Дослідження збуджень електронного газу в кристалах германію методом непружного розсіяння світла

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

 

ГАЙДАР ОЛЕКСАНДР ВАДИМОВИЧ

 

УДК 539. 2: 535. 36

 

 

01. 04. 07 – фізика твердого тіла

 

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

 

Київ-2002

 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики Національної академії наук України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук Порошин Володимир Миколайович, Інститут фізики НАН України, старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Пучковська Галина Олександрівна, Інститут фізики НАН України, завідувач відділу фотоактивності доктор фізико-математичних наук, професор Дмитрук Микола Леонтійович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділу поляритонної оптоелектроніки.

Провідна організація: Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет.

Захист дисертації відбувся «24» жовтня 2002 р. о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д. 26. 159. 01 при Інституті фізики НАН України (адреса: 03039, Київ-39, проспект Науки, 46).

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту фізики НАН України (03039, Київ-39, проспект Науки, 46).

Автореферат розісланий «18» вересня 2002 р.

 

 

Актуальність теми. У кристалах існують різноманітні збудження електронного газу, які призводять до розсіяння світла. Ці збудження являють собою як флуктуації зарядової густини носіїв (одночастинкові флуктуації зарядової густини, плазмони, зв'язані плазмон-фононні моди), так і флуктуації зонно-структурних параметрів носіїв (флуктуації ефективної маси, флуктуації електронної енергії, флуктуації спінової густини, флуктуації в розподілі електронів по долинах і т. ін.). Флуктуації зонно-структурних параметрів не викликають флуктуацій зарядової густини, тому вони не екрануються кулонівською взаємодією носіїв. Такі неекрановані збудження обумовлені особливостями енергетичного спектра носіїв у кристалах, наприклад, анізотропією і непараболічністю, багатодолинністю і виродженням зон, наявністю спін-орбітальної взаємодії і т. ін.

За спектрами непружного розсіяння світла можна визначати ряд параметрів збуджень електронного газу в кристалах, наприклад, симетрію, енергію та її дисперсію, час життя; досліджувати взаємодію різних електронних збуджень між собою та їх взаємодію (зв'язування) зі збудженнями кристалічної гратки – фононами. Окрім цього, можна визначати значне число важливих характеристик кристала: концентрації носіїв і домішок, знаки й абсолютні величини деформаційного потенціалу, коефіцієнт температурного звужування забороненої зони, а також деякі кінетичні коефіцієнти, які визначають релаксацію збуджень, наприклад, коефіцієнт дифузії, електронну теплопровідність, час релаксації електронної температури, час міждолинного перерозподілу носіїв і т. ін.

Вимушене комбінаційне електронне розсіяння світла може бути використане для створення джерел випромінювання. Уже створені інфрачервоні лазери на вимушеному комбінаційному розсіянні світла при переходах носіїв із переворотом спіну між рівнями Ландау в квантуючому магнітному полі в кристалах InAs та InSb.

На сьогодні неекрановані одночастинкові збудження електронного газу досить добре вивчені методом непружного розсіяння світла в кристалах з анізотропним і непараболічним спектром носіїв та в багатодолинних напівпровідниках. Детально досліджені також властивості колективних збуджень носіїв заряду (плазмонів і плазмон-фононних мод) у різних матеріалах n-типу. Розпочалися й інтенсивно проводяться дослідження збуджень вільних носіїв заряду в квантоворозмірних структурах.

На початок виконання дисертаційної роботи менш дослідженим було розсіяння світла збудженнями вільних носіїв заряду в кристалах із виродженою валентною зоною. Експериментально не було виявлено теоретично передбачене розсіяння світла флуктуаціями густини повного кутового (квадрупольного) моменту дірок, існування яких обумовлено сильною спін-орбітальною взаємодією в таких кристалах [1*]. Не були досліджені в них також властивості колективних збуджень носіїв заряду  плазмонів. У той же час ці властивості, як показано теоретично [2*], повинні відрізнятися від таких у напівпровідниках із простою енергетичною зоною. Це обумовлено наявністю у валентній зоні двох підзон (легких і важких дірок) та внеску електронних переходів між цими підзонами в діелектричну проникність кристала.

Інтерес до кристалів із виродженою валентною зоною обумовлений також тим, що направлена деформація кристалів істотно змінює структуру зони (знімається виродження підзон, енергетичний спектр носіїв стає анізотропним). Внаслідок цього, повинні спостерігатися деформаційні зміни частоти плазмонів [3*] та розсіяння інфрачервоного (ІЧ) світла при переходах носіїв між розщепленими направленою деформацією нижніми валентними підзонами [4*]. Зазначимо, що за теоретичними оцінками поріг вимушеного міжпідзонного електронного розсіяння світла в направлено деформованих кристалах p-Ge для випромінювання СО2-лазера становить 105  106 Вт/см2 [5*].

Із наведеного вище випливає, що дослідження збуджень вільних носіїв заряду, які розсіюють світло, в кристалах із виродженою валентною зоною відносяться до актуальних проблем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відділі електроніки твердого тіла Інституту фізики НАН України у відповідності з планами наукової діяльності відділу в рамках бюджетних тем:

1. 4. В/8 «Динаміка нелінійних процесів у сильних електричних або ІЧ світлових полях у напівпровідниках із складною структурою зон» (1994-1996 рр., № держреєстрації 0194U024079) ;

1. 4. 1. В/34 «Нелінійні оптичні та фотоелектричні явища в напівпровідниках і напівпровідникових гетероструктурах у сильних електричних або ІЧ світлових полях» (1997-1999 рр., № держреєстрації 0197U009165),

а також двох проектів Державного Фонду фундаментальних досліджень України:

2. 2/63 «Експериментальне та теоретичне дослідження переходів нерівноважних носіїв заряду при ІЧ-збудженні в напівпровідниках із складною будовою зон» (1992-1993