Теоретичні дослідження спінових та електрон-фононних взаємодій в твердотільних структурах

В розділах 4-6 розглядається взаємодія високочастотних акустичних фононів з електронами в надгратці в режимі стрибкового транспорту. Ми показали, що такі надгратки можуть використовуватись як для ефективної генерації фононів, так і для їх детектування. Запропоновані методи якісно відрізняються від класичних і використовують багаті можливості гетероструктур для створення контрольованої інверсії електронних станів в терагерцовій області.

Нижче наводяться основні результати, одержані в дисертації:

В наближенні нульової маси легкої дірки знайдено неваріаційний метод розв’язання рівнянь Латтінжера, який дозволив визначити весь енергетичний спектр та хвильові функції мілкого акцепторного центру. Цей підхід дозволив також знайти поправку для кінцевого відношення мас легкої та важкої дірок. Мале відношення мас дірок призводить до неекспоненційного спадання хвильової функції мілкого акцептора в широкому діапазоні радіусів. Це супроводжується анізотропією хвильової функції. Теорія виявилась справедливою для всіх актуальних напівпровідників. Встановлена поведінка хвильової функції повинна виявитись в таких ефектах як стрибкова провідність та т. ін.

Розглянуто дірковий магнітний полярон в наближенні максимально сильної взаємодії спінів. Варіаційні розрахунки для параметрів типових напівмагнітних напівпровідників показали, що навіть в цьому випадку, утворення автолокалізованого стану утруднено. Показано також, що в напівмагнітних напівпровідниках зі структурою цинкової світні форма діркового магнітного полярона анізотропна: полярон стиснутий у напрямі його магнітного моменту. При врахуванні анізотропії діркового спектру властивості полярона залежать від орієнтації магнітного моменту по відношенню до кристалографічних осей кристалу. Наприклад, енергія зв’язку полярона максимальна у напрямі магнітного моменту полярона вздовж напряму діагоналі куба [111].

Запропоновано новий електричний метод генерації високочастотних когерентних акустичних фононів в надгратці в режимі стрибкового транспорту. Для фононів, що розповсюджуються вздовж осі надгратки та мають енергію злегка меншу ніж штарківське розщеплення, виникає нестійкість. Значення інкремента нестійкості досягає 108 с-1, що значно перевищує втрати фононів за рахунок розсіяння. Екранування електрон-фононної взаємодії для таких фононів не суттєвє. Нелінійним механізмом, що подавляє зріст числа фононів, є нагрів електронного газу за рахунок нерівноважних фононів. Показано, що стаціонарний розподіл генеруємих фононів має вигляд вузького піка, фактично виділяеться одна мода, а густина потоку енергії може досягати 102 Вт/см2. При цьому має місце значне зростання електричного струму. В реальних надгратках ефективна генерація можлива для стоячих фононних мод, які лежать на границі фононної мінізони  . Генерація таких мод призводить до появи піків в ВАХ надгратки.

Запропоновано новий електричний метод детектування високочастотних акустичних фононів за допомогою надграток в режимі стрибкового транспорту. Показано, що вигляд відгуку струму за рахунок нерівноважних фононів, чуттєвий до конфігурації системи “фононне джерело-надгратка” та до температури нерівноважних фононів. Одержані залежності відгуку струму від напруги та їх поведінка для різних температур нерівноважних фононів близькі до тих, що спостерігались на експерименті.

  

 

1. Linnik T. L., Mozdor E. V., Sheka V. I. Acceptor energy levels for cubic semiconductors with the large ratio of effective masses of heavy and light holes// Abstracts of the 16-th Int. Conf. on Theory of Semiconductors. Odessa. – 1994. – P. 54 – 55.

2. Линник Т. Л., Рубо Ю. Г., Шека В. И. Анизотропия дырочного магнитного полярона в полумагнитных полупроводниках// Письма в ЖЭТФ. – 1996. – Т. 63, N3. – С. 209 – 213.

3. Glavin B. A., Kochelap V. A., Linnik T. L. Amplification of acoustic phonons in a multiple quantum well structures// Proceedings of the 24th Int. Conf. on Physics of Semiconductors, World Scientific. – 1999, E6.

4. Linnik T. L., Sheka V. I. The shallow acceptor eigenstates and spin Hamiltonian in GaAs-type semiconductors// Physica Status Solidi (b). – 1998. – V. 210, – P. 801 – 804.

5. Линник Т. Л., Шека В. И. Акцепторные состояния в кубических полупроводниках с большим отношением масс дырок// Физика твердого тела. – 1999. – Т. 41, N 9. – С. 1556 – 1563.

6. Glavin B. A., Kochelap V. A., Linnik T. L. Generation of high frequency coherent acoustic phonons in a weakly coupled superlattice// Applied Physics Letters. – 1999. – V. 74, N 23. – P. 3525 – 3527.

7. Glavin B. A., Linnik T. L., Kochelap V. A. Acoustic phonon generation in a superlattice under the hopping perpendicular transport// ICTP preprint IC98135.

8. Glavin B. A., Kochelap V. A., Linnik T. L. Current response of a superlattice irradiated by nonequilibrium phonons// Письма в ЖЭТФ. – 2000. – Т. 71, N 5. – P. 280 – 284.

9. Glavin B. A, Kochelap V. A, Linnik T. L, Kim K. W, and Stroscio M. A. Generation of high-frequency coherent acoustic phonons in biased superlattices// Proceedings of the 14th Int. Conf. on Electron Properties of 2D Systems. – Praha. – 2001, Part I, P. 357 – 360.

