WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Козенко Сергей Евгеньевич

Эффект фотонного увлечения электронов в спиральной нанотрубке и в квантовой проволоке с примесными резонансными состояниями в продольном магнитном поле





Специальность: 01.04.05 – Оптика



АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук




саранск - 2012

Работа выполнена на кафедре «Физика» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель:   доктор физико-математических наук,

профессор

Кревчик Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты:  доктор физико-математических наук,

профессор

Борисов Анатолий Викторович

доктор физико-математических наук,

доцент

Шорохов Алексей Владимирович

Ведущая организация:         Санкт-Петербургский государственный университет

технологии и дизайна

       

Защита состоится  “12” декабря 2012 г., в 1530  часов,  на заседании  диссертационного совета Д 212.117.13 ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»  по адресу: 430000, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68, ауд. 243, корпус 2.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Мордовского государственного университета им Н.П. Огарева, с авторефератом – на сайте университета  www.mrsu.ru 

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 430000, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68, Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева,  диссертационный совет Д 212.117.13

Автореферат разослан «08» ноября  2012 г.

Ученый секретарь        

диссертационного совета Д 212.117.13

кандидат технических наук                                                С.Д. Шибайкин                                                                        

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы большой интерес вызывают низкоразмерные структуры с одновременным нарушением пространственной симметрии относительно инверсии координат и фундаментальной симметрии относительно обращения времени. В таких структурах, благодаря асимметричному энергетическому спектру электронов, возникает асимметрия элементарных электронных взаимодействий, в частности с фотонами и акустическими фононами, имеющими противоположно направленные волновые векторы, что может приводить к целому ряду новых физических явлений [1-4]. Так, например, асимметрия электрон-фононного взаимодействия приводит к новым термомагнитным эффектам [4], которые были обнаружены экспериментально в двумерных структурах с асимметричным квантующим потенциалом [5]. Асимметричный энергетический спектр электронов может быть реализован и в структурах с хиральной симметрией [6], которая приводит к появлению в таких структурах, помещённых в магнитное поле, аномальных кинетических эффектов. При этом особый интерес представляют исследования особенностей эффекта фотонного увлечения (ЭФУ) электронов, связанных с асимметрией как электрон-фононного, так и электрон-фотонного взаимодействий, что может быть идентифицировано в спектральной зависимости ЭФУ. Высокая чувствительность ЭФУ к энергетическому спектру низкоразмерных структур, к типу оптических переходов, к модификации примесных состояний в условиях размерного и магнитного квантования, а также к механизмам релаксации импульса электронов определяет актуальность исследований ЭФУ в структурах с хиральной симметрией и в легированных наноструктурах.

Диссертационная работа посвящена развитию теории ЭФУ электронов в нанотрубке со спиральной симметрией, а также в квантовой проволоке с примесными резонансными состояниями.

Цель диссертационной работы заключается в теоретическом изучении особенностей ЭФУ, связанных с асимметрией электрон-фотонного и электрон-фононного взаимодействий в нанотрубке со спиральной симметрией и с наличием туннельного распада резонансных -состояний в квантовой проволоке (КП) во внешнем продольном магнитном поле.

Задачи диссертационной работы

  1. В линейном по импульсу фотона приближении получить аналитическое выражение для плотности тока фотонного увлечения при внутризонных оптических переходах электронов в нанотрубке, помещённой во внешнее продольное магнитное поле, спиральная симметрия которой описывается посредством протяжённого спирального возмущения, моделируемого -потенциалом.
  2. Исследовать особенности спектральной зависимости плотности тока фотонного увлечения электронов в спиральной нанотрубке, связанные с асимметрией электрон-фотонного и электрон-фононного взаимодействий в продольном магнитном поле.
  3. Получить аналитическую формулу для ЭДС фотонного увлечения в стоячей электромагнитной волне, а также для ЭДС, возникающей за счёт разогрева электронной системы джоулевым теплом протекающего по нанотрубке тока фотонного увлечения электронов в продольном магнитном поле. Исследовать спектральные зависимости ЭДС и их зависимости от параметров спиральной нанотрубки.
  4. В рамках модели потенциала нулевого радиуса получить дисперсионное уравнение для резонансных -состояний в КП с параболическим потенциалом конфайнмента. Теоретически исследовать влияние внешнего магнитного поля и туннельного распада на среднюю энергию связи резонансного -состояния и ширину резонансного уровня.
  5. В линейном по импульсу фотона приближении получить аналитическое выражение для плотности тока фотонного увлечения при фотоионизации -центров с резонансными примесными уровнями. Исследовать спектральную зависимость плотности тока фотонного увлечения электронов и его зависимость от величины внешнего магнитного поля, а также от параметров диссипативного туннелирования.

