WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

рУДИН вАДИМ аЛЕКСАНДРОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ СПЕКТРОВ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ И ФОТОВОзБУЖДЕНИЯ КВАНТОВЫХ МОЛЕКУЛ С ЦЕНТРАМИ ВО ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ





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

Маргулис Виктор Александрович

доктор физико-математических наук,

профессор

Браже Рудольф Александрович

Ведущая организация:         Марийский государственный университет

       

Защита состоится  “12” декабря 2012 г., в 1400  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. Развитие техники двойного селективного легирования стимулировало интерес к оптическим свойствам полупроводниковых наноструктур, содержащих - подобные примесные центры и их молекулярные комплексы. Так в настоящее время возможно получение квантовых ям GaAs/AlGaAs, содержащих стационарные – A+- и - центры [1,2]. В объемных слабокомпенсированных 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 - подобные центры и примесные  молекулярные комплексы . Последние образуются в следствии роста концентрации нейтральных примесей, когда расстояние между нейтральными атомами становится достаточно малым и носитель заряда (электрон или дырка) обобществляется. При этом энергетический уровень – подобного центра расщепляется из-за обменного взаимодействия. Как оказалось [3], в условиях низких температур с наличием - 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 – 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 фотовозбуждения (ФВ). Особый интерес привлекают к себе квантовые точки (КТ) с резонансным u - состоянием - 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 – 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 – центра с резонансным u – состоянием в КМ с позиций многомерного диссипативного туннелирования, которое может происходить во многих химических реакциях [4]. Важным достоинством использования инстантонных подходов является то, что в сочетании с моделью потенциала нулевого радиуса для – центра появляется возможность получить основные результаты в аналитической форме, а также учесть влияние электрического и магнитного полей на спектры ФЛ и ФВ квантовых точек с – центрами.

Диссертационная работа посвящена развитию теории ФЛ, связанной с излучательным переходом электрона с резонансного u - состояния – центра в локализованное g – состояние в КТ при наличии внешнего электрического поля, а также теории ФВ – центра с резонансным u – 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 – центры с резонансным u – состоянием в условиях диссипативного туннелирования.

Задачи диссертационной работы

  1. В рамках науки о квантовом туннелировании с диссипацией в одноинстантонном приближении получить аналитические формулы для вероятностей туннелирования в КМ, моделируемой двухъямным осцилляторным потенциалом при наличии, соответственно, внешнего электрического и магнитного полей с учетом взаимодействия с локальной фононной модой среды при конечной температуре.
  2. В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получить дисперсионные уравнения, описывающие локализованное g - и резонансное u - состояния – центра в КТ с параболическим потенциалом конфайнмента при наличии внешнего электрического поля и диссипативного туннелирования. Исследовать зависимость энергии связи симметричного локализованного  g - состояния, средней энергии связи антисимметричного резонансного u - состояния и величины расщепления между  g-  и  u - термами - центра в КТ от величины напряженности внешнего электрического поля и параметров диссипативного туннелирования.
  3. В дипольном приближении рассчитать вероятность ФЛ, связанной с излучательным переходом электрона с резонансного u - состояния в локализованное g- состояние - центра в КТ во внешнем электрическом поле. Исследовать влияние внешнего электрического поля и параметров диссипативного туннелирования на спектральную зависимость вероятности ФЛ квантовой точки.
  4. Методом потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы исследовать влияние внешнего магнитного поля и диссипативного туннелирования на среднюю энергию связи резонансного u – состояния и уширение резонансного уровня – центра в КТ с параболическим потенциалом конфайнмента.
  5. Получить аналитическую формулу для вероятности ФВ – центра, связанного с оптическим переходом электрона с локализованного g- состояния в резонансное u – состояние – центра в КТ при наличии внешнего магнитного поля. Исследовать зависимость спектра ФВ от величины внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования.

