Оптико-деформационные свойства объемных и низкоразмерных структур в области экситонных и межзонных резонансов

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ С.В.СТАРОДУБЦЕВА

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ

"ФИЗИКА-СОЛНЦЕ" ИМЕНИ С.А.АЗИМОВА

На правах рукописи

УДК 621.315.592

АЮХАНОВ РАШИД АХМЕТОВИЧ

ОПТИКО-ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ОБЪЕМНЫХ И НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР В ОБЛАСТИ ЭКСИТОННЫХ И МЕЖЗОННЫХ РЕЗОНАНСОВ

Специальность 01.04.10 – Физика полупроводников

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Ташкент - 2010

Работа выполнена в Физико-техническом институте НПО “Физика-Солнце” Академии Наук Республики Узбекистан

Официальные оппоненты: академик Российской Академии Наук доктор физико-

математических наук, профессор Бугаев Александр

Степанович

доктор физико-математических наук, профессор

Шамирзаев Сезгир Хабибуллаевич

доктор физико-математических наук, профессор Гуламов Гафур

Ведущая организация: Ташкентский государственный технический университет.

Защита состоится “____” _______________ 2010 года в ____ часов на заседании

Специализированного совета Д.015.08.01 при Физико-техническом институте НПО “Физика-Солнце” АН РУз по адресу: 100084, Ташкент, ул. Бодомзор йули, 2б.

Тел.: (8-10-99-871) – 233-12-71

Факс: (8-10-99-871) – 235-42-91

E:mail: karimov@uzsci.net

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института НПО “Физика-Солнце” АН РУз.

Автореферат разослан “___”_______________ 2010 г.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, в двух экземплярах просим отправить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря Специализированного совета.

Ученый секретарь

Специализированного совета,

д.ф.-м.н., профессор Каримов А.В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность работы. Оптико-деформационные процессы, то есть явления, возникающие при взаимодействии света (в оптическом диапазоне) со статической или динамической деформацией (звуковая волна – 1-100 Ггц), определяются, главным образом величиной и физическим свойствами коэффициента фотоупругости твердого тела, количественно описывающего связь между диэлектрической проницаемостью и величиной деформации.

В последние десятилетия, в русле общего интереса к нелинейным явлениям, проводились исследования свойств фотоупругости вблизи каких-либо резонансов в твердом теле (зона-зона, примесные резонансы, плазменные и т.д.). При этом оказалось, что в этой частотной области фотоупругость не только значительно усиливается, но и возникают новые, специфические для резонансных областей явления, такие как эффект нелинейной фотоупругости, акустодиэлектрический эффект, возникновение акустической распределенной обратной связи в лазерных кристаллах, появление гигантских осцилляций фотоупругости во внешних квантующих магнитных полях и т.д.

В основе резонансных оптико-деформационных явлений лежит то, что диэлектрическая проницаемость при приближении к резонансу испытывает резкие изменения, и поэтому, если звуковая волна может модулировать энергию резонансных уровней, то модулируется и диэлектрическая проницаемость. Как показывают исследования, весьма слабая звуковая волна способна привести к разнообразным как линейным по амплитуде деформации, так и нелинейным оптико-деформационным явлениям.

В этом свете большой интерес представляют исследования оптико-деформационных явлений в частотной области экситонов Ванье-Мотта. Здесь диэлектрическая проницаемость резко меняется по частоте выше и ниже резонанса, что может привести к существенной модуляции диэлектрической проницаемости звуковой волной небольшой интенсивности. Это в свою очередь, может привести к практическому использованию экситонных резонансов, в частности, в акустооптике.

Технологическая возможность создания структур с пониженной размерностью (то есть наноструктур: сверхрешеток, структур с квантовыми нитями, нульмерных структур) сделала актуальной исследования их деформационно-оптических свойств, тем более, что здесь экситонные резонансы проявляются более ярко и для некоторых материалов могут существовать и при комнатных температурах, а резонансы зона-зона, как по свойствам, так и по величине становятся сравнимы с экситонными.