Научная новизна полученных результатов

  1. Развита теория ЭФУ при внутризонных оптических переходах электронов в спиральной нанотрубке с учётом асимметрии электрон-фононных и электрон-фотонных взаимодействий в продольном магнитном поле. Показано, что асимметрия электрон-фотонного взаимодействия проявляется в различии порогов ЭФУ для и , которое усиливается с ростом величины внешнего магнитного поля. Найдено, что асимметрия электрон-фононного взаимодействия приводит к изменению величин плотностей токов фотонного увлечения для и за счёт изменения величины времени релаксации при рассеянии электронов на продольных акустических фононах.
  2. Показано, что анизотропная передача импульса фотона электронной подсистеме приводит к появлению ЭДС фотонного увлечения электронов в стоячей электромагнитной волне вдоль оси спиральной нанотрубки, что подтверждает существующее в литературе предположение о том, что возникновение данного эффекта при наличии внешнего магнитного поля возможно не только в 2D-системах, но и в нанотрубках со спиральной симметрией. Выявлена относительно слабая зависимость ЭДС от величины внешнего магнитного поля , что обусловлено противоположными сдвигами спектральных кривых вероятностей поглощения фотонов с векторами и с ростом . Показано, что с уменьшением радиуса нанотрубки ЭДС уменьшается за счёт уменьшения степени перекрытия волновых функций начального и конечного состояний, связанного с динамикой электронных уровней спиральной нанотрубки. Найдено, что с ростом амплитуды спирального - барьера величина ЭДС уменьшается из-за уменьшения вероятности преодоления электроном спирального барьера.
  3. Рассмотрен один из возможных механизмов возникновения ЭДС, связанной с пространственной асимметрией электрон-фононного взаимодействия в спиральной нанотрубке, состоящий в том, что такая ЭДС может появляться при разогреве электронной системы джоулевым теплом протекающего по нанотрубке тока фотонного увлечения электронов. Показано, что возникновение ЭДС в спиральной нанотрубке носит пороговый по энергии фотона характер, при этом величина пороговой энергии фотона определяется радиусом нанотрубки, величиной продольного магнитного поля и амплитудой спирального -барьера. Установлено, что, в сравнении со случаем разогрева электронной системы джоулевым теплом протекающего по нанотрубке обычного электрического тока, наличие в нанотрубке тока фотонного увлечения даёт дополнительные степени свободы для управления величиной ЭДС.
  4. Методом потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы исследовано влияние внешнего магнитного поля на резонансные -состояния в КП при наличии туннельного распада примесного резонансного состояния. Показано, что в магнитном поле средняя энергия связи резонансного -состояния увеличивается за счёт сжатия -орбитали в радиальной плоскости КП. Найдено, что с ростом температуры и частоты фононной моды время жизни резонансного -состояния уменьшается вследствие роста вероятности диссипативного туннелирования.
  5. Развита теория ЭФУ при фотоионизации -центров с резонансными примесными уровнями в КП с параболическим потенциалом конфайнмента в продольном магнитном поле с учётом туннельного распада примесных резонансных состояний. Рассчитана спектральная зависимость плотности тока фотонного увлечения при рассеянии электронов на системе потенциалов короткодействующих примесей. Найдено, что для спектральной зависимости плотности тока фотонного увлечения характерен дублет Зеемана. При этом расстояние между пиками в дублете определяется циклотронной частотой, а расстояние между дублетами – гибридной частотой. Установлено, что величина плотности тока фотонного увлечения и положение дублета зависят от параметров диссипативного туннелирования: с ростом константы взаимодействия с контактной средой дублет смещается в коротковолновую область спектра за счёт увеличения средней энергии связи резонансного -состояния , а с ростом температуры и частоты фононной моды – в длинноволновую область спектра, что обусловлено ростом вероятности диссипативного туннелирования и соответствующим уменьшением .