Научная новизна полученных результатов

  1. Найдены аналитические решения для одноинстантонного действия в константе скорости туннельного 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 резонансного u - состояния – центра от величины внешнего электрического поля и параметров диссипативного туннелирования. Показано, что наличие диссипативного туннелирования приводит к более высокой чувствительности средней энергии связи резонансного u – состояния к изменению внешнего электрического поля в сравнении с энергией локализованного g – состояния – центра. Найдено, что с ростом электрического поля растет величина расщепления между g- и u – термами, что связано с уменьшением средней энергии связи резонансного  u – состояния – центра в КТ. Выявлена достаточно высокая чувствительность времени жизни резонансного u - состояния к параметрам диссипативного туннелирования: с ростом температуры и частоты фононной моды время жизни резонансного  u - состояния уменьшается за счет увеличения вероятности диссипативного туннелирования; увеличение константы взаимодействия с контактной средой приводит к значительному росту времени жизни из-за блокировки туннельного распада. Найдено, что отличительной особенностью термов – центра с резонансным  u – состоянием является отсутствие точки вырождения. 
  2. В дипольном приближении рассчитана вероятность ФЛ, связанной с излучательным переходом электрона с резонансного u – состояния в локализованное g - состояние – центра в КТ при наличии внешнего электрического поля. Найдено, что кривая зависимости вероятности ФЛ от напряженности внешнего электрического поля содержит два пика. Больший пик соответствует ФЛ с энергией излучаемого фотона равной средней энергии оптического перехода электрона из резонансного u – состояния в локализованное g - состояние – центра. Меньший пик появляется при напряженности поля Ec при которой вероятность диссипативного туннелирования имеет максимум, т.е. когда исходно асимметричный двухъямный осцилляторный потенциал КМ становится симметричным. Установлено, что когда средняя энергия оптического перехода определяется величиной Ec, то имеет место своеобразный резонанс: 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 диссипативного туннелирования, как температура и константа взаимодействия электрона с контактной средой.
  3. В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получены дисперсионные уравнения электрона, связанного на – центре с локализованным g - и резонансным u – состояниями при наличии внешнего магнитного поля. Исследована зависимость средней энергии связи резонансного u – состояния, а также ширины резонансного уровня от расстояния между – центрами, величины внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования для случая симметричного расположения молекулярного иона относительно центра КТ. Показано, что с ростом расстояния между – центрами ширина резонансного уровня увеличивается из-за ослабления обменного взаимодействия между – центрами. Найдено, что магнитное поле оказывает стабилизирующее действие на резонансное u – состояние за счет сжатия – орбитали в радиальной плоскости КТ и «вымораживания» туннельного распада.
  4. В дипольном приближении получена аналитическая формула для вероятности ФВ – центра, связанного с оптическим переходом электрона с локализованного g – состояния в резонансное u – состояние – центра во внешнем магнитном поле. Найдено, что спектр ФВ представляет собой полосу, граница которой смещается в красную область спектра с ростом величины внешнего магнитного поля, что обусловлено соответствующим уменьшением величины расщепления между g- и u – термами. Показано, что параметры диссипативного туннелирования оказывают существенное влияние на положение края полосы ФВ: с ростом температуры и частоты фононной моды край полосы ФВ сдвигается в длинноволновую область спектра за счет уменьшения средней энергии связи резонансного u – состояния, а с ростом константы взаимодействия с контактной средой – в коротковолновую область спектра вследствие блокировки туннельного распада.
  5. Найдено, что кривая зависимости вероятности ФВ – 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 диссипативного туннелирования приводит к изменению высоты пика.

Практическая ценность работы

  1. Развитая теория ФЛ, связанной с излучательным переходом электрона с резонансного u – состояния – 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 – центра с резонансным u – состоянием в КТ при наличии диссипативного туннелирования во внешнем магнитном поле может быть использована при разработке фотоприемников ИК- излучения с управляемой чувствительностью.

