Дослідження збуджень електронного газу в кристалах германію методом непружного розсіяння світла

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів. Наведені дані про апробацію результатів роботи, кількість публікацій, особистий внесок здобувача, структуру та обсяг дисертації.

У першому розділі подано літературний огляд з питань розсіяння світла збудженнями вільних носіїв заряду в напівпровідникових кристалах.

Розглянуті відомі неекрановані одночастинкові збудження носіїв у напівпровідниках із різноманітною зонною будовою та результати їх експериментальних досліджень. Серед них: флуктуації густини електронної енергії, флуктуації спінової густини, флуктуації ефективної маси, флуктуації в розподілі електронів по долинах. Для кожного з них наводяться вирази для перерізу розсіяння світла (його залежність від поляризацій падаючого та розсіяного світла, спектральна залежність, яка визначається кінетикою релаксації збуджень). Обговорюється також передбачений теоретично і не спостережений на початок виконання дисертаційної роботи механізм непружного розсіяння світла вільними носіями заряду в кристалах із виродженою валентною зоною, який пов'язаний із флуктуаціями густини повного кутового моменту дірок.

Окрім цього, в огляді розглянуто також розсіяння світла на флуктуаціях зарядової густини носіїв (одночастинкові флуктуації зарядової густини, плазмони, зв'язані плазмонфононні моди).

У другому розділі розглянуті методичні аспекти дослідження непружного розсіяння світла в кристалах: обґрунтовано вибір геометрії вимірювання розсіяного світла та описано використаний у роботі спосіб визначення абсолютних величин ефективності розсіяння.

Описана створена високочутлива експериментальна установка для вимірювання спектрів непружно розсіяного світла в кристалах, особливостями якої є:

в якості збуджуючого світла використовується інфрачервоне випромінювання створеного високостабільного імпульсно-періодичного СО2 лазера з пасивною модуляцією добротності (довжина хвилі випромінювання ~ 10, 6 мкм, тривалість імпульсів ~ 220 нс при частоті їх слідування ~ 2030 Гц, потужність в імпульсі до 10 кВт при її зміні від імпульсу до імпульсу не більше ніж на  1, 5%) ;

реєстрація розсіяного світла здійснюється охолоджуваним (80 К) CdHgTe – фотоприймачем, з'єднаним із керованою комп'ютером системою накопичення імпульсів (спектральна область реєстрації 313 мкм, інтенсивність реєстрованого світла  10-9 Вт) ;

використання оригінального селективного фільтра (газ SF6) для запобігання попадання пружно розсіяного збуджуючого випромінювання в систему реєстрації.

У даному розділі також описані пристрій для направленої деформації кристалів (величина направленого тиску  від 0 до 2, 5 кбар), технології приготування зразків і використані в роботі методики визначення в них концентрації вільних носіїв та їх рухливості, коефіцієнта поглинання збуджуючого і розсіяного ІЧ-світла.

У третьому розділі наводяться результати досліджень непружного розсіяння ІЧ світла одночастинковими неекранованими збудженнями вільних носіїв заряду в кристалах p-Ge.

Досліджувані кристали p-Ge мали концентрацію домішок від 5•1015 см-3 до 4, 5•1017 см-3. Вимірювання спектрів непружного розсіяння світла проводилися в «геометрії розсіяння назад» від (110) та (1-12) поверхонь зразків при 300 К та 80 К. За таких температур домішки були термічно іонізовані. При зазначених концентраціях носіїв та температур газ носіїв був невиродженим і виконувалася умова їх сильного екранування (|q|re<<1, q  хвильовий вектор розсіяння, re довжина екранування).

Спектри непружного розсіяння світла вільними носіями заряду в p-Ge були типовими для розсіяння на неекранованих одночастинкових збудженнях носіїв і являли собою широку смугу (симетричну при 300 К та антисиметричну при 80 К), яка простягалася на ~ 180 см-1 по обидва боки від збуджуючої лазерної лінії (рис. 1а).

Встановлено, що при температурі кристалів 80 К ширина смуги істотно збільшується при зростанні концентрації домішок у них. Це свідчить про те, що розсіяння світла носіями заряду відбувається за умови їх частих зіткнень із дефектами кристалічної гратки (в основному, з іонізованими домішками). Ефективність розсіяння практично не змінюється при зміні температури кристала від 80 до 300 К.

Рис. 1. Типові спектри електронного розсіяння світла кристалів p-Ge при 80 К для різних концентрацій носіїв (а) та ефективність розсіяння світла для різних кутів  між ei та es, нормована на ефективність при  = 0. ei || [001] і es змінюється в площині (110) ; N = 3•1016 см-3;  = i -s =40 см 1 (б).

Ефективність спостережуваного одночастинкового розсіяння світла слабко залежить від взаємної орієнтації напрямків поляризації падаючого ei та розсіяного es світла (рис. 1б) і може бути описана виразом Is=a+b (ei•es). Встановлено, що параметри a і b практично не залежать від того, в яких кристалографічних площинах знаходяться вектори ei та es ((110) або (1-12)). Це свідчить про те, що розсіяння світла, яке виникає внаслідок анізотропії енергетичного спектра носіїв і яке пов'язане з флуктуаціями ефективної маси, в кристалах германію незначне (внаслідок слабкого гофрування валентної зони). Розсіяння світла на флуктуаціях спінової густини та флуктуаціях електронної енергії носіїв також не дає істотного внеску в спостережувані спектри електронного розсіяння світла в кристалах p Ge, оскільки перше спостерігається тільки при ei  es, а друге – лише при ei || es і його ефективність сильно залежить від температури Т (пропорційно Т 3), що не спостерігалося.

Спостережувана слабка поляризаційна залежність ефективності електронного розсіяння в p Ge добре співпадає з теоретично передбаченою залежністю для розсіяння світла флуктуаціями густини повного кутового моменту дірок [1*]. Більше того, форма виміряного спектра та абсолютні величини ефективності розсіяння світла також добре узгоджуються з теоретичними (рис. 2),