Практическая ценность работы

  1. Развитая теория ЭФУ при внутризонных оптических переходах электронов в спиральной нанотрубке в продольном магнитном поле позволит исследовать новый класс макроскопических квантовых эффектов в нанотрубках с хиральной симметрией, связанных с асимметрией электрон-фотонного и электрон-фононного взаимодействий.
  2. Развитая теория ЭФУ при фотоионизации -центров с резонансными примесными уровнями в КП при наличии туннельного распада в продольном магнитном поле может быть использована при разработке детекторов лазерного излучения с управляемой фоточувствительностью.

Основные научные положения, выносимые на защиту

  1. В спиральной нанотрубке асимметрия электрон-фотонного взаимодействия проявляется в различии порогов ЭФУ для взаимно противоположных направлений волнового вектора одинаковых фотонов, которое усиливается с ростом величины внешнего магнитного поля. Асимметрия электрон-фононного взаимодействия приводит к изменению амплитуд осцилляций плотностей токов фотонного увлечения за счёт изменения величины времени релаксации при рассеянии электронов на продольных акустических фононах.
  2. Величина ЭДС фотонного увлечения электронов в стоячей электромагнитной волне вдоль оси спиральной нанотрубки определяется, в основном, её радиусом и параметрами спирального дефекта. Слабая зависимость ЭДС от величины внешнего продольного магнитного поля обусловлена динамикой спектральных кривых вероятностей поглощения одинаковых фотонов, имеющих противоположно направленные волновые векторы.
  3. В спиральной нанотрубке пространственная асимметрия электрон-фононного взаимодействия приводит к возникновению ЭДС за счёт разогрева электронной системы джоулевым теплом протекающего по нанотрубке тока фотонного увлечения электронов. Наличие в спиральной нанотрубке тока фотонного увлечения, в сравнении с обычным электрическим током, даёт дополнительные степени свободы для управления величиной ЭДС за счёт варьирования параметров, определяющих ЭФУ в нанотрубке.
  4. Величина плотности тока фотонного увлечения и положение дублета Зеемана в КП с резонансными -состояниями существенно зависят от параметров диссипативного туннелирования: с ростом константы взаимодействия с контактной средой дублет смещается в коротковолновую область спектра за счёт увеличения средней энергии связи резонансного -состояния, а с ростом температуры и частоты фононной моды – в длинноволновую область спектра, что обусловлено увеличением вероятности туннельного распада примесного резонансного состояния.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на XI Всероссийской конференции с элементами молодёжной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2012 г.); на ХIV Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2012 г.); на VIII Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии – производству – 2012» (Фрязино, 2012 г.); на VII Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2012 г.).

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, получен в соавторстве с Разумовым А.В. и Семеновым М.Б., которым автор благодарен за плодотворное сотрудничество.

Публикации По результатам исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, опубликовано 7 работ, из них 4 – 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 128 страниц текста, включая 18 рисунков. Список литературы включает 140 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, ее научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию особенностей ЭФУ, а также макроскопических квантовых эффектов, связанных с асимметрией электрон-фотонного и электрон-фононного взаимодействий в спиральной нанотрубке при внутризонных оптических переходах в продольном магнитном поле. В качестве модели нанотрубки рассматривается цилиндр радиуса R0 с бесконечно тонкими стенками. Спиральная симметрия нанотрубки описывается посредством протяжённого спирального возмущения, моделируемого -потенциалом амплитуды V0 и периодом Tz по оси цилиндра. В такой модели электронный спектр и соответствующие волновые функции имеют следующий вид [7]:

,               (1)

,(2)

где ; число при фиксированном значении числа принимает дискретные значения, являющиеся решениями трансцендентного уравнения: ; ; ; – эффективная  масса электрона; – магнитный поток через поперечное сечение нанотрубки; – квант потока; константа определяется периодом спирали по оси цилиндра: ;  k – собственное значение оператора , являющегося линейной комбинацией оператора импульса и момента импульса : ;  –квантовое число нумерующее энергетические подзоны; ; M – целое число, такое, что .

