-3/2
ел _L В для спектральной зависимости коэффициента примесного
магнитооптического поглощения характерен аномальный квантово-размерный эффект Зеемана, при этом учёт спиновых состояний приводит к сдвигу порога примесного поглощения в длинноволновую область спектра и его зависимости от гиромагнитного отношения. Показано, что в квазинульмерной структуре с IT -центрами во внешнем магнитном поле имеет место дихроизм поглощения, связанный с изменением правил отбора для осцилляторных квантовых чисел и яз..
3. В одноинстантонном приближении получена аналитическая формула для вероятности диссипативного туннелирования в КМ, моделируемой потенциалом двухъямного гармонического осциллятора при наличии внешнего магнитного поля. Показано, что в магнитном поле вероятность диссипативного туннелирования уменьшается за счёт роста высоты потенциального барьера. Методом потенциала нулевого радиуса исследовано
влияние внешнего магнитного поля на среднюю энергию связи квазистационарного D~ -состояния и ширину резонансного уровня в КТ при наличии диссипативного туннелирования. Показано, что внешнее магнитное поле оказывает стабилизирующее действие на резонансные D~ -состояния в КТ с параболическим потенциалом конфайнмента. Найдено, что в магнитном поле имеет место пространственная анизотропия средней энергии связи D~ -состояния и ширины резонансного уровня, что обусловлено изменением конфигурации LT-орбитали в р- и z- направлениях КТ.
4. В дипольном приближении получены аналитические формулы для
вероятности фотоионизации D~ -центра с резонансным примесным уровнем в
КМ при наличии внешнего магнитного поля В для случаев ех || В и ех _1_ В.
Показано, что для спектральной зависимости вероятности фотоионизации в
случае ел _1_ В характерен аномальный квантово-размерный эффект Зеемана.
Установлено, что в КМ с резонансным D~ -состоянием имеет место дихроизм примесного магнитооптического поглощения, связанный с изменением правил отбора для квантового числа т. и осцилляторных квантовых чисел.
Исследована динамика фотоионизационных спектров с изменением таких параметров диссипативного туннелирования как температура, частота фононной моды и константа взаимодействия с контактной средой.
5. В модели потенциала нулевого радиуса получены дисперсионные
уравнения электрона, локализованного на D~ -центре с резонансными g- и и-
состояниями при наличии внешнего магнитного поля. Исследована зависимость средней энергии связи g- и и- состояний, а также ширины резонансных уровней от величины внешнего магнитного поля для случая симметричного расположения молекулярного иона D~ относительно центра КТ. Показано, что магнитное поле приводит к стабилизации резонансных D~ -состояний в КТ в условиях диссипативного туннелирования. В дипольном приближении получена аналитическая формула для вероятности
фотовозбуждения D2 -центра в КТ при наличии внешнего магнитного поля.
Показано, что спектр фотовозбуждения представляет собой полосу, граница которой смещается в длинноволновую область спектра с ростом величины внешнего магнитного поля, и в коротковолновую область - с увеличением константы взаимодействия с контактной средой.
Практическая ценность работы
1. Исследованный эффект магнитного вымораживания D~ -состояний в
КТ может быть использован для управления концентрацией электронов в
легированных квазинульмерных структурах.
2. Исследованный дихроизм примесного магнитооптического
поглощения в квазинульмерных структурах с D~ -центрами может составить
основу для разработки модуляторов интенсивности света.
3. Развитая теория примесного магнитооптического поглощения в КМ с
резонансными D~ - и D~ -состояниями позволит разработать фотоприёмники
с управляемой чувствительностью в ИК диапазоне.
Основные научные положения, выносимые на защиту
В полупроводниковой КТ имеет место эффект магнитного вымораживания локализованных D~ -состояний со спином -1/2, обусловленный динамикой спинового дублета во вешнем магнитном поле. Учёт спиновых состояний локализованного на D~ -центре электрона приводит к зависимости края полосы примесного магнитооптического поглощения от гиромагнитного отношения.
Магнитное поле оказывает стабилизирующее действие на резонансные D~ -состояния в КТ и приводит к пространственной анизотропии средней энергии связи и ширины резонансного уровня.
В КМ с резонансным ГГ -состоянием имеет место дихроизм примесного магнитооптического поглощения, связанный с изменением правил отбора для квантового числа т. и осцилляторных квантовых чисел.
В КМ возможно существование резонансных D~ -состояний в
условиях туннельного распада, которые стабилизируются во внешнем магнитном поле.
5. Спектр фотовозбуждения D~ -центра с резонансными g- и и-
состояниями в КМ представляет собой полосу, граница которой смещается в
длинноволновую область спектра с ростом величины внешнего магнитного
поля и в коротковолновую область с ростом константы взаимодействия с
контактной средой.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VIII Всероссийской конференции с элементами молодежной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2009г.); 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 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 135 страниц текста, включая 25 рисунков. Список литературы включает 100 наименований.