Основные научные положения, выносимые на защиту

  1. Наличие диссипативного туннелирования в КТ приводит к более высокой чувствительности средней энергии связи резонансного u – состояния к изменению внешнего электрического поля в сравнении с энергией локализованного g – состояния – центра.
  2. Зависимость вероятности ФЛ квантовой точки с – 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 u – состояния в локализованное g – состояние – центра, а второй пик появляется при напряженности поля при которой исходно асимметричный двухъямный осцилляторный потенциал КМ становится симметричным.
  3. В зависимости вероятности ФЛ квантовой точки с – центром от внешнего электрического поля возможен эффект резонанса, имеющий место, когда средняя энергия оптического перехода определяется величиной внешнего поля, при которой двухъямный осцилляторный потенциал КМ становится симметричным.
  4. Магнитное поле оказывает стабилизирующее действие на резонансное  u – состояние за счет сжатия  – орбитали в радиальной плоскости КТ и «вымораживания» туннельного распада.
  5. Зависимость вероятности ФВ – 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 туннелирования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на X и XII Всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой, опто- и наноэлектронике (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 гг.); на II научно-технической конференции «Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники» (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 ХV Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 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 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.

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 влияния внешнего электрического поля и диссипативного туннелирования на энергетический спектр – центра с резонансным u – состоянием в КМ, моделируемой двухъямным осцилляторным потенциалом. Двухцентровой потенциал моделировался суперпозицией потенциалов нулевого радиуса одинаковой мощности. Рассмотрено симметричное расположение молекулярного иона относительно центра КТ в ее радиальной плоскости. Вектор напряженности внешнего электрического поля направлен вдоль координаты туннелирования. В разделе 1.2 получено аналитическое решение для одноинстантонного действия в константе скорости туннельного распада с точностью до предэкспоненциального фактора для случая двухъямного осцилляторного потенциала при наличии внешнего электрического поля. Исследование полевой зависимости вероятности диссипативного туннелирования показало, что при определенном значении напряженности внешнего электрического поля исходно асимметричный двухъямный осцилляторный потенциал становится симметричным, что приводит к появлению пика в предэкспоненциальном факторе и в константе скорости туннельного распада. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получены дисперсионные уравнения, описывающие локализованное g- и  резонансное u – состояния – центра в КТ при наличии внешнего электрического поля (раздел 1.3). Необходимо отметить, что энергия связи u – состояния в рассматриваемом случае является комплексной. Ее действительная часть определяет среднюю энергию связи резонансного u – состояния , а удвоенная мнимая часть – уширение соответствующего энергетического уровня. На рис. 1 приведены результаты численного анализа полученных дисперсионных уравнений для InSb КТ (раздел 1.4). Из рис.1 видно, что в электрическом поле величина расщепления между g- и  u –термами ΔЕgu  увеличивается (см. кривую 3), что связано с уменьшением средней энергии связи резонансного u – состояния – центра в КТ (см. кривую 2) из-за наличия туннельного распада, электронной поляризации и штарковского сдвига энергии, а также слабой чувствительности энергии связи локализованного g – состояния к изменению внешнего электрического поля (сравн. кривые 1 и 2). На рис. 2 представлена зависимость уширения ΔЕи  энергетического уровня резонансного u – состояния –центра от расстояния R12 между D0 –центрами в КТ при наличии внешнего электрического поля. Можно видеть, что с ростом R12 величина ΔЕи растет (ΔЕи~), т.е. уменьшается время жизни τ резонансного u – состояния вследствие ослабления обменного взаимодействия между D0 –центрами. Видно также, что с ростом температуры и частоты фононной моды (параметры и соответственно) время жизни резонансного u – состояния уменьшается за счет увеличения вероятности диссипативного туннелирования. Увеличение константы взаимодействия электрона с контактной  средой (параметр ) приводит к блокировке туннельного распада и, как следствие, к росту τ. Таким образом, выявлена достаточно высокая чувствительность времени жизни резонансного u – состояния –центра к величине внешнего электрического поля и параметрам диссипативного туннелирования, что имеет важное значение для управления вероятностью ФЛ квантовой точки, связанной с излучательным переходом электрона с резонансного u – состояния в локализованное g – состояние –центра.

Рис. 1. Зависимость энергии связи локализованного g – состояния (кривая 1), средней энергии связи резонансного  u –состояния (кривая 2) и расщепления (кривая 3) между g- и u–термами - центра от величины напряженности внешнего электрического поля  Е0  при  - радиус КТ, - амплитуда удерживающего потенциала КТ.

Рис. 2. Зависимость уширения энергетического уровня u – состояния - центра в КТ от расстояния между - центрами при , , для различных значений параметров диссипативного туннелирования (в единицах эффективной боровской энергии ), , (С- константа взаимодействия с контактной средой), (- частота фононной моды):

1  – , , ,

2  –  , , ,

3 – , , ,

4 , , .