Как видно из (1), энергетический спектр спиральной нанотрубки в продольном магнитном поле является асимметричным: , благодаря чему возникает асимметрия элементарных электронных взаимодействий, в частности, с фотонами и акустическими фононами, имеющими противоположно направленные волновые векторы. В данной главе диссертационной работы показано, что асимметрия электрон-фотонного и электрон-фононного взаимодействий может быть идентифицирована в спектрах ЭФУ электронов при внутризонных оптических переходах в спиральной нанотрубке. Решение задачи о ЭФУ в спиральной нанотрубке основано на двумерном кинетическом уравнении Больцмана, записанном в приближении времени релаксации. Генерационный член этого уравнения определяется квантовыми фотопереходами электронов из состояния с в размерно-квантованные подзоны спиральной нанотрубки, которые рассчитываются в линейном по импульсу фотона приближении (раздел 1.2). В разделе 1.3 получены аналитические формулы для плотностей токов фотонного увлечения ( – импульс фонона, ) и исследована их спектральная зависимость (раздел 1.4) при рассеянии электронов на продольных акустических фононах.

На рис. 1 а, б представлены рассчитанные спектральные зависимости плотностей токов фотонного увлечения (рис. 1 а) и (рис. 1 б), из которых видно, что асимметрия электрон-фотонного взаимодействия проявляется в существенном различии порогов ЭФУ (сравн. кривые 1 и 2 на рис. 1а и 1б соответственно). Видно также, что асимметрия электрон-фононного взаимодействия приводит к изменению лишь величин плотностей токов увлечения (ТУ) за счёт изменения величины времени релаксации (сравн. кривые 1 и 1', 2 и 2' на рис. 1 а, б). Как показали исследования, с ростом внешнего магнитного поля различие порогов ЭФУ усиливается, при этом плотность ТУ как функция магнитного поля имеет ступенчатую зависимость с периодом, определяемым квантом магнитного потока. В этой же главе в разделе 1.5 получена аналитическая формула для ЭДС фотонного увлечения электронов в стоячей электромагнитной волне вдоль оси спиральной нанотрубки, что представляет собой макроскопический квантовый эффект, не имеющий классических аналогов, предсказанный ранее в работе [3]. Физическая природа ЭДС обусловлена эффектом анизотропной передачи импульса фотона электронной подсистеме в условиях асимметричного энергетического спектра (1).

Рис.1 Спектральная зависимость плотности ТУ в спиральной нанотрубке при R0 = 20 нм, Tz = 150 нм, V0 = 4, B = 5 Тл:  а – ; б – для различных направлений квазиимпульса фонона: 1,2 – ql>0, 1,2 - ql<0 (Х – энергия фотона в  единицах эффективной боровской  энергии Ed).

На рис. 2 а, б, в приведена рассчитанная спектральная зависимость ЭДС фотонного увлечения электронов в стоячей электромагнитной волне вдоль оси спиральной нанотрубки. Из рис. 2 видно, что спектральная зависимость ЭДС фотонного увлечения электронов имеет осциллирующий характер, при этом непериодичность ЭДС по энергии фотона обусловлена особенностью электронного энергетического спектра (1), который не периодичен по k и по магнитному потоку. Относительно слабая зависимость ЭДС от величины внешнего магнитного поля В связана с противоположными сдвигами спектральных кривых вероятностей поглощения фотонов с векторами и с ростом В. Так, край поглощения сдвигается в коротковолновую область спектра, а – в длинноволновую. При этом рост величины частично компенсирует уменьшение . Поскольку , то чувствительность к изменению внешнего магнитного поля достаточно слабая (сравн. кривые 1 и 2 на рис. 2 а). Иная ситуация имеет место с изменением радиуса нанотрубки (см. рис. 2 б) и амплитуды спирального -барьера (см. рис. 2 в). Высокая чувствительность электронной волновой функции и энергетического спектра спиральной нанотрубки к данным параметрам во многом определяет поведение кривых на рис. 2 б, в: с уменьшением радиуса нанотрубки уменьшается за счёт уменьшения степени перекрытия волновых функций начального и конечного состояний (сравн. кривые 1 и 2 на рис. 2 б); с ростом амплитуды спирального - барьера уменьшается вероятность преодоления электроном спирального барьера, что проявляется в соответствующем уменьшении (сравн. кривые 1 и 2 на рис. 2 в).

