Дослідження збуджень електронного газу в кристалах германію методом непружного розсіяння світла

7. Poroshin V. N., Gaydar A. V. Infrared light scattering by free holes in uniaxially compresed p-type Ge // Proc. XIV International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”. – Odessa (Ukraine). – 1999. – P. 117. 

ЦИТОВАНА Список використаних джерел

1*. Войтенко В. А., Ипатова И. П., Субашиев А. В. Рассеяние света свободными дырками в полупроводниках со сложной валентной зоной // Письма в ЖЭТФ. – 1983. – Т. 37, №7. – С. 334-337. 

2*. Рeбане Ю. Т. Инфpакpасное поглощение и плазменное отражение в полу-проводниках p-типа // ФТП. – 1980. – Т. 14, №2. – С. 289-294. 

3*. Баханова Е. В., Васько Ф. Т. Диэлектрическая проницаемость одноосно деформированного полупроводника с вырожденными зонами // ФТП. – 1987. – Т. 21, №6. – С. 1068-1074. 

4*. Bakhanova E. V., Vasko F. T. Effect of crystal anisotropy on infrared hole tran-sitions in uniaxially stressed semiconductors // Phys. stat. sol. (b) – 1994. – Vol. 182, № 1. – P. 97-107. 

5*. Васько Ф. Т. Вынужденное комбинационное рассеяние на дырках одноосно сжатого полупроводника // ФТТ. – 1990. – Т. 32, № 10. – С. 2985-2989. 

 

 

Гайдар О. В. Дослідження збуджень електронного газу в кристалах германію методом непружного розсіяння світла. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01. 04. 07 – фізика твердого тіла. – Інститут фізики НАН України, Київ, 2002.

Дисертація присвячена експериментальному дослідженню збуджень вільних носіїв заряду в кристалах германію p-типу (концентрація носіїв 5•1015  7, 2•1017 см-3) методом непружного розсіяння світла. Для проведення досліджень була створена оригінальна установка для вимірів спектрів розсіяння випромінювання СО2 лазера вільними носіями заряду в кристалах.

Виявлено квазіпружне розсіяння світла неекранованими одночастинковими збудженнями вільних носіїв заряду. Слабка поляризаційна залежність інтенсивності розсіяного світла, спостережувана форма спектра та абсолютна величина ефективності розсіяння дозволили ідентифікувати його як розсіяння на флуктуаціях густини повного кутового (квадрупольного) моменту важких дірок. Таким чином, підтверджено існування, передбаченого раніше теоретично, нового типу одночастинкових внутрішньопідзонних збуджень вільних носіїв заряду в кристалах із виродженою валентною зоною.

Встановлено, що в кристалах p-Ge, на відміну від кристалів із простою структурою зон, частота плазмонів зростає при збільшенні концентрації носіїв N не пропорційно N1/2, а смуга плазмового розсіяння світла має сильно асиметричну форму. Показано, що зазначені особливості обумовлені наявністю у валентній зоні германію двох підзон (легких та важких дірок) і внеском переходів носіїв між ними в діелектричну проникність кристала.

У направлено деформованих кристалах виявлено та досліджено розсіяння ІЧ-світла, яке пов'язане з переходами носіїв заряду між розщепленими деформацією нижніми валентними підзонами поблизу їх екстремумів. Встановлено, що направлена деформація кристала призводить до зміни частоти плазмових коливань носіїв.

Ключові слова: флуктуації квадрупольного моменту дірок, плазмони, непружне розсіяння світла, германій, міжпідзонні переходи, направлений тиск.

 

 

Gaydar A. V. Investigation of electron gas excitations in the crystals of germanium by inelastic light scattering. – Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences, speciality 01. 04. 07 – solid state physics. – Institute of Physics National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

Excitations of a free electron gas in p-type germanium over a wide range of carrier concentrations (5•1015  7, 2•1017 см-3) were investigated by inelastic light scattering. The original setup has been developed for study of electronic light scattering of 10, 6  radiation from a CO2-laser.

