Кристалічна структура та фононний спектр шаруватих кристалів. Формування екситонних станів у кристалах. Безструмові збудження електронної системи. Екситони Френкеля та Ваньє-Мотта. Екситон - фононна взаємодія. Екситонний спектр в шаруватих кристалах.
Аннотация к работе
Бурхливий розвиток мікроелектроніки, оптоелектроніки і квантової електроніки, планарної та інтегральної оптики зумовлений досягненнями напівпровідникового матеріалознавства, які дозволяють покращення характеристик існуючих і створення нових напівпровідникових приладів. Одним із важливих інструментів досліджень такого типу є екситонна спектроскопія, оскільки екситони у напівпровідниках виступають у якості високочутливого мікрозонда, що дозволяє одержати інформацію про кристалічну та зонну структуру кристалів, стаціонарні стани теплових та електромагнітних збуджень, взаємодію, а також вплив на них різноманітних зовнішніх чинників. Вивчення особливостей оптичних, у тому числі й екситонних, спектрів поглинання дає уявлення про стан і характер руху часток у кристалі, а також механізми взаємодії між ними. Зокрема, останнім часом велика увага приділяється вивченню структури і властивостей галогенідів важких металів з метою їх практичного використання в таких областях як мікроелектроніка (фотошаблони, елементи мікросхем), оптотехніка (голографічні решітки, дзеркала і лінзи, мікрошкали), літографія (офсетні форми), обчислювальна техніка (компактне середовище для збереження інформації).Різний порядок сил взаємодії між атомами в межах шарового пакету і між ними приводить до специфічних аномалій в електронному і коливному спектрах шаруватого кристала. До найбільш яскравих і надійно встановлених особливостей таких кристалів можна віднести сильну анізотропію ефективних мас носіїв заряду, а також появу низькоенергетичних мод в коливному спектрі кристала.Основна особливість шаруватих кристалів полягає в тому, що вони характеризуються надзвичайно великим відношенням площі поверхні до обєму та природною чистотою стану поверхні. З цієї причини вільні поверхні таких кристалів не мають обірваних звязків і тому характеризуються низькою шорсткістю, що робить їх привабливими, наприклад, при виготовленні фотоприймачів, оскільки вони не потребують складної спеціальної підготовки поверхні. Велике відношення площі поверхні до обєму, обумовлене великими відстанями між шаровими пакетами і слабкістю звязків між ними, визначає високі адсорбуючі властивості шаруватих кристалів. В графіті атоми в шарі знаходяться на відстані 1,421 A, а відстань між шарами - 3,3 A; відповідно в нітриті бора 1,421 A та 3,33 A. Схожою структурою володіють всі шаруваті кристали, однак шар в кожному із них вміщує по три і більше атомних площин.Явище поглинання світла кристалічною структурою можна повязувати не лише з можливістю збурення електронної системи кристалу зовнішнім електромагнітним полем, також може зазнавати змін і стан фононної системи, так що за рахунок енергії поглиненого фотона у кристалі можуть виникати додаткові фонони. Якщо кристал з іонним типом звязку знаходиться у зовнішньому електричному полі, то різнойменно заряджені іони змістяться під дією сил поля у протилежних напрямках - виникне електричний дипольний момент. Тоді падаюча на кристал електромагнітна хвиля, змусить іони ґратки коливатися з частотою зміни зовнішнього поля. Отже, електромагнітна хвиля втрачає енергію при поширенні її у кристалі - поглинається системою змінних диполів. Нехай у результаті елементарного акту поглинання світла граткою зникає фотон з енергією h? і хвильовим вектором , а у кристалі виникає фонон у стані .Порядок сил взаємодії між атомами в межах шарового пакета і між ними різний, структурні елементи шаруватого кристала знаходяться в сильно неоднорідному силовому полі. Тому при розгляді можливих зміщень їх відносно положень рівноваги треба брати до уваги деформації не тільки розтягу і стиснення, але й згину шарового пакета, внаслідок чого спектр нормальних коливань шаруватих кристалів набуває характерної особливості - появи додаткових, порівняно з звичайними тривимірними кристалами, коливань з малою енергоємністю - згинних хвиль ("мембранний ефект”) [2]. Існування згинних хвиль, які відносяться до акустичного фононного спектра і описуються квадратичним законом дисперсії, підтверджене експериментальними дослідженнями температурної залежності теплоємності в кристалах з різним "ступенем” шаруватості, як CDI2, CDCL2 і CDBR2 та непружного розсіювання нейтронів у цілому ряді шаруватих кристалів [2]. Проте деякі фізичні властивості, зокрема, оптичні, магніторезонансні і кінетичні таких кристалів володіють особливостями, притаманними тільки низьковимірним структурам. Сюди відноситься також низка експериментально зареєстрованих низькотемпературних аномалій в інтегральних характеристиках екситонної смуги поглинання, наприклад, наявність температурної залежності площі під кривою екситонного поглинання і аномальне температурне зміщення екситонних смуг поглинання.Такі стани кристала були б виродженими, причому кратність виродження була б рівною числу молекул у кристалі. Сформовані з таких станів, що рухаються, хвильові пакети, які Френкель назвав "екситонами", можуть рухатись по кристалу, як "частки" електронного збудження. Ваньє показав, що екси
План
Зміст
Вступ
Розділ 1. Особливості кристалічної структури та фононного спектру шаруватих кристалів
1.1 Структура шаруватих кристалів
1.2 Фононні стани кристалічної гратки
1.3 Особливості фононних спектрів шаруватих напівпровідників
Розділ 2. Формування екситонних станів у кристалах
2.1 Без струмові збудження електронної системи у кристалах