Рис.2 Спектральная зависимость ЭДС фотонного увлечения электронов в стоячей электромагнитной волне вдоль оси нанотрубки для различных значений: а – индукции магнитного поля B (R0 = 20 нм; Tz = 150 нм; V0 = 4): 1 – 5 Тл; 2 – 10 Тл; б – радиуса нанотрубки R0 (Tz = 150 нм; V0 = 4; В = 5 Тл): 1 – 20 нм; 2 – 10 нм; в – амплитуды спирального барьера V0 (R0 = 20 нм; Tz = 150 нм; В = 5 Тл): 1 – 4; 2 – 8 (L – длина нанотрубки)

В этой же главе (раздел 1.5) рассчитана спектральная зависимость ЭДС, которая может появляться при разогреве электронной системы джоулевым теплом протекающего по нанотрубке тока фотонного увлечения. Действительно, как было показано в [6], пространственная асимметрия электрон-фононного взаимодействия приводит к тому, что передача энергии от электронной системы к кристаллической решётке посредством излучения фононов сопровождается изменением импульса электронной системы и, как следствие, возникновением ЭДС. На рис. 3 а, б, в, г приведена эволюция спектральной зависимости ЭДС с изменением радиуса нанотрубки (рис. 3 а), величины магнитного поля (рис. 3 б), амплитуды спирального - барьера (рис. 3 в) и периода спирали (рис. 3 г).

Рис.3 Спектральная зависимость ЭДС, возникающей в случае разогрева электронной системы джоулевым теплом протекающего по нанотрубке тока фотонного увлечения, для различных значений: а – радиуса нанотрубки R0 (В = 5 Тл; Tz = 150 нм; V0 = 4): 1 – 20 нм; 2 – 10 нм; б – величины внешнего магнитного поля В (R0 = 20 нм; Tz = 150 нм; V0 = 4): 1 – 5 Тл; 2 – 10 Тл; в – амплитуды спирального -барьера V0 (R0 = 20 нм; Tz = 150 нм; В = 5 Тл): 1 – 4; 2 – 8; г – периода спирального дефекта Tz (R0 = 20 нм; V0 = 4; В = 5 Тл): 1 – 150 нм; 2 – 160 нм.

Как видно из рис. 3, в сравнении со случаем разогрева электронной системы джоулевым теплом протекающего по нанотрубке обычного электрического тока [6], наличие в нанотрубке тока фотонного увлечения даёт дополнительные степени свободы для управления величиной рассматриваемой ЭДС. Квадратичная зависимость последней от плотности тока фотонного увлечения приводит к тому, что её возникновение в нанотрубке носит пороговый по энергии фотона характер. При этом величина пороговой энергии, как видно из рис. 3а,б,в, зависит от радиуса нанотрубки, амплитуды спирального - барьера и величины продольного магнитного поля.

Вторая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию влияния внешнего продольного магнитного поля и туннельного распада на среднюю энергию связи резонансного - состояния и ширину резонансного уровня в КП с параболическим потенциалом конфайнмента. Предполагалось, что распадность примесного резонансного состояния обусловлена процессом диссипативного туннелирования. Расчёт вероятности диссипативного туннелирования выполнен в одноинстантонном приближении с использованием процедуры перенормировки осцилляторных термов во внешнем однородном магнитном поле. В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы в разделе 2.2 получено дисперсионное уравнение для определения средней энергии связи -состояния и уширения примесного резонансного уровня :

             

 

,                (3)

где ; ;; ; ; – вероятность туннельного распада резонансного -состояния в КП; – магнитная длина; ; ; – длина КП; ; – амплитуда потенциала конфайнмента КП; и – эффективная боровская энергия и эффективный боровский радиус соответственно; – комплексный корень дисперсионного уравнения (3); ,, – энергия связи этого же -состояния в объёмном полупроводнике; ; – радиальная координата -центра в КП.

