Оглавление.
Введение 4
Глава 1. Экситонные и фононные состояния кристаллов 2пве и ХпСбБе. Их проявление в оптических спектрах. Обзор литературы. 11
1.1 Фононный спектр кристаллов 2п8е и 2пСс18е.
1.1.1 Спектр решеточных колебаний кристалла 2п8с. 11
1.1.2 Спектр длинноволновых оптических колебаний в тройном твердом растворе. 13
1.1.3 Влияние однородной деформации на спектр длинноволновых оптических колебаний. 18
1.2 Общая характеристика зонной структуры кристаллов 2п8е, СсіБе и гпСбБе. 20
1.2.1 Электронная зонная структура кристаллов 2пБе и 2пСс18е. 20
1.2.2 Влияние размерного квантования на зонную структуру. 23
1.2.3 Влияние однородной деформации на электронную зонную структуру 25
1.3 Оптические спектры квантовых ям 2пС(18е/2п8е. 29
1.3.1 Особенности взаимодействие экситонов с электромагнитным полем в квантовых ямах. 29
1.3.2 Проявление экситонных состояний в оптических спектрах структур 2пСс18е/2п8е. 32
1.3.3 Резонансные экситон-фононные линии в спектрах излучения квантовых ям 2пСб8е/2п8е. 34
1.3.4 Дефекты квантовых ям и их проявление в оптических спектрах. 38 Глава 2. Характеристика исследованных структур и описание экспериментов. 42
Глава 3. Низкотемпературные экситон-фононные спектры в открытых нанопроволоках и квантовой яме 2пСі18е/2п8е. 50
3.1 Спектры возбуждения экситонного излучения и зависимость спектров
вторичного свечения от энергии возбуждения. 50
3.2 Зависимость интенсивности резонансных экситон-фононных линий от энергии возбуждения. 57
3.3 Вычисление энергий оптических фононов квантовой ямы Zno.j57Cdo.13Se/ZnSe при низкой температуре. 62
3.4 Механизмы формирования резонансных экситон-фононных линий. 69
3.5 Заключение. 81 Глава 4. Рамановское рассеяние в структурах ZnCdSdZl^St с квантовой ямой и открытыми нанопроволоками при комнатной температуре. 83
4.1 Спектры рамановского рассеяния полученные при комнатной температуре с использованием различных линий лазерного возбуждения.
83
4.2 Оценка энергий продольных оптических фононов в исследованных структурах. 87
4.3 Обсуждение особенностей формирования линий рамановского рассеяния в структурах с квантовой ямой и открытыми нанопроволоками. 89
4.4 Заключение. 93
Глава 5. Анизотропия линейной поляризации вторичного свечения в открытых нанопроволоках и квантовых ямах Zl\CilSdZnSe. 95
5.1 Линейная поляризация спектров люминесценции открытых нанопроволок zncdsdznsc. . 95
5.2 Анизотропия спектров рамановского рассеяния в открытых нанопроволоках ZnCdSdZnSe. 101
5.3 Анизотропия оптических спектров квантовых ям 2пСб8е/2п8е. 104
5.4 Природа анизотропии спектров люминесценции квантовых ям (анизотропия излучения локализованных экситонов). 117
5.5 Анизотропия рассеяния экситонов на шероховатостях в квантовых ямах и нанопроволоках. 119
5.6 Заключение. 131
Основные результаты и выводы. 134
Список литературы. 136
Введение.
4
Полупроводниковые структуры с пониженной размерностью, такие как квантовые ямы, квантовые проволоки и квантовые точки являются в настоящее время одним из основных объектов исследовании в физике полупроводников. Практическое использование таких структур, с одной стороны, выдвигает задачу всестороннего изучения общих закономерностей протекающих в них процессов, а, с другой стороны, ставит задачу развития методов характеризации создаваемых структур. Решать указанные задачи, в числе прочих, позволяют методы оптической спектроскопии. Одним из эффективных методов оптической спектроскопии является исследование спектров вторичного свечения, возникающих при резонансном возбуждении. Такие исследования дают возможность получать информацию о структуре электронной и решеточной подсистем, о механизмах взаимодействия этих подсистем между собой, а также о механизмах взаимодействия подсистем с внешним электромагнитным полем.