 

 

ЛІННІК Т. Л. “Теоретичні дослідження спінових та електрон-фононних взаємодій в твердотільних структурах”. – Рукопис.

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

Дисертація має теоретичний характер і присвячена теорії спінових та електрон-фононних взаємодій в об’ємних та низьковимірних напівпровідникових структурах. Одержано аналітичний розв’язок задачі мілкого акцептора в кубічних напівпровідниках в наближенні нульової маси легкої дірки та знайдено асимптотику хвильової функції у випадку довільного відношення мас дірок. Показано, що форма діркового магнітного полярона анізотропна за рахунок складної структури валентної зони в напівмагнітних напівпровідниках типу CdMnTe. Запропоновано новий електричний метод генерації високочастотних акустичних фононів в надгратках при стрибковому транспорті. Також запропоновано електричний метод спектрально чуттєвого детектування нерівноважних акустичних фононів в напівпровідникових надгратках.

Ключові слова: мілкий акцептор, дірковий магнітний полярон, генерація фононів, детектування фононів.

 

 

Linnik T. L. “Theoretical investigations of spin and electron-phonon interactions in solid state structures”. – Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 01. 04. 07 – solid state physics. – Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

The dissertation is devoted to the theory of spin and electron-phonon interactions in bulk and low-dimension semiconductor structures. The analytical solution of shallow acceptor problem in cubic semiconductors in the zero light hole mass limit is obtained as well as approximate solution for the case of arbitrary hole mass ratio. It is shown that the shape of the hole magnetic polaron in semimagnetic semiconductors, such as CdMnTe, is anisotropic because of complex structure of the hole spectrum. A new electrical method of high-frequency phonon generation in the superlattices, not related with the electron drift, is proposed. Generation conditions and characteristics in actual semiconductor superlattice are investigated. The electrical spectral sensitive method of phonon detection is proposed as well.

Key words: shallow acceptor, hole magnetic polaron, phonon generation, phonon detection.

 

 

Линник Т. Л. “Теоретические исследования спиновых и электрон-фононных взаимодействий в твердотельных структурах”. – Рукопись.

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

Диссертация посвящена теории спиновых и электрон-фононных взаимодействий в обьемных и низкоразмерных полупроводниковых структурах.

В модели Латтинжера получено аналитическое решение задачи о мелком акцепторном центре в кубическом полупроводнике в пределе нулевой массы легкой дырки, как для основного, так и для возбужденных состояний. Найдена асимптотика волновой функции в случае произвольного отношения масс легкой и тяжелой дырок. Малое отношение масс дырок приводит к неэкспоненциальному спаданию волновой функции акцептора в широком диапазоне радиусов и к d-симметрии волновой функции основного состояния. Качественно данная особенность сохраняется даже для Si, в котором отношение масс дырок составляет 0. 4. Такое поведение акцепторной волновой функции может повлиять на такие эффекты, как прыжковая проводимость и горячая фотолюминесценция.

Показано, что сложная форма оператора кинетической энергии дырок в полумагнитных полупроводниках типа CdMnTe, вызванная вырождением дырочного спектра, приводит к анизотропии формы дырочного магнитного полярона большого радиуса: полярон имеет форму блина, перпендикулярного направлению магнитного момента. Кубическая симметрия кристалла ведет к тому, что энергия связи полярона зависит от ориентации его магнитного момента по отношению к кристаллографическим осям. Вариационные расчеты показали, что для большинства полумагнитных полупроводников наиболее энергетически выгодной ориентацией магнитного момента полярона является направление диагонали куба [111].

Предложен новый электрический метод генерации высокочастотных акустических фононов в сверхрешетках, не связанный со сверхзвуковым дрейфом електронов. Метод основан на том, что в условиях ваннье-штарковской локализации в сверхрешетке кинематика электрон-фононного рассеяния модифицируется так, что внутриямные переходы с участием фононов, распространяющихся близко к оси сверхрешетки, запрещены законами сохранения энергии и импульса, в то время как для межямных переходов возникает инверсия заселенностей. При этом инкремент фононной неустойчивости для типичных GaAs/AlGaAs сверхрешеток достигает 108 с-1. Проанализированы различные факторы, влияющие на величину фононного инкремента. Продемонстрировано, что насыщение фононных заселенностей происходит из-за нагрева электронного газа за счет неравновесных фононов. Найден критерий порога эффективной генерации, при которой также имеет место существенное сужение спектра генерируемых фононов. Показано, что в реальных сверхрешетках конечной длины эффективная генерация возможна только для стоячих фононных мод, возникающих на границе фононной минизоны. При этом генерируемая плотность потока энергии может достигать величин порядка 102 Вт/cм2. Генерация также должна сопровождаться появлением пиков ВАХ сверхрешетки, что может служить непрямым методом экспериментального обнаружения генерации фононов.

Предложен также спектрально чувствительный электрический метод детектирования высокочастотных акустических фононов с помощью полупроводниковых сверхрешеток в режиме прыжкового транспорта. Метод основан на стимуляции межямных электронных переходов неравновесными фононами. При этом возникающий отклик тока сверхрешетки немонотонно зависит от напряжения и чувствителен как к спектральному распределению фононов, так и к пространственной конфигурации источника фононов и сверхрешетки. При заданной эффективной температуре источника фононов, начиная с некоторого порогового напряжения, преобладают процессы стимулированного испускания неравновесных фононов, что означает усиление фононного сигнала. Полученные результаты для отклика тока близки к опубликованным экспериментальным данным.

Ключевые слова: мелкий акцептор, дырочный магнитный полярон, генерация фононов, детектирование фононов.