Вплив магнітних іонів та неоднорідностей і флуктуацій їх просторового розподілу на екситонні спектри в напівпровідникових гетероструктурах - Автореферат
Побудова теорії взаємодії екситонів з домішками, флуктуаціями та неоднорідностями їх розподілу в низьковимірних структурах на основі напівмагнітних напівпровідників. Механізми парамагнітного підсилення гігантського спінового розщеплення екситонних рівнів.
Аннотация к работе
Особливий інтерес викликають дослідження екситонних властивостей гетероструктур, оскільки в даних системах спостерігається зростання енергії звязку екситона порівняно з обємним кристалом, що означає більшу стабільність екситона, можливість його існування при кімнатній температурі і створення на даній основі електрооптичних приладів. В напівмагнітних квантових ямах механізми релаксації екситонів мають певні, ще не до кінця досліджені, особливості, повязані з взаємодією носіїв заряду з магнітними домішками. Передбачена в дисертаційній роботі можливість звуження екситонних смуг в зовнішньому магнітному полі в напівмагнітних квантових ямах може бути важливою для застосування в оптоелектроніці. Протягом останніх років широко досліджується структура границі розділу між немагнітним та напівмагнітним матеріалами, інтерес до яких посилився після відкриття в напівмагнітних квантових ямах ефекта парамагнітного підсилення розщеплення екситонних станів в магнітному полі. Робота виконувалась у межах бюджетних тем відділу теоретичної фізики НЦ "ІЯД" НАНУ "Сильно нерівноважні і неоднорідні кристалічні системи в полях ядерного і електромагнітного опромінення" № 01.9.10033641 (1991-1995) та “Теоретичне дослідження впливу ядерного опромінення на нерівноважні та невпорядковані кристали та пошук радіаційно-чутливих ефектів в кристалах” № 0197U016410 (1996-2000), проекту Державного фонду фундаментальних досліджень “Дослідження квантових ям і їх надграток у гетероструктурах на основі ”звичайний напівпровідник-напівмагнітний напівпровідник” 2.4/638.В напівмагнітному кристалі взаємодія електрона та дірки з магнітними домішками представлена гамільтоніаном: В даному розділі для розрахунку екситонних спектрів в напівмагнітних гетероструктурах використовується гамільтоніан в наближенні середнього поля, яке справедливе, якщо концентрація домішок в кристалі є досить високою, так що екситон взаємодіє відразу з великою кількістю домішок. Для даних систем були розраховані залежності енергії основного стану екситона з важкою діркою від ширини ями L та розщеплення станів екситона з різними проекціями спінів електрона і дірки у магнітному полі. Якщо ж магнітні домішки містяться в шарі квантової ями (система Cd1-YZNYTE/Cd1-XMNXTE/Cd1-YZNYTE, x=0.2, y=0.2), величина розщеплення енергій - і - переходів у магнітному полі збільшується з ростом L, виходячи на постійне значення, характерне для Cd0.8Mn0.2Te. Були також розраховані енергії 1s-та 2s-переходів для екситонів з важкою діркою в квантовій ямі Cd1-XMNXTE/CDTE/Cd1-XMNXTE шириною 72 ? Розкладаючи хвильову функцію екситона по одночастинковим хвильовим функціям підзон електрона (дірки) в потенціалі квантового дроту, одержимо рівняння для функцій, що описують відносний рух частинок вздовж осі дроту z: Були розраховані енергії звязку основного та першого збудженого станів екситона в квантовому дроті як функція діаметра дроту.1) Розраховано магнітну залежність основного та першого збудженого екситонних рівнів в квантових ямах та квантових дротах на основі напівмагнітних напівпровідників. Показано, що розщеплення екситонних рівнів в зовнішньому магнітному полі в квантовому дроті значно перевищує відповідне розщеплення у квантовій ямі і для основного, і для збудженого станів внаслідок квазіодновимірного характеру руху екситона в квантовому дроті. 2) Показано, що в квантових ямах на основі напівмагнітних напівпровідників розсіяння екситонів на флуктуаціях концентрації та проекції спінів магнітних домішок приводить до значного розширення екситонних смуг. Величина ефекта досить значна і залежить від ширини квантової ями: ширина смуги зростає при зменшенні ширини квантової ями. 4) Запропонована модель, яка дозволяє досліджувати вплив меж поділу на величину розщеплення екситонних рівнів в магнітному полі в квантових ямах на основі напівмагнітних напівпровідників.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
1) Розраховано магнітну залежність основного та першого збудженого екситонних рівнів в квантових ямах та квантових дротах на основі напівмагнітних напівпровідників. Показано, що розщеплення екситонних рівнів в зовнішньому магнітному полі в квантовому дроті значно перевищує відповідне розщеплення у квантовій ямі і для основного, і для збудженого станів внаслідок квазіодновимірного характеру руху екситона в квантовому дроті.
