Теоретичні дослідження спінових та електрон-фононних взаємодій в твердотільних структурах

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

 

ЛІННІК ТЕТЯНА ЛЕОНТІЇВНА

 

УДК 621. 315. 592

 

 

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 напівпровідників НАН України.

Науковий керівник Кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Шека Валентин Іванович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, провідний науковий співробітник відділу теоретичної фізики.

Офіційні опоненти: Доктор фізико-математичних наук, професор Сугаков Володимир Йосипович, Інститут ядерної фізики НАН України, завідувач відділом теоретичної фізики.

Доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Шаніна Бела Дмитріївна, Інститут фізики напівпровідників НАН України, відділ оптики та радіоспектроскопії.

Провідна організація: Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, радіофізичний факультет, м. Київ.

 

Актуальність теми. В теорії зв'язаних станів дірок в об'ємних напівпровідниках ціла низка питань, не зважаючи на їх класичність, залишається відкритою, в той час як багато важливих властивостей напівпровідників визначається саме такими станами. Крім того, значний прогрес, досягнутий у створенні високоякісних наноструктур, відкриває нові перспективи розв'язку актуальних задач електроніки та оптоелектроніки з використанням унікальних властивостей низьковимірних систем.

По-перше, в теорії багатьох фізичних задач, таких як гаряча фотолюмінесценція, зв'язаний дірковий магнітний полярон, стрибкова провідність та інші, необхідне детальне знання хвильової функції мілкого акцептора в кубічних напівпровідниках. Існуючі методи дозволяють точно розрахувати спектр мілкого акцептора, але, як показано в дисертації, не виявляють важливих якісних особливостей хвильової функції.

По-друге, нез'ясованим залишається питання існування вільного діркового магнітного полярона в напівмагнітних напівпровідниках та факторів, які необхідно враховувати при побудові відповідної теорії.

По-третє, низьковимірні структури відкривають нові можливості генерації та детектування високочастотних акустичних фононів, які в об'ємних структурах неможливо було реалізувати. Наприклад, в надгратках можливі електричні методи генерації фононів, не пов'язані з надзвуковим дрейфом електронів в електричному полі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота відповідає основним науковим напрямкам діяльності Інституту фізики напівпровідників НАН України, закріплених його Статутом і виконувалась у відповідності до тем:

Бюджетної теми “Теоретичне дослідження електронного і фононного транспорту в низьковимірних напівпровідникових структурах” – постанова Бюро Відділення фізики і астрономії НАН України, протокол N9 від 20. 12. 94 р.

Бюджетної теми “Теорія нерівноважних електронних і фононних явищ в низьковимірних напівпровідникових системах” – постанова Бюро Відділення фізики і астрономії НАН України, протокол N12 від 16. 11. 99 р.

Проект ДФФД 2. 3/111 “Латеральний транспорт гарячих електронів в квантових гетероструктурах”.

Проект ДФФД 2. 4/679 “Підсилення та генерація конфайних та поверхневих акустичних фононів в мікроструктурах та низьковимірних гетероструктурах”.

Мета та задачі дослідження. Дисертаційна робота має теоретичний характер. Дослідження виконувались в двох напрямках. Перший напрямок – виявлення якісних особливостей поведінки хвильової функції мілкого акцепторного центру в кубічних напівпровідниках у випадку малого відношення мас легкої та важкої дірок та автолокалізація дірки в напівмагнітних напівпровідниках за рахунок взаємодії спіну дірки зі спінами магнітних іонів. Другий напрямок – генерація та детектування високочастотних акустичних фононів в напівпровідникових надгратках в умовах стрибкового транспорту.

Об’єктом дослідження були леговані кубічні напівпровідники та надгратки на їх основі.

Предметом дослідження були спінові та електрон-фононні взаємодії в об’ємних та низьковимірних напівпровідникових структурах.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети застосовувались методи теорії твердого тіла та числові розрахунки на ЕОМ.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

1) Показано, що в типових напівпровідниках хвильова функція мілкого акцептора спадає неекспоненційно в широкому діапазоні радіусів, а також є сильно анізотропною. Така специфіка поведінки хвильової функції акцептора є наслідком суттєвої відміни мас легкої та важкої дірок.

2) Продемонстровано, що за рахунок складної структури валентної зони форма діркового магнітного полярона великого радіуса анізотропна: полярон стиснутий у напрямку його магнітного моменту. Для більшості кубічних напівмагнітних напівпровідників найбільш енергетично вигідною орієнтацією магнітного моменту полярона є напрямок діагоналі куба.

3) Встановлено, що в умовах стрибкового транспорту в напівпровідникових надгратках виникає нестійкість акустичних фононів, що розповсюджуються вздовж осі надгратки та мають енергію злегка меншу, ніж штарківське розщеплення. Інкремент нестійкості досягає значень 108c-1 для субтерагерцових фононів, що значно перевищує втрати фононів за рахунок розсіяння. Показано, що виникнення ефективної генерації в реальних напівпровідникових надгратках кінцевої довжини можливе лише для стоячих фононних мод, що знаходяться на границях фононної мінізони. При цьому стаціонарні концентрації фононів, що генеруються, досягають значень 1019cm-3 та має місце значне зростання електричного струму в надгратці.

4) При опроміненні напівпровідникової надгратки в умовах стрибкового транспорту нерівноважними фононами виникає відгук струму, залежність якого від напруги чуттєва як до спектру нерівноважних фононів, так і до просторової конфігурації джерела фононів та надгратки.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що

1. Встановлений характер поведінки хвильової функції мілкого акцептора на великих відстанях повинен виявитись в явищах міжакцепторної взаємодії, таких як стрибкова провідність.

2. Одержаний аналітичний розв'язок для хвильової функції мілкого