При монохроматическом лазерном возбуждении в области экситонных резонансов наблюдаемые спектры вторичного свечения возникают в результате взаимодействия возбуждаемых экситонов с решеточными колебаниями. В квантово-размерных структурах участие в формировании наблюдаемых спектров могут принимать как распространенные, так и локализованные экситонные состояния, как фононные моды барьера, так и фононные моды ямы. Возможность одновременного участия перечисленных состояний и мод в процессах формирующих вторичное свечение является, по-видимому, причиной имеющейся в литературе неоднозначной интерпретации наблюдаемых спектров. Кроме того, неоднозначность интерпретации связана и с возможностью формирования экситон-фононных линий в наблюдаемых спектрах вторичного свечения через механизмы рамановского рассеянии или механизмы горячей люминесценции. В этой связи возникает необходимость выполнения исследований, в которых бы выбор условий экспериментов и
характера анализа полученных данных создавали бы предпосылки для надежной интерпретации особенностей наблюдаемых спектров вторичного свечения.
В структурах с квантовыми ямами и проволоками существенное влияние на наблюдаемые оптические спектры оказывают флуктуации толщины ям (quantum well roughness). Исследованию влияния разупорядочения, связанного с шероховатостями границ раздела, на оптические спектры полупроводниковых структур посвящено большое число работ (см. например, работы [1-5] и ссылки в них). В этих работах рассматривалось, в основном, влияние флуктуаций ширины ям на излучательные экситонные состояния, которые могут непосредственно взаимодействовать с внешним электромагнитным полем и которые, в результате этого, дают основной вклад в наблюдаемые оптические спектры. Шероховатые границы раздела за счет нарушения закона сохранения волнового вектора могут приводить к участию в формировании наблюдаемых спектров безызлунательных (нерадиационных) экситонных состояний с большими волновыми векторами [6]. Исследованию проявления таких нерадиационных состояний в спектрах квантовых ям уделялось гораздо меньше внимания, а среди экспериментальных работ посвященных проявлению таких состояний в наблюдаемых спектрах можно отметить лишь работы [7-9], в которых было показано, что упругие процессы рассеяния на шероховатостях границ раздела оказывают существенное влияние на процесс рамановского рассеяния в квантовых ямах. В этой связи возникает необходимость экспериментального обнаружения и исследования процессов, в которых бы участвовали безызлучательные экситоны. Это представляется весьма важным, поскольку такие процессы должны содержать в себе информацию как о геометрии интерфейсных поверхностей границ раздела, так и о структуре экситонных зон в области больших волновых векторов.
Цель данной работы заключалась в исследовании природы наблюдаемых экситон-фононных линий и в отождествлении фононных состояний, участвующих в формировании наблюдаемых линий в спектрах
6
вторичного свечения квантовых ям и открытых нанопроволок ZnCdSe/ZnSe. Кроме того, целью представляемой работы было обнаружение и исследование влияния шероховатостей границ раздела на экситонные спектры квантовых ям и нанопроволок.
АпррМщя №УОЩ И.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на V Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 2001), на международных конференциях: Nanostuctures: Physics and Technology, (Санкт-Петербург, 2001 и 2003), а также на семинарах в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях в научных журналах, а также в материалах 3 конференций.
Выносимые.шиатиту основные положения.
1) При резонансном возбуждении вблизи основного экситонного состояния квантовых ям и нанопроволок ZnCdSe/ZnSe при гелиевых температурах наблюдаемые экситон-фононные линии формируются как через механизм рамановского рассеяния, так и через механизм горячей люминесценции. При комнатной температуре рамановское рассеяние является основным процессом формирования резонансных экситон-фононных линий вторичного свечения.
2) При возбуждении в области основного экситонного состояния ямы ZnCdSe рамановское рассеяние происходит через промежуточные состояния свободных, распространенных экситонов с участием продольных оптических фононов напряженного слоя ZnCdSe из центра зоны Бриллюэна. При возбуждении ниже экситонного резонанса слоя ZnCdSe заметный вклад в наблюдаемые линии рамановского рассеяния дают процессы резонансного рассеяния через состояния локализованных экситонов с участием LO фононов с большими волновыми векторами из периферических участков зоны Бриллюэна.
