ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА «ФИЗИКА»
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Энергетический спектр и оптические свойства водородоподобных примесных центров в квантовых точках в условиях сильного магнитного поля
Квалификация 65 – физик
Направление 010000 – Физико–математические науки
Специальность 010701 – Физика
Автор – студент группы 04ЕФ И.А. Левин
Руководитель – д. ф.–м. н., А.Б. Грунин
профессор кафедры «Физика»
Нормоконтролер - В.А. Гришанова
старший преподаватель кафедры «Физика»
Рецензент – к. ф.-м. н., Ю.Г. Байков
доцент кафедры «Общая физика»
ПГПУ им. В.Г. Белинского
2009
Содержание
Введение
Глава I Примесные состояния атомного типа в полупроводниковых квантовых ямах, проволоках, точках во внешних полях
1.1 Методы выращивания наночастиц
1.1.1 Формирование наночастиц в силикатной матрице
1.1.2 Массивы напряженных квантовых точек, выращенные методом молекулярно-пучковой эпитаксии
1.2 Методы описания примесных центров в полупроводниковых низкоразмерных структурах
1.3 Влияние магнитного поля на стабилизацию состояний водородоподобных примесных центров
1.4 Свойства водородных примесей в полупроводниковых наноструктурах
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
2.2 Аналитические выражения для матричных элементов и соответствующие правила отбора для квантовых чисел
2.3 Расчет коэффициентов поглощения световых волн продольной и поперечной поляризации
2.4Дихроизм магнитооптического поглощения света
Глава III Актуальность исследований и практическое применение
3.1 Области практического применения полупроводниковых гетероструктур
3.2 Инжекционные лазеры на квантовых точках. Основные преимущества
Заключение
Список использованных источников
Введение
Проблема управления энергией связи примесных состояний является традиционной для физики полупроводников. В связи с развитием нанотехнологии эта проблема приобрела особый интерес вследствие новой физической ситуации, связанной с эффектом размерного квантования. Действительно, как показывают эксперименты, энергия связи примесных состояний существенно зависит от характерного размера наноструктуры и параметров ограничивающего потенциала. С другой стороны, наличие внешнего магнитного поля В, как известно, приводит к усилению латерального геометрического конфайнмента наноструктуры. Поэтому, варьируя В, можно изменять эффективный геометрический размер системы и, следовательно, изменять энергию связи примесных состояний. Наложение размерного и магнитного квантования приводит к эффекту гибридизации спектра примесного магнитооптического поглощения, который несет ценную информацию о зависимости энергии связи локализованного носителя от магнитного поля, параметров наноструктуры и типа дефекта, что, в принципе, позволяет производить идентификацию примесей.
Магнитное поле может стабилизировать связанные состояния не только атомного, но и молекулярного типа. В случае примесей молекулярного типа в полупроводниковых наноструктурах появляются новые возможности для управления термами молекулярных состояний, где важную роль начинают играть расстояние между примесными атомами и пространственная конфигурация примесной молекулы в объёме наноструктуры.
Следует отметить, что интегрирование атомных и молекулярных свойств в полупроводниковых наноструктурах дает новый импульс для развития молекулярной электроники на базе отработанной технологии получения наноструктур. В настоящее время тенденции развития прецизионной полупроводниковой наноэлектроники таковы, что возникает необходимость учитывать влияние особенностей геометрической формы наноструктур на электронный энергетический спектр. Высокая чувствительность энергии связи носителя на примеси к энергетическому спектру наноструктуры открывает определенные возможности для исследования эволюции энергии связи с изменением геометрической формы наноструктуры. С точки зрения приборных приложений, магнитооптические эффекты, связанные с изменением энергии связи примесных состояний атомного и молекулярного типа, привлекают возможностью создания квантовых приборов с управляемыми характеристиками: кубиты на основе эффекта передислокации электронной волновой функции в молекулярной системе, фотоприемники с управляемой чувствительностью в области примесного поглощения света, детекторы лазерного излучения, модуляторы интенсивности света и др. В этой связи изучение магнитооптических эффектов в полупроводниковых наноструктурах с примесями атомного и молекулярного типа актуально и является одним из приоритетных направлений полупроводниковой наноэлектроники [1].
Данная дипломная работа посвящена изучению магнитооптических свойств водородоподобных примесных центров в квантовых точках в условиях сильного магнитного поля.