Вторая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию влияния внешнего электрического поля на вероятность ФЛ квантовой точки, содержащей  – центр с резонансным u – состоянием при наличии диссипативного туннелирования. В дипольном приближении рассчитана вероятность ФЛ с учетом плотности конечных состояний излучаемых фотонов (раздел 2.2). На рис. 3 приведена зависимость вероятности ФЛ квантовой точки (в относительных единицах) от напряженности внешнего электрического поля, для различных значений энергии излучаемого фотона (раздел 2.3). На представленных кривых 1 и 3 больший пик появляется в том случае, когда энергия излучаемого фотона становится сравнимой со средней энергией оптического перехода, которая зависит от величины внешнего электрического поля. 

Рис. 3. Зависимость вероятности ФЛ квантовой точки с  - центром от величины напряженности внешнего электрического поля при , , , , для различных значений энергии излучаемого фотона ( мэВ):

1 ,

2 – , 

3 – .

Рис. 4. Спектральная зависимость вероятности ФЛ квантовой точки с  - центром при , , , , для различных значений напряженности внешнего электрического поля (кВ/см):

1 8,

2 – 8.4,

3 – 8.5.

Меньший пик появляется при напряженности поля , (–частота осцилляторного потенциала вдоль координаты туннелирования; а0 и b0 – координаты минимумов двухъямного осцилляторного потенциала; - эффективная масса электрона) при котором исходно асимметричный двухъямный осцилляторный потенциал КМ становится симметричным, что приводит к появлению максимума на полевой зависимости вероятности диссипативного туннелирования. В случае, когда средняя энергия оптического перехода определяется величиной Ес, то имеет место своеобразный резонанс (см. кривую 2 на рис.3): два пика объединяются в один и величина вероятности ФЛ в результирующем пике возрастает более чем на два порядка.

Рис. 5. Спектральная зависимость вероятности ФЛ квантовой точки с- центром  при , во внешнем электрическом поле для различных значений параметров диссипативного туннелирования:

1 , , ,

2 – , , ,

3 – , , ,

4 , , .

В разделе 2.4 исследована спектральная зависимость вероятности ФЛ для различных значений напряженности внешнего электрического поля.  Смещение максимума вероятности ФЛ квантовой точки с ростом напряженности внешнего электрического поля (см. рис. 4) обусловлено соответствующим ростом величины расщепления между g- и  u – термами (см. кривую 3 на рис. 1). Тушение ФЛ с ростом  Е0 может быть связано с уменьшением перекрытия волновых функций электрона в локализованном g- и  резонансном u – состоянии – центра. Из рис. 5 видно, что вероятность ФЛ квантовой точки эффективно модулируется такими параметрами диссипативного туннелирования, как температура и константа взаимодействия с контактной средой: с ростом температуры (параметр ) возрастает вероятность диссипативного туннелирования, в результате чего уменьшается время жизни резонансного u – состояния (см. кривую 3 на рис. 5); увеличение константы взаимодействия электрона с контактной средой (параметр ) приводит к блокировке туннельного распада, что сопровождается ростом величины τ и соответствующим уменьшением Pgu (см. кривую 4 на рис.5).

Третья глава диссертации посвящена теоретическому исследованию процесса ФВ –центра, связанного с оптическим переходом электрона с локализованного g – состояния в резонансное u – состояние в КТ во внешнем магнитном поле при наличии диссипативного туннелирования. Внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно к координате туннелирования. Расчет вероятности диссипативного туннелирования выполнен в одноинстантонном приближении с учетом локальной фононной моды среды с использованием процедуры перенормировки осцилляторных термов во внешнем магнитном поле (раздел 3.2). В разделе 3.3 в рамках тех же модельных представлений, которые использовались в главе 1, получены дисперсионные уравнения, описывающие локализованное g – и резонансное u – состояния – центра в КТ во внешнем магнитном поле. В разделе 3.3 также исследовано влияние внешнего магнитного поля и диссипативного туннелирования на среднюю энергию связи резонансного u – состояния и ширину резонансного уровня. Из рис. 6 и 7 видно, что с ростом расстояния между D0 – центрами ширина резонансного уровня увеличивается (см. рис. 7) из-за ослабления обменного взаимодействия между D0 –центрами. Видно также (сравн. кривые 1′ и 2′ на рис. 6), что магнитное поле оказывает стабилизирующее действие на резонансное u – состояние за счет сжатия – орбитали в радиальной плоскости КТ и уменьшения вероятности туннельного распада (сравн. кривые 1 и 2 на рис. 7). В разделе 3.4 в дипольном приближении получена аналитическая формула для вероятности ФВ –центра в КТ при наличии внешнего магнитного поля.