2) Показано, що в квантових ямах на основі напівмагнітних напівпровідників розсіяння екситонів на флуктуаціях концентрації та проекції спінів магнітних домішок приводить до значного розширення екситонних смуг. Величина ефекта досить значна і залежить від ширини квантової ями: ширина смуги зростає при зменшенні ширини квантової ями. Енергетична залежність та кінетичні характеристики розсіяння екситонів відрізняються від відповідних залежностей обємного кристала. Розглянутий механізм розсіяння екситонів проявляється у зміні форми смуги екситонного відбиття.
3) Встановлено, що обмінна взаємодія екситонів з магнітними домішками зумовлює сильну залежність ширини смуг від зовнішнього магнітного поля, причому характер залежності різний для - та - компонент екситонного переходу. Зростання напруженості поля приводить до розширення смуг - переходу та звуження смуг - переходу. Даний ефект пояснюється тим, що при одній орієнтації спінів необмінна і обмінна частини взаємодії екситона з домішкою додаються, а при іншій - віднімаються.
4) Запропонована модель, яка дозволяє досліджувати вплив меж поділу на величину розщеплення екситонних рівнів в магнітному полі в квантових ямах на основі напівмагнітних напівпровідників. Модель враховує поправки до розщеплення рівнів за рахунок а) зменшення числа найближчих сусідніх магнітних іонів з сильним антиферомагнітним спарюванням на границях немагнітного та напівмагнітного напівпровідників та б) змішування матеріалів поблизу гетерограниць. Показано, що відносна роль парамагнітного посилення розщеплення екситонних рівнів зростає із збільшенням ширини квантової ями. Шляхом порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними для набору квантових ям Cd1-XMNXTE/CDTE/Cd1-XMNXTE різної ширини знайдено ширину перехідного шару, утвореного розмиттям гетерограниць.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНІ В НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ
1. Науменко (Верцімаха) Г. В., Сугаков В. Й. Магнітна залежність екситонних спектрів в квантових ямах в напівмагнітних напівпровідниках // УФЖ.-1996.- Т.41.-№.2.-С. 228-232.
2. Верцимаха А.В., Сугаков В.И. Рассеяние экситонов на флуктуациях концентрации и проекции спинов магнитных примесей в квантовых ямах в полумагнитных полупроводниках // ФТП.-1997.-Т.31.- вып. 5.-С. 632-634.
3. Abramishvili V. A., Komarov A. V., Ryabchenko S. M., Sugakov V. I., VERTSIMAKHAA.V. Magneto-reflectance study of interfaces in (Cd,Mn)Te/CDTE/(Cd,Mn)Te structures // SPIE.-1997.-Vol.3182.-P.408-411.
4. Абрамішвілі В. Г., Комаров А. В., Рябченко С. М., Сугаков В. Й., Верцімаха Г.В. Вплив меж поділу в гетероструктурах на парамагнітне підсилення гігантського спінового розщеплення екситонних рівнів// УФЖ.- 1998.- T. 43.- №10 .-C. 1306-1309.
5. Sugakov V. I, Vertsimakha A. V. “Effect of magnetic impurity concentration and spin projection fluctuations on optical properties in excitonic region in diluted magnetic semiconductor quantum wells” // phys. stat. sol. (b).- 1998.- 209.- P. 49- 54.
6.Sugakov V. I, Vertsimakha A. V. “Magnetic field dependence of exciton levels in diluted magnetic semiconductor quantum wires” // phys. stat. sol. (b).-2000.-V.217.- N2.-P. 841-846.
7. Верцімаха Г.В., Сугаков В.Й. Вплив неоднорідності розподілу та флуктуацій концентрації магнітних домішок на екситонні спектри в квантових ямах в напівмагнітних напівпровідниках // Матеріали щорічної наукової конференції Інституту ядерних досліджень НАНУ. -Київ.- 1997.- C. 208-212.
8.Naumenko (Vertsimakha) A.V., Sugakov V. I. Magnetic dependence of exciton levels in diluted magnetic semiconductor heterostructures.-Kiev, 1994.-10 p.-(Prepr./National Academy of Sciences of Ukraine. Institute for Nuclear research; KINR-94-19).
9. Abramishvili V. A., Komarov A. V., Ryabchenko S. M., Sugakov V. I., Vertsimakha A. V. Magneto-Reflectance study of interfaces in (Cd,Mn)Te/CDTE/(Cd,Mn)Te structures // International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics, 30 September-2 October-Uzhgorod (Ukraine).-1996.-Abstract CP-27.-P.175.
10. Sugakov V. I., Vertsimakha A. V. Effect of magnetic impurity concentration fluctuations on excitonic spectra in diluted magnetic semiconductor quantum wells // International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics, 30 September-2 October.- Uzhgorod (Ukraine).-1996.- Abstract CP-28.- P.176.
11. Sugakov V. I., Vertsimakha A. V. Suppression of magnetic impurity concentration and spin projection fluctuations in diluted magnetic semiconductors induced by magnetic field// IV International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics, 29 September-02 October.-Kyiv (Ukraine).- 1998.- Abstract BP-45.- P.106.