Первая глава посвящена аналитическому обзору современного состояния проблемы примесных состояний атомного типа в полупроводниковых квантовых ямах, проволоках, точках во внешних полях.
Во второй главе проведено теоретическое исследование дихроизма примесного магнитооптического поглощения в квантовых структурах с учетом дисперсии радиуса квантовых точек и лоренцева уширения уровней энергии электрона в зоне проводимости квантовых точек.
Третья глава посвящена вопросу о возможности теоретического и практического применения полученных результатов.
В заключении сделаны основные выводы из полученных результатов.
Глава I Примесные состояния атомного типа в полупроводниковых квантовых ямах, проволоках, точках во внешних полях
1.1 Методы выращивания наночастиц
Способы формирования структур с пониженной размерностью (квантовые проволоки или квантовые точки) могут быть разделены на постростовые методы (литографические, затворных потенциалов и др.) и методы, в которых образование массива квантовых точек или квантовых проволок происходит непосредственно в процессе эпитаксиального выращивания гетероструктуры. Недостатки, внутренне присущие первой группе методов, связанные с ограничениями на минимальные размеры или с вносимыми повреждениями, не позволяют сформировать массивы квантовых точек, пригодные для лазерных применений. В то же время, использование эффектов самоорганизации при эпитаксиальном выращивании напряженных гетероструктур позволяет сформировать массив квантово-размерных островков, свободный от повреждений и дислокаций. Причиной их формирования является возможность снижения полной энергии системы за счет частичной упругой релаксации напряжения на вершинах трехмерных островков. Структурные свойства массива самоорганизующихся квантовых точек определяются в основном внутренними энергетическими параметрами системы. Однако, существует множество варьируемых ростовых параметров, таких как температура подложки, скорость роста, давление мышьяка, прерывания роста, которые воздействуют на поверхностную энергию и скорость установления равновесия, обеспечивая методы преднамеренного контроля характеристик массива квантовых точек [2].
1.1.1 Формирование наночастиц в силикатной матрице
Для приготовления структур используются стекла системы SiO2-CaO-Na2O, в которой ранее проведенные исследования позволили установить область составов, оптимальных для формирования в них наночастиц этих соединений. Такие стекла прозрачны в видимой и ближней ИК-областях спектра, край их собственного поглощения расположен около λ = 300 нм, они не кристаллизуются при повторной термообработке, устойчивы при длительном хранении в атмосферных условиях. Однако их состав, в частности содержание щелочных компонентов, оказывает заметное влияние на возможность формирования частиц и их оптические свойства. Использовались следующие составы стеклянной матрицы: с одним щелочным компонентом, содержащим 22.0 масс % Na2O (матрицы СМ2), и с тремя — 22.0 масс % Li2O+Na2O+K2O в мольном отношении 1:1:1 (матрица СМ21).
Традиционный метод формирования наночастиц полупроводников в стеклах, обычно используемый для бинарных соединений, включает первичное образование оксидов и их превращение в халькогениды после охлаждения и вторичной термообработки стекол (так называемая наводка). Однако этот метод для формирования наночастиц тройных соединений неприемлем ввиду сложности реализации в объеме матрицы химических реакций синтеза полупроводниковых соединений определенного стехиометрического состава и кристаллической модификации. Для синтеза стекол с наночастицами полупроводников предварительно синтезированный поликристаллический CuInTe2 вводили непосредственно в стеклообразующую смесь компонентов стекла, он растворялся в расплаве и затем на стадии охлаждения расплавов кристаллизовался в виде наночастиц, сохраняя первоначальный состав.
При введении в состав стекла соединения CuInTe2 матрицы получаются окрашенными, что дает основание полагать формирование ультрадисперсных частиц CuInTe2, ответственных за поглощение света в стеклянных матрицах, уже на стадии варки и охлаждения. CuInTe2 имеет температуру плавления, заметно превышающую температуру стеклования матрицы (600-800 ◦C); его степень разложения при плавлении невелика, поэтому предположение о его кристаллизации из расплава вполне оправдано, однако этот процесс, очевидно, может зависеть как от состава стеклянной матрицы, так и от концентрации CuInTe2 [3].
1.1.2 Массивы напряженных квантовых точек, выращенные методом молекулярно-пучковой эпитаксии