3) Упругие процессы рассеяния на шероховатостях границ раздела квантовой
7
ямы приводят к появлению канала поглощения света, в результате которого возбуждаются безызлучательные экситоны с большими волновыми векторами.
4) В квантовой яме ZnCdSe/ZnSe, выращенной вдоль высокосимметричного направления [100], преимущественное распределешю ступенек роста вдоль оси [011] на интерфейсных границах раздела приводит к анизотропии непрямого возбуждения безызлучательных экситонов. В результате упругих процессов возбуждаются в основном экситоны с волновыми векторами вдоль оси [011]. Различие вероятности упругого рассеяния для дырок Р-типа, оси волновых функций которых ориентированы вдоль или поперек ОСИ [011], приводит к преимущественному выстраиванию дипольных моментов возбуждаемых экситонов вдоль направления [011].
5) Поляризационная анизотропия резонансного рамановского рассеяния на продольных оптических фононах открытых нанопроволок ZnCdSe/ZnSe обусловлена анизотропией экситон-фотонного взаимодействия и анизотропией упругого рассеяния экситонов на шероховатостях.
Структура и объем диссертации-
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 141 страницы, 44 рисунка, 105 библиографических ссылок.
В главе 1 представлен обзор работ, посвященных общей характеристике экситонных и фононных состояний в кристаллах ZnSe, ZnCdSe и низкоразмерных структурах на их основе. Рассмотрены основные эффекты (композиционный, размерный, напряжения) влияющие на их энергетические спектры. Рассмотрены работы в которых проводится анализ поляритонных состояний в квантовых ямах. Отмечены характерные особенности низкотемпературных спектров резонансного вторичного свечения структур ZnCdSe/ZnSe. На основе анализа представленных литературных данных сформулированы задачи исследования.
В Главе 2 представлены параметры исследуемых образцов и описаны применяемые методики для их экспериментальных исследований.
Главы 3, 4 и 5 содержат результаты исследований, проведенных автором. Глава 3 посвящена исследованию резонансных низкотемпературных экситон-фононных спектров в открытых нанопроволоках и квантовой яме ZnCdSe/ZnSe. Построены резонансные профили наблюдаемых экситон-фононных линий. Выполнен численный расчет энергий длинноволновых фононов в биаксиально напряженных кристаллах ZnSe и ZnCdSe. На основе анализа экспериментальных данных и численного расчета выполнена идентификация экситонных и фононных состояний, принимающих участие в формировании экспериментальных спектров. Выделены вклады механизмов формирования линий в экспериментальных спектрах.
Глава 4 посвящена исследованию рамановского рассеяния в структурах ZnCdSe/ZnSe с квантовой ямой и открытыми наноироволоками при комнатной температуре и различных (по отношению к основным экситонным состояниям ямы и барьера) энергиях лазерного возбуждения. Проведена оценка энергий длинноволновых продольных оптических фононов в исследуемых структурах при комнатной температуре. На основе сравнения экспериментальных данных и численной оценки проводится анализ особенностей формирования линий рамановского рассеяния в исследуемых структурах.
Глава 5 посвящена исследованию анизотропии линейной поляризации спектров вторичного свечения открытых нанопроволок и квантовой ямы ZnCdSe/ZnSe. На основе анализа экспериментальных данных выделены механизмы приводящие к появлению линейной поляризации в спектрах вторичного излучения указанных структур. Для рамановского рассеяния в открытых нанопроволоках оценена анизотропия экситон-фотонного взаимодействия и обнаружена наследуемая ими от исходной структуры с квантовой ямой анизотропия упругого рассеяния на шероховатостях интерфейсов ямы. В квантовой яме выделено два основных механизма формирования анизотропии линейно поляризованных спектров излучения. Обсуждены особенности формирования спектров анизотропии линейно поляризованного излучения структур.
9
В конце работы приведены основные результаты и выводы. Ошош1Ь1е-Рдзуд{>тжь».дисссрташн| щдуйшшшшды-вдждушших работах:
1. V.V. Travnikov, V.H. Kaibyshev, N.V. Lomasov, S.I. Nesterov, V.L Skopina, E.M. Tanklevskaya, J. Puls, M. Rabe and F. Henneberger, Nanotechnology, 2001, 12, 602-606, «Resonant exciton-phonon spectra in a ZnCdSe/ZnSe single quantum well».