В разделе 2.3 исследована зависимость средней энергии связи состояния и ширины примесного резонансного уровня от величины внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования. На рис. 4 представлена зависимость средней энергии связи резонансного состояния от полярной координаты примесного центра в InSb КП для различных значений параметров диссипативного туннелирования: , , , определяющих соответственно температуру Т, константу взаимодействия с контактной средой С и частоту фононной моды L. Как видно из рис. 4, является убывающей функцией радиальной координаты - центра, что связано с наличием размерного квантования. В магнитном поле заметно возрастает (сравн. кривые 2 и 5) за счёт сжатия - орбитали в радиальной плоскости КП. Видно также, что с ростом температуры и частоты фононной моды уменьшается за счёт уменьшения времени жизни резонансного -состояния (сравн. кривые 3 и 4', 4 и 5' на рис. 4 и 5), в то время как с увеличением «вязкости» контактной среды (параметр ) величина растёт из-за уменьшения вероятности диссипативного туннелирования (увеличения времени жизни -состояния) (сравн. кривые 1 и 2' на рис. 4 и 5).

Третья глава диссертации посвящена развитию теории ЭФУ в полупроводниковой КП с резонансными -состояниями при наличии продольного магнитного поля. ЭФУ обусловлен импульсом фотонов, передаваемым в процессе поглощения электронной подсистеме. Учёт импульса света приводит к асимметрии в распределении носителей заряда в пространстве квазиимпульса, т.е. к образованию тока увлечения. Решение задачи о ЭФУ в КП основано на одномерном кинетическом уравнении Больцмана, записанном в приближении времени релаксации. Генерационный член этого уравнения определяется квантовыми фотопереходами электронов с резонансного уровня -центра в гибридно-квантованные состояния КП, матричный элемент которых рассчитывается в линейном по продольному импульсу фотона приближении (раздел 3.2).

Рис. 4 Зависимость средней энергии связи -состояния в InSb КП от полярной координаты примесного центра при  = 7 мэВ, = 70 нм, = 0.35 эВ, В = 5 Тл для различных значений параметров диссипативного туннелирования:

1 – , , ;

2 – , , ;

3 – , , ;

4 – , , ;

5 – , , , B = 2 Тл.

Рис. 5 Зависимость уширения резонансного уровня от полярной координаты -центра в КП при = 7 мэВ, R0  = 70 нм, U0 = 0.35 эВ, В = 5 Тл для различных значений параметров диссипативного туннелирования:

1 – , , ,  B = 2 Тл;

2 – , , ;

3 – , , ;

4 – , , ;

5 – , , .

В режиме короткого замыкания в приближении сильного магнитного квантования, когда ( – характерная частота удерживающего потенциала КП, – гибридная частота, – циклотронная частота), получено аналитическое выражение для плотности тока фотонного увлечения при рассеянии электронов на системе потенциалов короткодействующих примесей (раздел 3.3). На рис. 6 приведена спектральная зависимость плотности тока фотонного увлечения (в относительных единицах) при фотоионизации -центров с резонансными примесными уровнями в КП при наличии продольного магнитного поля для различных значений параметров диссипативного туннелирования (раздел 3.4). Как видно из рис. 6, для спектральной зависимости плотности тока фотонного увлечения характерен дублет Зеемана, расстояние между пиками в котором определяется циклотронной частотой, а период появления дублета – гибридной частотой. При этом величина плотности тока фотонного увлечения и положение дублета зависят от параметров диссипативного туннелирования (см. рис. 6): с ростом константы взаимодействия с контактной средой (параметр ) дублет смещается в коротковолновую область спектра (сравн. кривые 3 и 4) за счёт увеличения средней энергии связи резонансного - состояния (см. кривую 1 на рис. 4), а с ростом температуры и частоты фононной моды (параметры и соответственно) дублет смещается в длинноволновую область спектра, что обусловлено ростом вероятности диссипативного туннелирования и соответствующим уменьшением (см. кривые 3 и 4 на рис. 4).

Рис. 6 Спектральная зависимость плотности тока увлечения при фотоионизации D–-центров с резонансными примесными уровнями в КП при  = 3 мэВ, L = 70 нм, U0 = 0.35 эВ, В = 4 Тл для различных значений параметров диссипативного туннелирования:

1 – , , ; 2 –  , , ; 3 –  , , ;

4 –  , , .