Рис. 6. Зависимость средней энергии связи резонансного u-состояния и энергии связи локализованного  g-состояния - центра от расстояния между D0-центрами в радиальной плоскости КТ (кривые 1/, 2/ – u-терм; 1, 2 – g-терм) при = 0,4 эВ; = 75нм; ; ; для различных значений магнитной индукции В (Тл):

1, 1/ – 6; 2, 2/ – 0.

Рис. 7. Зависимость уширения уровня резонансного u-состояния от расстояния между D0-центрами в радиальной плоскости КТ при = 0,4 эВ; = 75 нм; ; ; для различных значений магнитной  индукции  В (Тл):  1 – 0; 2 – 6.

На рис. 8 показано влияние внешнего магнитного поля на спектральную зависимость вероятности ФВ – центра с резонансным  u – состоянием в КТ (раздел 3.5). Как видно из рис. 8, спектр ФВ – центра представляет собой полосу, граница которой смещается в красную область спектра с ростом величины внешнего магнитного поля (сравн. кривые 1 и 2 на рис. 8), что обусловлено соответствующим уменьшением величины расщепления между g- и u –термами. Из рис. 9а,б, в  видно, что параметры диссипативного туннелирования оказывают существенное влияние на положение края полосы ФВ. Действительно, с ростом температуры и частоты фононной моды (параметры и соответственно) край полосы ФВ сдвигается в длинноволновую область спектра (сравн. кривые 1 и 2 на рис. 9а и 9б) за счет уменьшения средней энергии связи резонансного u – состояния, а с ростом константы взаимодействия с контактной средой (параметр ) сдвиг происходит в коротковолновую область спектра вследствие блокировки туннельного распада и соответствующего увеличения .

Рис. 8. Влияние внешнего магнитного поля на спектральную зависимость вероятности ФВ - центра (в относительных единицах) с резонансным u-состоянием в КТ при = 0,4 эВ;  = 75 нм; = 20 нм; ; ; для различных значений В (Тл):

1 – 0;

2 – 6.

На рис. 10 представлена зависимость вероятности ФВ – центра в КТ от величины внешнего магнитного поля для различных значений параметра и амплитуды удерживающего потенциала . Можно видеть, что на кривой приведенной зависимости содержится пик, который появляется, когда энергия фотона становится сравнимой со средней энергией оптического перехода. На положение пика, как видно из рис. 10, влияет параметр , с уменьшением которого пик сдвигается в область меньших значений В, поскольку уменьшается величина расщепления между g- и  u – термами (сравн. кривые 1 и 2 на рис. 10). Вариация параметров диссипативного туннелирования и приводит к существенному изменению величины  вероятности ФВ, что связано с соответствующим изменением средней энергии связи резонансного u – состояния  – центра.

Рис. 9. Влияние параметров диссипативного туннелирования на спектральную зависимость вероятно­сти ФВ - центра с резонансным u-состоянием в КТ при = 0,4 эВ;  = 75 нм; = 20 нм; В = 0:

1 – ; ; ;

2: а – ; ; .

  б – ; ; .

  в – ; ; .

Рис. 10. Зависимость вероятно­сти ФВ - центра с резонанс­ным u-состоянием в КТ от величины внешнего магнитного поля при  = 75 нм; = 18 нм; ћ = 10.8 мэВ для различных значений параметра и амплитуды удерживающего потенциала :

1 – ; ; ; = 0,4 эВ;

2 – ; ; ; = 0,35 эВ;

3 – ; ; ; = 0,4 эВ.