Scattering by unscreened single-particle excitations of free carriers was observed. On the basis of the measured polarization properties of the observed spectra, its shape and scattering efficient we conclude that this scattering is due to intraband fluctuations of the quadruple moment of holes. This is first observation of theoretically predicted new type of unscreened single-particle excitations in the semiconductors with degenerate valence band.

The observation and study of pure plasmons by light scattering are presented. The observed dependence of the plasma frequency on carrier concentration N and shape of the plasmon line (plasmon frequency is not proportional to N1/2 and plasmon line has asymmetrical shape) are markedly different from those obtained from the Drude-type permittivity of free carriers. The effect is caused by interband electronic transitions from the heavy- to light-hole bands. These are the first study of properties of collective excitations of free carriers in p-type materials.

IR light scattering by free carriers in uniaxially compressed p-Ge was investigated. A new line is found in Raman spectra, whose spectral position varies as the stress-dependent splitting of topmost valence bands. Therefore, this line is attributed to interband transitions. The change of the plasmon frequency under a uniaxially stress was also observed.

Keywords: fluctuations of quadruple moment of holes, plasmons, inelastic light scattering, germanium, interband transitions, uniaxially stress.

 

 

Гайдар А. В. Исследования возбуждений электронного газа в кристаллах германия методом неупругого рассеяния света. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01. 04. 07 – физика твёрдого тела. – Институт физики НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию одночастичных неэкранируемых и коллективных (плазменных) возбуждений свободных носителей заряда в кристаллах германия p-типа с концентрациями носителей 5•10157, 2•1017 см-3 методом неупругого рассеяния света. Для проведения исследований была создана оригинальная установка для измерения спектров рассеяния излучения СО2-лазера свободными носителями заряда в кристаллах.

Обнаружено квазиупругое рассеяние света неэкранируемыми одночастичными возбуждениями свободных носителей заряда. Слабая поляризационная зависимость интенсивности рассеянного света, форма спектра и абсолютная величина эффективности рассеяния позволили идентифицировать наблюдаемое рассеяние как рассеяние на флуктуациях плотности полного углового (квадрупольного) момента дырок. Таким образом, подтверждено существование, предсказанного ранее теоретически, нового типа одночастичных внутриподзонных возбуждений свободных носителей заряда в полупроводниках с вырожденной валентной зоной.

В кристаллах с концентрациями носителей больших 1•1017 см-3 наблюдалось рассеяние света плазмонами, что позволило впервые исследовать свойства плазменных колебаний носителей и рассеяния ими света. Установлено, что в отличие от кристаллов с простой энергетической зоной, частота плазмонов в p Ge возрастает с увеличением концентрации носителей не пропорционально N1/2, а полоса плазменного рассеяния света имеет сильно ассиметричную форму. Показано, что наблюдаемые концентрационная зависимость частоты плазмонов и асимметрия полосы рассеяния ими света обусловлены существенным вкладом в диэлектрическую проницаемость кристалла переходов носителей заряда между нижними подзонами валентной зоны германия.

В одноосно деформированных кристаллах, наряду с рассеянием света на внутриподзонных возбуждениях носителей, обнаружено рассеяние ИК-света, обусловленное флуктуациями плотности полного углового момента носителей при их переходах между расщепленными деформацией нижними валентными подзонами. Установлено, что изменение частоты света при рассеянии определяется величиной расщепления экстремумов подзон, а ширина полосы рассеянного света – средней энергий носителей. Интегральная интенсивность рассеянного света не зависит от величины приложенного к кристаллу одноосного давления и пропорциональна концентрации свободных носителей. Установлено, что в образцах с концентрацией носителей 3•1016 см-3 и величине приложенного одноосного давления Р=2, 5 кбар (P || [001]) интенсивность рассеянного света возрастает пропорционально интенсивности (до1, 5 МВт/см2) возбуждающего ИК- света.

Показано, что одноосная деформация кристаллов германия приводит к изменению частоты плазменных колебаний носителей.

Ключевые слова: флуктуации квадрупольного момента дырок, плазмоны, неупругое рассеяние света, германий, межподзонные переходы, одноосное давление.