Основные результаты и выводы

  1. Теоретически исследованы особенности ЭФУ электронов, связанные с асимметрией электрон-фотонного и электрон-фононного взаимодействий в спиральной нанотрубке при внутризонных оптических переходах в продольном магнитном поле. В линейном по импульсу фотона приближении получены аналитические формулы для плотностей токов увлечения, обусловленных импульсами фотонов с волновыми векторами и при рассеянии электронов на продольных акустических фононах. Показано, что асимметрия электрон-фотонного взаимодействия проявляется в различии порогов ЭФУ для взаимно противоположных направлений волнового вектора одинаковых фотонов, которое усиливается с ростом величины внешнего продольного магнитного поля. Найдено, что асимметрия электрон-фононного взаимодействия приводит к изменению амплитуд осцилляций плотностей токов фотонного увлечения за счёт изменения величины времени релаксации импульса электронов.
  2. Теоретически исследованы макроскопические квантовые эффекты в спиральной нанотрубке с асимметричным энергетическим спектром электронов в продольном магнитном поле. Показано, что анизотропная передача импульса фотона электронной подсистеме приводит к появлению ЭДС фотонного увлечения электронов в стоячей электромагнитной волне вдоль оси спиральной нанотрубки, что подтверждает существующее в литературе предположение о возможном возникновении данного эффекта не только в 2D-системах, но и в нанотрубках со спиральной симметрией. Получена аналитическая формула для ЭДС фотонного увлечения и исследована её спектральная зависимость, а также зависимость от параметров спиральной нанотрубки и величины внешнего магнитного поля. Показано, что величина ЭДС фотонного увлечения электронов в стоячей электромагнитной волне вдоль оси спиральной нанотрубки определяется, в основном, её радиусом и параметрами спирального дефекта. Исследован один из возможных механизмов возникновения ЭДС, связанной с пространственной асимметрией электрон-фононного взаимодействия в спиральной нанотрубке, состоящий в том, что такая ЭДС может появляться при разогреве электронной системы джоулевым теплом протекающего по нанотрубке тока фотонного увлечения электронов. Показано, что возникновение ЭДС в спиральной нанотрубке носит пороговый по энергии фотона характер, при этом величина пороговой энергии фотона является функцией таких параметров, как радиус нанотрубки, величина внешнего магнитного поля и амплитуда спирального -барьера. Установлено, что наличие в спиральной нанотрубке тока фотонного увлечения электронов даёт дополнительные степени свободы в управлении величиной ЭДС по сравнению со случаем разогрева электронной системы джоулевым теплом протекающего по нанотрубке обычного электрического тока.
  3. Методом потенциала нулевого радиуса исследовано влияние внешнего продольного магнитного поля и туннельного распада на среднюю энергию связи резонансного -состояния и ширину резонансного уровня в КП с параболическим потенциалом конфайнмента. Предполагалось, что распадность примесного резонансного состояния обусловлена процессом диссипативного туннелирования, вероятность которого рассчитана в одноинстантонном приближении с использованием процедуры перенормировки осцилляторных термов во внешнем однородном магнитном поле. Показано, что в магнитном поле средняя энергия связи резонансного -состояния увеличивается за счёт сжатия -орбитали в радиальной плоскости КП. Найдено, что с ростом температуры и частоты фононной моды время жизни резонансного -состояния уменьшается вследствие роста вероятности диссипативного туннелирования. Показано, что увеличение константы взаимодействия с контактной средой приводит к блокировке туннельного распада и, соответственно, к увеличению времени жизни примесного резонансного состояния.
  4. Развита теория ЭФУ при фотоионизации -центров с резонансными примесными уровнями в КП с параболическим потенциалом конфайнмента в продольном магнитном поле при наличии туннельного распада примесных резонансных состояний. Получена аналитическая формула для плотности тока фотонного увлечения и исследована его спектральная зависимость при рассеянии электронов на системе потенциалов короткодействующих примесей. Показано, что для спектральной зависимости тока увлечения характерен дублет Зеемана, расстояние между пиками в котором определяется циклотронной частотой, а период появления дублета – гибридной частотой. Найдено, что величина плотности тока фотонного увлечения и положение дублета зависят от параметров диссипативного туннелирования: с ростом константы взаимодействия с контактной средой дублет смещается в коротковолновую область спектра за счёт увеличения средней энергии связи резонансного -состояния, а с ростом температуры и частоты фононной моды – в длинноволновую область спектра, что обусловлено ростом вероятности диссипативного туннелирования и соответствующим уменьшением времени жизни резонансного -состояния.

