СОДЕРЖАНИЕ
Введение ........................................................................ 3
Глава I. Экситоиные состояния в квазннульмерных полупроводниковых структурах
0 1 ' II 7 * * ‘
при различных уровнях возбуждения (по литературе)................................ 10
§1.1. Экситоиные состояния в квазинульмерным полупроводниковых
структурах............................................................... 10
§1.2. Особенности нелинейных оптических эффектов при высоких уровнях
оптического возбуждения в полупроводниковых квантовых точках............. 12
§1.3. Методы получения полупроводниковых квазиодномерных и квазинульмерных
структур................................................................. 17
Глава II. Нелинейное взаимодействие мощных ультракоротких импульсов света с экситонами в коллоидном растворе квантовых точек Сс18е/2п8 в гексане при их резонансном двухфотонном возбуждении............................................. 22
§2.1. Исследуемые образцы квантовых точек..................................... 22
§2.1.1. Спектры пропускания и фотолюминесценции квантовых точек
Сс18е/2п8.............................................................. 23
§ 2.1.2. Спектры возбуждения фотолюминесценции квантовых точек
СсіБе/гпЗ.............................................................. 29
§ 2.2. Схема экспериментальной установки и методика измерения пропускания образца с квантовыми точками Сс18е/2п8 при различных уровнях
возбуждения............................................................ 36
§ 2.3. Нелинейное пропускание коллоидного раствора квантовых точек СсІБс^пЗ при резонансном двухфотонном возбуждении основного экситонного
состояния................................................................ 44
§ 2.3.1. Измерение коэффициента двухфотонного поглощения в квантовых
точках СсІЯс^пБ при резонансном возбуждении основного экситонного
перехода............................................................... 44
§ 2.3.2.Ограничение интенсивности света при двухфотонном поглощении........... 49
1
Глава III. Нелинейное изменение показатели преломления в коллоидном растворе квантовых точек С<18с^п8 в гексане при резонансном двухфотонном возбуждении экситонов........................................................ 52
§3.1. Измерение изменения показателя преломления в коллоидном растворе квантовых точек С<18е^п8 в гексане при резонансном двухфотонном возбуждении экситонов .................................................... 52
§ 3.2. Температурная зависимость спектров пропускания коллоидного раствора
квантовых точек Сё8е/2п8 в гексане................................... 58
Глава IV. Эффект насыщения и явления самовоздействия при резонансном однофотонном возбуждении экситонов в коллоидном растворе квантовых точек Сд8^п8 в гексане.......................................................... 67
§4.1. Нелинейное пропускание в коллоидном растворе квантовых точек СМ8е/^п8 в гексане при резонансном однофотонном возбуждении экситонов.............. 67
§ 4.2. Эффекты самовоздействия в условиях насыщения поглощения в коллоидном растворе квантовых точек Сс18с/2п8 в гексане при резонансном однофотонном возбуждении экситонов..................................................... 78
Заключение................................................................... 83
Список литературы............................................................ 86
2
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы полупроводниковые структуры, в которых движение носителей ограничено по нескольким направлениям (квантовые ямы, нити и точки), привлекают внимание исследователей [1-6] не только своими специфическими электронными свойствами, но и возможностью их применения в электронных и оптоэлсктронных устройствах [1,2].
Ограничение движения носителей в квазинульмериых структурах уменьшает расстояние между электроном и дыркой, тем самым, усиливая эффективное кулоновское взаимодействие между ними. Кроме того, если в квантовых ямах функция плотности состояний имеет ступенчатую форму, то в квантовых проводах и квантовых точках эта функция состоит из набора узких пиков. Безусловно, все это сказывается на оптических, электрических и магнитных характеристиках таких наноструктур, и позволяет надеяться на то, что в наноструктурах все нелинейные эффекты будут проявляться при значительно меньших накачках. Следует также отмстить, что в квантовых точках и квантовых нитях практически все происходящие в них процессы даже при. малых уровнях оптического возбуждения можно считать неравновесными.
Дополнительные квантовые ограничения приводят к сужению спектра усиления, большим значениям дифференциального усиления [7], увеличению энергии связи экситонов [2] и большим оптическим нелинейностям [8]. Таким образом, применение наноструктур с пониженной размерностью может улучшить характеристики лазеров (снизить порог генерации, уменьшить влияние изменения температуры на характеристики лазера), оптических переключателей и ограничителей (понизить значения энергий, затрачиваемые на переключение и уменьшить времена переключения).
Совершенствование методов выращивания наноструктур за последнее время позволяет надеяться на то, что все особенности наиостуктур, изложенные выше, найдут широкое практическое применение.
Настоящая диссертационная работа посвящена изучению природы нелинейных эффектов, возникающих при распространении мощных ультракоротких световых импульсов различной интенсивности в среде с полупроводниковыми квантовыми точками в условиях одно- и двухфотонного резонансного возбуждения основного экситоиного состояния. Одной из основных особенностей спектров исследуемых наноструктур
3
является их значительное неоднородное уширение, обусловленное в первую очередь дисперсией размеров квантовых точек.
В работе исследовались линейные и нелинейные оптические свойства экситонных переходов в коллоидных растворах квантовых точек СсШе/ЯпБ в гексане. Результаты получены при анализе измеренных спектров линейного и нелинейного поглощения, фотолюминесценции, фотолюминесценции возбуждения, фотолюминесценции, разрешенной во времени.
