Энергетический спектр и оптические свойства водородоподобных примесных центров в квантовых точках (стр. 3 из 7)

Экспериментально эффекты, связанные с увеличением энергии ионизации мелких доноров в магнитном поле, впервые наблюдались в сильнолегированном антимониде индия (магнитное вымораживание примесей). Обширная информация о свойствах экситонных состояний была получена в магнитооптических экспериментах, весьма подробно рассмотренных в обзоре [15] и монографии [16].

1.4 Свойства водородных примесей в полупроводниковых наноструктурах

Внимание к водородным примесям в полупроводниковых наноструктурах, помимо фундаментальных аспектов обусловлено интересами технологии других материалов (легкие элементы присутствуют в атмосфере многих технологических процессов), а также выяснением роли примесей при эксплуатации. Различие в поведении водорода в полупроводниковых объектах можно проиллюстрировать на примере кремния и германия, с одной стороны, и широкозонного полупроводника оксида цинка, с другой. В первом случае в опытах по диффузии и растворимости был продемонстрирован атомарный характер примесей водорода и его электрическая нейтральность в тетраэдрических позициях. В то же время водород образует донорные поверхностные центры в ZnO и водородная обработка приводит к значительному повышению электронной проводимости этого оксида. Его тонкие пленки и волокна в связи с высокой чувствительностью к водороду считаются перспективными для сенсорных устройств. Еще большую чувствительность обнаружили нанотрубки TiO2, электросопротивление которых менялось почти на 9 порядков при выдержке в азоте, содержащем 1000 м.д. водорода и воздуха. Такое значительное изменение связывается с высокоактивными состояниями на поверхности нанотрубок, их большой удельной поверхностью и совершенными межтрубочными контактами.

Для других типов полупроводников также обнаружено заметное изменение свойств под влиянием водорода. Так, обработка в водороде (Т = 470 К, t = 24 ч) поверхности тонких пленок (Zn, Cd, Hg)Te, являющихся узкощелевыми полупроводниками, привела к значительному изменению электрических свойств и появлению фоточувствительности. Водород инициировал деградацию электрических параметров гетерополярных транзисторов на основе GaInP/GaAs.

Во многих работах исследовалось влияние водорода на вольт-амперные и другие характеристики барьерных наноструктур типа палладий-полупроводник (Pd/GaAs/ InGaAs, Pd/p-InGaAsP, Pd/n-InGaAs, Pd/пористый GaAs и др.), предназначенных для детектирования водорода. Отмечено изменение вольт-амперных характеристик, времени отклика, прямых и обратных токов как результат адсорбции водородных атомов на поверхности полупроводника и изменение работы выхода электронов. Подчеркивается, что квантовые ямы повышают чувствительность к водороду за счет создания очагов напряженного состояния, препятствующих миграции водорода в объемные слои GaAs.

Роль размерных эффектов в формировании электрических свойств наноструктурных пленочных композитов на основе Si и Ge исследовалась в работах [18,19]. Доли нанокристаллов и поверхностей раздела, были сопоставлены с параметрами фотолюминесцентных спектров, что дало возможность сделать вывод о значительном влиянии совершенства поверхностей раздела (границ зерен) на эффективность кремниевых нанокомпозитов с точки зрения их использования в солнечных батареях. Влияние размера кристаллитов на холловскую подвижность электронов в наноструктурных пленках германия; наблюдалось также повышение подвижности и концентрации носителей с ростом температуры. Зависимость подвижности от величины зерна может быть связана с рассеивающей ролью границ зерен. Размерный эффект для концентрации носителей скорее всего объясняется отличиями в составе на границах и в теле зерен [20].

Глава II Магнитооптика системы «квантовая точка – водородоподобный примесный центр»

2.1 Энергетический спектр водородоподобного примесного центра и его волновая функция с учетом спина электрона в сильном магнитном поле

Целю данной работы, является теоретическое исследование магнитооптического поглощения комплексов квантовая точка – водородоподобный примесный центр в условиях сильного магнитного поля. Рассматривается случай как продольной, так и поперечной по отношению к направлению магнитного поля поляризации света. Расчет коэффициентов поглощения проводится для двух случаев: с учетом дисперсии размеров квантовой точки и учетом лоренцева уширения уровней энергии электрона.

Рассмотрим квантовую точку, находящуюся в продольном по отношению к оси Оz магнитном поле, содержащую мелкий водородоподобный примесный центр, расположенный в центре квантовой точки. Рассматривается случай сильного магнитного поля, когда магнитная длина aB много меньше эффективного боровского радиуса ad. Дальнейшие вычисления проводятся в цилиндрической системе координат с началом О в центре квантовой точке. Вектор магнитной индукции

направлен вдоль оси Оz ( ; - орт оси Оz). Векторный потенциал магнитного поля выберем в симметричной калибровке:

, (2.1.1)

где

– значение радиус вектора, в случае сильного магнитного поля ,так как поле как бы «зашнуровывает» примесный центр в ρ направлении.

Для описания одноэлектронных состояний в квантовых точках используем потенциал конфайнмента в модели «жесткой стенки»

. (2.1.2)

Стационарные состояния электрона, локализованного на примесном центре, описываются уравнением Шредингера, записанном в виде

, (2.1.3)

где

– цилиндрические координаты;

– оператор Гамильтона (гамильтониан);

E – собственные значения гамильтониана;

- собственные функции гамильтониана.

Гамильтониан в приближении эффективной массы для векторного потенциала (2.1.1) с учетом знака заряда электрона, в цилиндрических координатах выбранной модели запишется как

, (2.1.4)

где

- эффективная масса;

- оператор обобщенного импульса;

Кл – заряд электрона;

- потенциал кулоновского взаимодействия;

Дж·с – постоянная Планка;

- энергия спинового магнитного момента электрона (сделаем поправку в конце расчетов так, как оно не имеет координатной зависимости);

– спиновые матрицы Паули;

– оператор спин-орбитального взаимодействия (учитывать не будем из-за малости данного взаимодействия по сравнению с энергией спинового магнитного момента электрона);

– коэффициент взаимодействия;

L – орбитальный момент электрона;

s – спиновой момент электрона.

Спиновые матрицы Паули имеют вид

; ; . (2.1.5)

Потенциал кулоновского взаимодействия в случае сильного магнитного поля становится эффективно одномерным и определяется выражением

, (2.1.6)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды,

ε0 = 8.85·10-12 Ф/м – электрическая постоянная.

Перепишем уравнение Шредингера (2.1.3) в модели «жесткой стенки» в приближении эффективной массы с учётом допущений. Получим