Возможности криогенной техники, позволяющей опускаться до температур

Подобное рассмотрение насколько известно не проводилось, как из-за повышенных требований к точности эксперимента, так и первоначального стремления рассматривать чисто фундаментальные свойства экситонных поляритонов и экситонных комплексов. Такое рассмотрение важно для понимания процессов взаимодействия экситонных поляритонов со звуковой волной, создания на основе нанотехнологий новых приборов для управления оптическим излучением, устройств систем обработки информации, представленных в виде акустических сигналов, оптическими методами.

Исходя из вышеизложенного, можно сказать, что исследование деформационно-оптических взаимодействий в экситонной области спектра, несмотря на затруднения, связанные с использованием предельно низких температур и высокого частотного разрешения, тем не менее, обладают некоторыми специфическими особенностями, актуальными не только с точки зрения научного исследования, но и практических применений.

Степень изученности проблемы. Знание оптико-деформационных свойств материала является необходимым для создания приборов, управляющих электромагнитным излучением. До настоящей работы были хорошо исследованы оптико-деформационные явления в области резонансов зона-зона, внутрипримесных резонансов, плазмонных резонансов и т.д.[1,2].

Подобные исследования для объемных кристаллов были проведены в рамках метода последовательных приближений для слабых деформационных возмущений. Между тем рассмотрение звука средней интенсивности и выше, по-видимому, более предпочтительно для усиления эффектов. Но для рассмотрения подобных процессов метод последовательных приближений неприменим, необходимо создание новой методики расчета.

Акустооптические процессы вблизи экситонных резонансов с учетом поляритонного эффекта ранее вообще не рассматривались. Однако такие исследования актуальны ввиду сильного изменения в этой частотной области оптических констант, в частности коэффициента отражения. Такие изменения коэффициентов отражения могут привести и к дифракционным явлениям, имеющим свою специфику для данной области спектра. Существенное влияние в этой частотной области может оказывать мощная электромагнитная накачка, смещающая уровни, резко меняющая оптические константы, и потому способная управлять оптическим излучением и акустооптическими явлениями.

В такой же, а возможно большей степени восприимчивы к модуляции звуком и мощным светом поверхностные экситонные поляритоны, дисперсионная кривая которых находится внутри поляритонной щели, где диэлектрическая проницаемость отрицательна. Звуковые и световые возмущения могут менять отрицательную диэлектрическую проницаемость очень сильно, что существенно как для управления поверхностными экситонными поляритонами, так и явлений дифракции поверхностных экситонных поляритонов на звуке. Это круг вопросов до начала настоящей работы также оставался совершенно неисследованным.

Открывшаяся в последние десятилетия технологическая возможность создания низкоразмерных структур, в частности сверхрешеток и других объектов нанотехнологий делает необходимым исследование их оптико-деформационных свойств вблизи экситонных резонансов, в том числе с учетом поляритонного эффекта в условиях мощного электромагнитного возмущения, что также ранее не было исследовано.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР. Основные результаты диссертации выполнены в рамках Государственных грантов фундаментальных исследований Ф-2-1-47 “Исследование процессов самоорганизации, развивающихся в полупроводниках и полупроводниковых структурах в результате термо-, фото- и экситонно-стимулирования дефектообразования при высоких интенсивностях возбуждения” 2003-2007 гг., а также грантов Фонда поддержки фундаментальных исследований АН РУз 21-02 “Теоретические и экспериментальных исследования процессов самоорганизации в полупроводниках с экситонами, локализованными на глубоких примесных центрах” 2002-2003 гг. и 13-06 “Исследования экситонных механизмов возникновения деформационно-оптических свойств сверхрешеток и нульмерных структур” 2006-2007 гг., которого он являлся руководителем.

Цель исследований. Создание теории оптико-деформационного взаимодействия в объемных кристаллах и сверхрешетках с различными типами квантовых ям вблизи экситонных и межзонных резонансов.