Цели исследований:
1. Изучение особенностей проявления эффекта ограничения интенсивности света в квантовых точках Ссі8е/7лі8 при резонансном двухфотониом возбуждении основного экситонного состояния мощными ультракороткими импульсами лазерного излучения.
2. Установление механизмов оптических нелинейностей, определяющих изменение расходимости лазерного пучка, прошедшего через кювету с коллоидным раствором квантовых точках СсіБе^пЗ в условиях одно- и двухфотонного резонансного возбуждения основного экситонного состояния мощными ультракороткими импульсами лазерного излучения.
3. Изучение особенностей резонансного однофотонного взаимодействия мощных ультракоротких импульсов лазера с экситонами в коллоидных квантовых точках СМ8е/2п8.
Актуальность темы диссертации заключается в следующем.
Во-первых. В настоящее время наиболее перспективными направлениями с точки зрения создания новых приборов и материалов с уникальными свойствами представляется разработка технологий создания новых полупроводниковых наноструктур и изучение их физических свойств. Постоянно возрастающий интерес именно к полупроводниковым наноструктурам в первую очередь, по-видимому, обусловлен существованием широкого спектра возможностей для управления свойствами полупроводников. Как известно, радикального изменения их свойств можно достичь путем варьирования состава полупроводниковых твердых растворов, изменения концентрации и типа примесей, изменением внешних условий - температуры, параметров освещения, напряженности внешних электрического и магнитного полей. Ограничение движения свободных носителей в одном или нескольких направлениях, приводящее к эффекту размерного
квантования, открывает дополнительную возможность эффективного управления свойствами наноструктур путем изменения размеров.
Во-вторых. Для создания устройств, позволяющих управлять мощными световыми потоками светом, необходимо иметь информацию о природе нелинейных эффектов в различных полупроводниковых средах. В квазинульмерных структурах механизмы оптических нелинейностей изучены в малой степени. Поэтому представляется перспективным использование методов нелинейной лазерной спектроскопии для выяснения особенностей процессов взаимодействия мощных световых потоков с квантовыми точками в условиях резонансного возбуждения отдельных состояний в таких наноетуктурах и генерации более чем одной электронно-дырочной пары на квантовую точку.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые в квантовых точках СбЗе/ХпБ (коллоидный раствор в гексане) обнаружен эффект ограничения интенсивности света при резонансном двухфотонном возбуждении основного экситонного перехода мощными ультракороткими импульсами лазера.
2. При резонансном двухфотонном возбуждении основного экситонного перехода квантовых точек С(15е/2п8 при высоких уровнях оптического возбуждения обнаружено нелинейное увеличение поглощения, обусловленное не только двухфотонным поглощением, но и дополнительным поглощением двухфотонио возбуждёнными носителями.
3. Установленный немонотонный характер зависимости отношения энергии ультракоротких импульсов лазера, прошедших через коллоидный раствор квантовых точек СёЗе^пЭ, к энергии падающих импульсов от интенсивности возбуждения при резонансном однофотоином возбуждении основного экситонного перехода квантовых точек, объяснен увеличением расходимости лазерного пучка, прошедшего через • образец, обусловленным явлениями самодефокусировки и дифракции при образовании канала прозрачности (стрип-эффскт) в среде с сильным насыщением.
Достоверность и надежность результатов.
Основные положения диссертации обоснованы экспериментально и теоретически. В работе достигнуто хорошее согласие полученных в эксперименте данных с выводами ряда
5
опубликованных теоретических работ других авторов. Достоверность и надежность результатов обеспечивается проработкой инженерно-технического проведения экспериментов, подтверждается их воспроизводимостью. Результаты исследований опубликованы в авторитетных реферируемых журналах и докладывались на различных отечественных и международных конференциях и симпозиумах.
На защиту выносятся следующие положения:
1) Обнаруженное нелинейное увеличение поглощения мощных ультракоротких импульсов лазера в квантовых точках Сб8е/2л8 при двухфотонном резонансном возбуждении экситонов объяснено процессами двухфотонного поглощения и дополнительным поглощением двухфотонно возбужденными носителями.
2) Впервые обнаружен эффект ограничения интенсивности мощных ультракоротких импульсов лазера, прошедших через кювету с коллоидным раствором квантовых точек
при резонансном двухфотонном возбуждении основного экситонного перехода в этих наноструктурах.
3) Установлен немонотонный характер зависимости отношения энергии ультракоротких импульсов лазера, прошедших через коллоидный раствор квантовых точек С(18с/7п8, к энергии падающих импульсов от интенсивности возбуждения при резонансном однофотонном возбуждении основного экситонного перехода квантовых точек. Такую зависимость можно объяснить обнаруженным увеличением расходимости лазерного луча, обусловленным явлениями самодсфокусировки и дифракции при образовании канала прозрачности (стрип-эффект) в среде с сильным насыщением.
Научная и практическая значимость работы предлагаемой диссертации обусловлена следующим. С одной стороны, в ней впервые получены новые научные результаты фундаментального характера, касающиеся практически важных с научной точки зрения процессов резонансного взаимодействия мощных световых импульсом с экситонами в полупроводниковых квантовых точках. Полученные результаты, указывают на возможные направления дальнейших исследований, направленных на поиск новых эффективных способов управления оптическими свойствами полупроводниковых наноструктур.
С другой стороны, данные исследования приобретают дополнительное значение в свете возможного широкого практического применения полупроводниковых наноструктур в приборах оптоэлектроники (активные среды лазеров, быстродействующие переключатели, ограничителей света и т.д.).
6
- Київ+380960830922