2. B.X. Кайбышев, В.В. Травников, В.Ю. Давыдов, Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 7, 1311-1315, «Спектры резонансного рамановского рассеяния в структуре ZnCdSe/ZnSe с квантовой ямой и открытыми нанопроволоками».
3. В.В. Травников, В.Х. Кайбышев, Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 7, 1316-1324, «Резонансные экситон-фоношгые спектры в открытых
нанопроволоках ZnCdSe/ZnSe: комбинационное рассеяние и горячая
люминесценция; распространенные и локализованные экситонные состояния».
4. V.H. Kaibyshev and V.V. Travnikov, International Journal of Nanoscience, 2003, vol. 2, no. 6, 479-485, «Anomalous anisotropy of resonant raman scattering in open ZnCdSe/ZnSe nanowires».
5. B.X. Кайбышев, В.В. Травников, Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып.4, 464-472, «Влияние интерфейсных ступенек роста на анизотропию экситонного излучения квантовых ям ZnCdSe/ZnSe».
6. В.В. Травников, В.Х. Кайбышев, Письма в ЖЭТФ, 2006, том 83, 346-350, «Линейная поляризация квантовых ям ZnCdSe/ZnSe, индуцированная анизотропным геометрическим профилем интерфейсов».
7. В.Х. Кайбышев, В.В. Травников, М.Рабе, Ф.Хеннебергер, Тезисы V Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 2001), т.2, стр.357, "Анизотропия экситон-фононного рассеяния в
нанопроволоках ZnCdSe/ZnSe".
8. V.V. Travnikov, V.H. Kaibyshev, M.Rabe, F. Henneberger, Proceedings of the 9th International Symposium "Nanostuctures: Physics and Technology", St.Petersburg, 2001, 570, «Resonant exciton-phonon spectra in ZnCdSe/ZnSe single QW: Raman
Scattering and hot luminescence; extended and localized excitons».
9. V.H. Kaibyshev, V.V.Travnikov, Proceedings of the 11th International Symposium "Nanostuctures: Physics and Technology", St.Petersburg, 2003, 52, «Anomalous anisotropy of Resonant Raman scattering in open ZnCdSe/ZnSe nanowires».
и
Глава 1. Экснтонные и фононные состояния кристаллов 2п8е н 2пС<18е. Их проявление в оптических спектрах. Обзор литературы.
1.1 Фононный спектр кристаллов 2п8е и 2пСс18е.
1.1.1 Спектр решеточных колебаний кристалла 2п8е.
Задачей нахождения спектра колебаний кристаллической решетки занимается теория динамики кристаллической решетки [10]. Для кристаллических решеток с двумя атомами в элементарной ячейке уравнения движения имеют три решения, отвечающих акустическим колебаниям, и три решения для оптических колебаний. В кристаллах кубической симметрии для направлений распространения волны q вдоль осей высокой симметрии всегда можно выбрать решения таким образом, что вектора их поляризаций (направление вдоль которого совершают колебания атомы) были бы параллельны или перпендикулярны направлению распространения Такие решения получили соответственно названия продольных и поперечных колебаний. Для кристаллов с кубической симметрией частота продольных акустических колебаний всегда (за исключением ч=0) больше частоты поперечных [11]. Для оптических колебаний в ионных кристаллах также имеется расщепление на продольные и поперечные ветви. Оно связано с возникновением макроскопического электрического поля для продольных колебаний ионов.
На рисунке 1 приведен спектр решеточных колебаний из
работы [12]. Вдоль горизонтальной оси рисунка отложены отнормированные волновые векторы вдоль направлений (001), (110) и (111). Символами (сплошной квадрат для поперечной и сплошной кружок для продольной мод) на рисунке обозначены экспериментальные значения, сплошные линии соответствуют теоретическому расчету с использованием приближения жестких ионов.
12
(001) (110) (і 11)
Рис. 1 Спектр колебаний решетки кристалла 2п8е [12].
- Київ+380960830922