Задачи исследования:

-разработка модифицированной теории матрицы плотности для многочастичной задачи с переменным числом квазичастиц;

-расчет коэффициентов фотоупругости для частотной области вблизи экситонных резонансов для квантовых сверхрешеток с прямоугольным и наклонным дном квантовой ямы, в том числе в структурах с пьезоэлектрическими свойствами;

-расчет коэффициентов фотоупругости вблизи резонансов зона-зона, модифицированных в сверхрешетке с наклонным дном квантовой ямы, в том числе и пьезоэлектрических структур;

-исследование воздействия деформации и мощного света на коэффициенты отражения в сверхрешетках при учете поляритонного эффекта;

-исследование дифракционных явлений в сверхрешетках и возможностей управления дифракционной решеткой, созданной звуком, в полупроводниках с помощью мощного света;

-исследование особенностей возбуждения поверхностных экситонных поляритонов на границе зон с различными отрицательными диэлектрическими проницаемостями, одна из которых возбуждается мощной световой накачкой в структурах с различной размерностью.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются объемные и низкоразмерные структуры на основе полупроводниковых кристаллов типа CdS, GaAs, CuCe.

Предметом исследования, проведенного в настоящей диссертации, является всестороннее теоретическое изучение явлений, возникающих при взаимодействии электромагнитных волн на частотах экситонных и межзонных резонансов с динамической или постоянной деформацией в объемных и низкоразмерных структурах. Особое внимание было уделено построению общей теории расчета токов, возбуждаемых электромагнитной волной в среде вблизи экситонных резонансов для переменного числа квазичастиц, вычислениям диэлектрической проницаемости и коэффициента фотоупругости вблизи экситонных резонансов в объемных структурах и сверхрешетках, диэлектрической проницаемости и коэффициента фотоупругости вблизи модифицированных в квантовой яме межзонных переходов, процессам сдвига экситонных уровней и поляритонного спектра звуком и мощным светом, исследованию различных механизмов дифракции объемных и поверхностных электромагнитных волн вблизи экситонных резонансов при учете поляритонного эффекта.

Методы исследования. В работе использованы методы последовательных приближений, теории возмущений, вариационные методы, методика, усовершенствованная Гуляевым и Шкердиным для расчетов дифракции света на звуковой волне, методика Воронко, разработанная для расчетов возбуждения, отражения и преломления поверхностных плазмонных поляритонов (ППП), а также стандартная методика матрицы плотности и впервые разработанная методика матрицы плотности для переменного числа квазичастиц.

Гипотеза исследования. Основана на том, что эффекты фотоупругости вблизи экситонных резонансов проявляются значительно сильнее, чем при других резонансах (межзонных, внутрипримесных и др.), при этом локализация экситонов в низкоразмерных структурах может существенно увеличить диэлектрическую проницаемость и коэффициенты фотоупругости.

Основные положения, выносимые на защиту:

- модифицированный вариант методики матрицы плотности для многочастичной задачи с переменным числом квазичастиц.

- методики расчета индуцированного тока, диэлектрической проницаемости и коэффициента фотоупругости для частот света вблизи экситонных резонансов в объемных кристаллах и сверхрешетках, а также в сверхрешетках вблизи модифицированного в квантовой яме перехода зона-зона.

- эффект существенно нелинейной модуляции диэлектрической проницаемости сверхрешетки звуковой волной относительно небольшой мощности в области экситонных резонансов.

- закономерности зависимости линейных и нелинейных вкладов в фотоупругость, а также резонансной диэлектрической проницаемости от плотности максимальной упаковки экситонов.

- зависимости диэлектрической проницаемости и коэффициента фотоупругости от локализации экситона в квантовой яме.

- зависимости локализации экситона в квантовой яме, а также резонансных диэлектрической проницаемости и коэффициента фотоупругости от наклона дна квантовой ямы в варизонных и электрических квантовых ямах.

- эффект возникновения линейной фотоупругости в сверхрешетках с наклонным дном в пьезоэлектрических сверхрешетках вблизи экситонных резонансов.