Основные результаты и выводы

  1. Методом потенциала нулевого радиуса исследовано влияние внешнего электрического поля на энергетический спектр примесного молекулярного иона с локализованным g – и резонансным  u – состояниями в КТ при наличии диссипативного туннелирования. Расчет вероятности туннелирования во внешнем электрическом поле проведен в одноинстантонном приближении с учетом взаимодействия с  локальной фононной модой среды для КМ, моделируемой двухъямным  осцилляторным потенциалом. Получены дисперсионные уравнения, описывающие зависимость энергии локализованного g – и средней энергии связи резонансного u – состояния – центра от величины внешнего электрического поля и параметров диссипативного туннелирования. Показано, что в электрическом поле величина расщепления между g- и  u – термами увеличивается, что связано с уменьшением средней энергии связи резонансного u – состояния – центра в КТ из-за наличия туннельного распада, электронной поляризации и штарковского сдвига энергии, а также слабой чувствительности энергии связи локализованного g – состояния  к изменению внешнего электрического поля. Найдено, что с увеличением расстояния между D0 – центрами уменьшается время жизни резонансного и – состояния вследствие ослабления обменного взаимодействия между D0 – центрами. Выявлена достаточно высокая чувствительность времени жизни резонансного и – состояния к параметрам диссипативного туннелирования: с ростом температуры и частоты фононной моды время жизни резонансного и – состояния уменьшается за счет увеличения вероятности диссипативного туннелирования; увеличение константы взаимодействия с контактной средой приводит к значительному росту времени жизни из-за блокировки туннельного распада.
  2. Теоретически исследовано влияние внешнего электрического поля на вероятность ФЛ квантовой точки, связанной с излучательным переходом электрона с резонансного и – состояния в локализованное g – состояние D-2 – центра. Найдено, что на кривой зависимости вероятности ФЛ от напряженности внешнего электрического поля содержатся два пика: больший пик соответствует ФЛ с энергией излучаемого фотона равной средней энергии оптического перехода из резонансного u – состояния в локализованное g– состояние – центра; меньший пик появляется при напряженности поля Ес при которой исходно асимметричный двухъямный осцилляторный потенциал КМ становится симметричным, что в свою очередь приводит к появлению максимума на полевой зависимости вероятности диссипативного туннелирования. Показано, что в случае, когда средняя энергия оптического перехода определяется величиной Ес, то имеет место своеобразный резонанс: два пика объединяются в один и величина вероятности ФЛ в результирующем пике возрастает более чем на два порядка. Установлено, что вероятность ФЛ эффективно модулируется такими параметрами диссипативного туннелирования, как температура и константа взаимодействия электрона с контактной средой.
  3. Теоретически исследовано влияние магнитного поля и диссипативного туннелирования на спектр ФВ D-2 – центра, связанного с оптическим переходом электрона с локализованного g– состояния в резонансное и– состояние в КТ с параболическим потенциалом конфайнмента. Методом потенциала нулевого радиуса в сочетании с одноинстантонным приближением исследовано влияние внешнего магнитного поля и диссипативного туннелирования на среднюю энергию связи резонансного и– состояния и ширину резонансного уровня. Показано, что магнитное поле оказывает стабилизирующее действие на резонансное и– состояние за счет сжатия  – орбитали в радиальной плоскости КТ и уменьшения вероятности туннельного распада. Найдено, что спектр ФВ D-2 –центра представляет собой полосу, граница которой смещается в длинноволновую область спектра с ростом величины внешнего магнитного поля, что обусловлено соответствующим уменьшением величины расщепления между g- и  u – термами. Показано, что параметры диссипативного туннелирования оказывают существенное влияние на положение края полосы ФВ: с ростом температуры и частоты фононной 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 на кривой зависимости вероятности ФВ – центра от величины внешнего магнитного поля содержится пик, который появляется когда энергия фотона становится сравнимой со средней энергией оптического перехода. Установлено, что на положение пика влияет величина амплитуды удерживающего потенциала КТ, с уменьшением которой пик сдвигается в область слабого поля из-за уменьшения величины расщепления между g- и  u – термами.

