Дослідження збуджень електронного газу в кристалах германію методом непружного розсіяння світла

2. 3/499 «Вплив одноосьової деформації на оптичні переходи носіїв заряду в середньому ІЧ-спектральному діапазоні в напівпровідниках із виродженою валентною зоною» (1994-1995 рр.).

Мета і задачі досліджень. Метою даної дисертаційної роботи було дослідження методом непружного розсіяння інфрачервоного світла одночастинкових неекранованих і колективних збуджень електронного газу в кристалах германію p-типу.

Для досягнення цієї мети необхідно було розв'язати наступні задачі:

Експериментально виявити та дослідити непружне розсіяння світла флуктуаціями густини повного кутового моменту носіїв.

Провести дослідження властивостей колективних збуджень вільних носіїв заряду  плазмонів і розсіяння ними світла (залежності частоти плазмонів від концентрації носіїв та спектральної залежності інтенсивності розсіяння світла плазмонами).

Дослідити розсіяння ІЧ-світла одночастинковими внутрішньопідзонними й міжпідзонними збудженнями носіїв у направлено деформованих кристалах.

Виявити вплив направленої деформації кристала на властивості плазмонів і розсіяння ними світла.

Проведення зазначених вище досліджень вимагало, в першу чергу, розробити методику і створити експериментальну установку для вимірювань спектрів непружного розсіяння світла в кристалах у середньому інфрачервоному діапазоні спектра.

Об'єктом досліджень були одночастинкові неекрановані та колективні збудження вільних носіїв заряду і розсіяння ними світла.

Предметом досліджень були кристали з виродженою валентною зоною – германій p типу з різними концентраціями вільних носіїв (5•1015  7, 2•1017 см-3). Вибір кристалів p-Ge обумовлений тим, що спін-орбітальна взаємодія у валентній зоні германію є сильною (енергія спін-орбітального розщеплення становить 0, 29 еВ), а анізотропія та непараболічність енергетичного спектра носіїв мала.

Методи досліджень:

Вимірювання спектрів непружного розсіяння випромінювання СО2-лазера з довжиною хвилі 10, 6 мкм (у діапазоні зміни частоти світла від 0 до 200 см 1) та поляризаційних властивостей розсіяного світла в недеформованих і направлено деформованих зразках p Ge з різною кристалографічною орієнтацією при температурах ~ 300 К та ~ 80 К.

Дослідження кінетичних явищ (електропровідності в постійному електричному полі та ефекту Холла) для визначення концентрації вільних носіїв та їх рухливості.

Вимірювання спектрів лінійного поглинання в досліджуваних зразках у діапазоні 515 мкм для визначення коефіцієнтів поглинання на довжинах хвиль збуджуючого та розсіяного світла.

Комп'ютерні числові розрахунки.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній вперше:

Виявлено та досліджено розсіяння світла на флуктуаціях густини повного кутового моменту дірок у кристалах p-Ge. Таким чином, експериментально доведено існування в кристалах із виродженою валентною зоною нового типу неекранованих одночастинкових збуджень вільних носіїв заряду, який був передбачений теоретично.

Досліджено розсіяння світла колективними (плазмовими) збудженнями носіїв. Встановлено, що спостережувана в кристалах германію p-типу частота плазмонів зростає при збільшенні концентрації вільних носіїв N не пропорційно N 1/2, а смуга плазмового розсіяння світла має сильно асиметричну форму.

Виявлено та досліджено розсіяння ІЧ-світла при переходах носіїв між розщепленими деформацією нижніми валентними підзонами в направлено деформованих кристалах p Ge. Встановлено, що зсув частоти розсіяного світла по відношенню до частоти збуджуючого світла визначається енергією розщеплення підзон при k = 0, а ширина смуги розсіяння  середньою енергією носіїв. Інтегральна інтенсивність розсіяного світла пропорційна концентрації носіїв у кристалі.

Виявлено зміну частоти колективних (плазмових) коливань носіїв заряду при направленій пружній деформації кристалів p-Ge.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

Результати досліджень міжпідзонного електронного розсіяння ІЧ-світла в направлено деформованих кристалах р-Ge являють собою основу для розробки та створення джерела випромінювання в середній і далекій інфрачервоній областях спектра з перебудовою довжини хвилі величиною прикладеного до кристала направленого тиску.

Створена високочутлива експериментальна установка для вимірювання спектрів непружного розсіяння світла в середньому інфрачервоному діапазоні спектра може бути використана для досліджень електронних збуджень у різноманітних напівпровідникових кристалах і гетероструктурах, а також різних оптичних (у тому числі й нелінійних) та фотоелектричних явищ, наприклад, випромінювання світла «гарячими» носіями при їх збудженні випромінюванням СО2 лазера або сильним електричним полем, мю фото-провідності й т. ін.

Особистий внесок здобувача. Автор дисертаційної роботи брав активну участь у розробці методики вимірювань і конструюванні експериментальної установки, виготовленні й налагодженні джерела інфрачервоного випромінювання – СО2-лазера. Самостійно розробив і налагодив керовану комп'ютером систему реєстрації розсіяного світла, виготовив зразки, виконав вимірювання, обробку експериментальних результатів і комп'ютерні розрахунки. Автор разом із співавторами брав рівноправну участь в обговоренні та інтерпретації експериментальних результатів, написанні наукових статей, доповідав про отримані результати на конференціях і семінарах. Основні положення й висновки дисертації сформульовані й обґрунтовані особисто дисертантом.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися на наукових семінарах Інституту фізики НАН України та Інституту фізики напівпровідників НАН України, підсумкових конференціях ІФ НАН України (1993, 1995 та 2002 рр.) ; міжнародних конференціях: «8th Vilnius Symposium on Ultrafast Phenomena in Semiconductors» (Vilnius, Lithhuania, 1992) ; «Динамические процессы в неупорядоченных средах» (Самарканд, Узбекистан, 1992 г.) ; «XIV International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals” (Odessa, Ukraine, 1999).

Публікації. Головні результати дисертаційної роботи відображені в 4 статтях у провідних наукових журналах та 3 тезах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації становить 127 сторінок друкованого тексту, включаючи 45 рисунків. Список використаних джерел містить 121 найменування.