- эффект возникновения коэффициента фотоупругости и диэлектрической проницаемости, по величине сравнимых с экситонными для переходов зона-зона, модифицированных в квантовой яме.

- эффект возникновения линейной фотоупругости, по величине сравнимой с вкладом от механизма потенциала деформации в пьезоэлектрических сверхрешетках с наклонным дном вблизи переходов зона-зона, модифицированных в квантовой яме.

- эффект модуляции ветвей экситонных поляритонов низкоразмерных структур звуковой волной, и электромагнитных волн достаточной мощности, а также использование этого эффекта для управления как объемными электромагнитными волнами, так и поверхностными экситонными поляритонами в сверхрешетках.

- эффект возникновения чрезвычайно контрастной дифракционной решетки в результате эффективной модуляции коэффициента отражения в области поляритонной щели.

Научная новизна работы:

- усовершенствован метод матрицы плотности для систем с переменным числом квазичастиц и разработана методика расчета индуцированного тока, диэлектрической проницаемости и коэффициента фотоупругости для частот света вблизи экситонных резонансов и модифицированных межзонных резонансов в объемных кристаллах и сверхрешетках.

- впервые показано, что звуковая волна относительно небольшой мощности в области экситонных резонансов может существенно нелинейно модулировать диэлектрическую проницаемость сверхрешетки, при этом величины нелинейных коэффициентов фотоупругости могут достигать больших значений, чем в объемных кристаллах.

- установлено, что величина линейных и нелинейных вкладов в фотоупругость и резонансная диэлектрическая проницаемость существенным образом зависят от плотности максимальной упаковки экситонов как в сверхрешетках, так и в объемных кристаллах.

- впервые показано, что локализация экситона в квантовой яме приводит к сущест- венному увеличению диэлектрической проницаемости и коэффициента фотоупругости вблизи экситонных резонансов, при этом наклон дна квантовой ямы существенно влияет на плотность максимальной упаковки экситонов.

- предсказано новое явление возникновения линейной фотоупругости в пьезоэлект- рических сверхрешетках с наклонным дном вблизи экситонных, межзонных резонансов, а также вблизи экситонных резонансов в объемном кристалле при воздействии электрического поля.

- предсказано новое явление модуляции ветвей экситонных поляритонов деформа- цией и электромагнитной волной достаточной мощности, которые может быть использовано для управления как пробным объемным электромагнитным лучом, так и поверхностными экситонными поляритонами в низкоразмерных структурах.

- предсказано новое явление - возникновение сильно контрастной дифракционной решетки, возникающей благодаря эффективной модуляции коэффициента отражения в области поляритонной щели.

- установлено новое свойство структур металл-сверхрешетка-металл, основанное на том, что пересечение дисперсионных ветвей поверхностных экситонных поляритонов в сверхрешетках и поверхностных плазмонных поляритонов в металле позволяет осуществлять дифракцию поверхностных экситонных поляритонов на звуковой волне, подобную дифракции объемного света.

Научная и практическая значимость результатов исследования. Научная значимость исследования заключается в построении общей теории оптико-деформационных свойств объемных и низкоразмерных структур для частотной области экситонных и межзонных резонансов и получении комплексной информации о новых физических эффектах, возникающих в таких структурах, в том числе при учете поляритонного эффектах. Результаты исследования расширяют круг знаний о чувствительности оптических параметров полупроводниковых кристаллов к деформационному возмущению. На основе этих эффектов могут быть созданы новые типы акустооптических устройств, работающие в частотной области экситонных и межзонных резонансов и обладающие значительно меньшей управляющей мощностью и большей чувствительностью к внешнему звуковому сигналу, то есть более технологичные, чем ныне используемые.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы могут использоваться при разработке нового типа приборов для быстродействующего, немеханического и неконтактного управления оптическим излучением (дефлекторов, модуляторов, акустооптических фильтров и др.), а также при чтении спецкурсов на кафедрах нанотехнологий в ВУЗах.