Цитируемая литература

1. Иванов Ю.Л. Зависимость энергии активации A(+) –центров от ширины кантовых ям в структурах GaAs/AlGaAs/ Иванов Ю.Л., Петров П.В., Тонких А.А., Цырлин Г.Э., Устинов В.И.//ФТП. - 2003.-т.37.- №9. - С.1114 – 1116.

2. Huant S. Two – Dimensional D(-) – Centers/ Huant S., Najda S.P., Etienne B.//Phys Rev.Lett. - 1990.-  v.65. - №12. - p.1486 – 1489.

3. Гершензон Е.М. Примесные H(-) – подобные центры и обусловленные ими молекулярные комплексы в полупроводниках/ Гершензон Е.М., Мельников А.П., Рабинович Р.И., Серебрякова Н.А. // УФН. - 1980. - т.132. - №2. - С.353 – 378.

4. Benderskii V.A. Effect of molecular motion on low – temperature and other anomalously fast chemical reactions in the solid phase/ Benderskii V.A. , Goldanskii V.Y. , Ovchinnikov A.A.// Chem. Phys Lett. - 1980.- v.73. - №3. - p.492 – 495.

Основные публикации по теме диссертации

1. Рудин В.А. Наблюдаемые двумерные туннельные бифуркации во внешнем электрическом поле/ Кревчик В.Д., Жуковский В.Ч., Дахновский Ю.И., Горшков О.Н., Семенов М.Б., Смирнов Ю.Г., Чупрунов Е.В., Скибицкая Н.Ю., Кревчик П.В., Филатов Д.О., Антонов Д.А., Лапшина М.А., Шенина М.Е., К. Ямамото, Рудин В.А// Вестник МГУ.  Сер. 3 (Физика. Астрономия). 2009. № 5. С. 3-8.

2. Рудин В.А. Особенности двумерных туннельных бифуркаций в условиях внешнего электрического поля  / Жуковский В.Ч., Горшков О.Н., Кревчик В.Д., Семенов М.Б., Смирнов Ю.Г., Чупрунов Е.В., Рудин В.А., Кревчик П.В, Филатов Д.О, Антонов Д.А, Лапшина М.А., Шенина М.Е., Ямамото К. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2009. - №2. - С. 80-88.

3. Рудин В. А. Фотолюминесценция квантовой молекулы с резонансным u -состоянием D2(-) - центра во внешнем электрическом поле при наличии диссипативного туннелирования./ Кревчик В. Д., Грунин А. Б., Рудин В. А.// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2012 - №3 (23) - С. 154-161.

4. Рудин В.А. Наблюдаемые 2D – туннельные бифуркации в системе совмещенного АСМ/СТМ/ Кревчик В.Д., Семенов М.Б., Скибицкая Н.Ю., Кревчик П.В., Губина С.А., Рудин В.А// Труды II научно-технической конференции «Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники», г. Пенза – 2009. С. 143-148.

5. Рудин В.А. Управляемое диссипативное туннелирование. Туннельный транспорт в низкоразмерных  системах, Гл. III , раздел Ш. 5 (монография)/ Кревчик В.Д., Арынгазин А.К., Бендерский В.А., Дахновский Ю.И., 

Х. Деккер, Овчинников Ю.Н., Семенов М.Б., К. Ямамото, Тернов А.И.// Москва, Изд-во: Физматлит. – 2011. - С. 288-295.

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

7. Рудин В.А. Модификация энергетического спектра D2(-) - центра с резонансным u- состоянием в квантовой молекуле во внешнем магнитном поле/ Кревчик В.Д., Калинин Е.Н., Тында А.Н., Губин Т.А., Губина С.А., Рудин В.А// Труды VII Международной научно-технической конференции  «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем», г. Пенза. – 2012. С. 88-95.

8. Рудин В.А. Особенности спектров фотолюминесценции квантовых молекул с резонансным  u- состоянием D2(-) - центра во внешнем электрическом поле/ Кревчик В.Д., Грунин А.Б., Козенко С.Е., Гришанова В.А., Рудин В.А// Труды VII Международной научно-технической конференции  «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем», г. Пенза. – 2012. С.71-78.

       

 





© 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.