Цитируемая литература

1. Горбацевич А.А. Асимметричные наноструктуры в магнитном поле. / Горбацевич А.А., Капаев В.В., Копаев Ю.В.. // Письма в ЖЭТФ. – 1993. – Т. 57. – №9. – С. 565-569.

2. Алещенко Ю.А. Индуцированный магнитным полем фотогальванический эффект в асимметричной системе квантовых ям. / Алещенко Ю.А., Воронова И.Д., Гришечкина С.П., Капаев В.В., Копаев Ю.В., Кучеренко И.В., Кадушкин В.И., Фомичёв С.И. // Письма в ЖЭТФ. – 1993. – Т. 58. – №5. – С. 377-380.

3. Кибис О.В. Эффект анизотропной передачи импульса в низкоразмерных электронных системах в магнитном поле. // Письма в ЖЭТФ. –1997. – Т. 66. – №8. – С. 551-555.

4. Кибис О.В. Новые эффекты электрон-фононного взаимодействия в квазидвумерных структурах в магнитном поле. // ЖЭТФ. – 1999. – Т. 115. – №3. – С. 959-969.

5. Pogosov A.G. Thermomagnetic effect in a two-dimensional electron system with an asymmetric quantizing potential/ Pogosov A.G., Budantsev M.V., Kibis O.V., Pouydebasque A., Maude D.K., Portal  J.S. // Phys. Rev. – 2000. – V. B61. – P. 15603-15605

6. Кибис О.В. Особенности электрон-фононного взаимодействия в нанотрубках с хиральной симметрией в магнитном поле. // ФТТ. – 2001. – Т. 43. – №12. – С. 2237-2243.

7. Григорькин А.А. Электронный спектр и баллистический транспорт спиральной нанотрубки. / Григорькин А.А., Дунаевский С.М. // ФТТ. – 2007. – Т. 49. – №3. – С. 557-561.

Основные публикации по теме диссертации

1.        Козенко С.Е. Магнитооптические свойства квантовых молекул с резонансными D2(-)-состояниями/ Кревчик В.Д., Разумов А.В., Козенко С.Е., Манухина М.А.// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2011. - №4 (20). - С. 142-159.

2.        Козенко С.Е. Оптические свойства квантовой проволоки с одномерной сверхрешеткой из потенциалов нулевого радиуса во внешнем электрическом поле/ Кревчик В.Д., Зайцев Р.В., Разумов А.В., Козенко С.Е. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2012 г. - №1 (21). -С. 103-117.

3. Козенко С.Е. Резонансные состояния доноров в квантовых ямах во внешних электрическом и магнитных полях./ Кревчик В.Д., Разумов А.В., Козенко С.Е., Рудин В.А.// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2012 г. - №2 (22). -С. 131-137.

4. Козенко С.Е. Эффект анизотропной передачи импульса фотона электронной системе в нанотрубке со спиральным дефектом в условиях внешнего магнитного поля / Кревчик В.Д., Разумов А.В., Козенко С.Е., //Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2012. - №3 (23) . - С. 146-153.

5.        Козенко С.Е. Эффект фотонного увлечения электронов в нанотрубке со спиральным дефектом в продольном магнитном поле/ Кревчик В.Д., Разумов А.В., Козенко С.Е.// Сборник трудов 11-й Всероссийской с международным участием конференции - школы « Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», Саранск, изд-во Мордовского университета им. Н.П. Огарева. - 2012. - С.32.

6.        Козенко С.Е. Особенности туннельных ВАХ полупроводниковых квантовых точек при наличии диссипативного туннелирования/ Кревчик В.Д., Семенов М.Б., Зайцев P.B., Рудин В.А., Козенко С.Е. // Труды XV Международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы, г. Ульяновск, УлГУ. - 2012. - С. 170-171.

7. Козенко С.Е. Метод контролируемого роста квантовых точек для целей наномедицины/ Артемов И.И., Кревчик. В.Д., Семенов М.Б.,. Зайцев Р.В, Арынгазин А.К., Ямамото К., Козенко С.Е. // Труды VIII Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии – производству – 2012», г. Фрязино. - 2012. - С. 68-78.


 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.