Оптические свойства наноструктур A3B5 : многослойные квантовые точки, нитевидные нанокристаллы Штром, Игорь Викторович

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Штром, Игорь Викторович. Оптические свойства наноструктур A3B5 : многослойные квантовые точки, нитевидные нанокристаллы : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.07 / Штром Игорь Викторович; [Место защиты: С.-Петерб. гос. ун-т].- Санкт-Петербург, 2011.- 109 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-1/273

Введение к работе

Актуальность исследования.

В настоящее время квантовые точки (КТ) являются перспективными объектами для реализации устройств с квантовой логикой [1].

Большинство операций по обработке информации в таких устройствах основано на эффекте резонанса в квантовой среде. Резонанс (резонансное туннелирование) предполагает наличие идентичных соседних состояний. Известно, что, например, в случае идентичных квантовых ям резонансное туннелирование между ними является основным типом транспорта носителей заряда в сверхрешетках [2]. Однако в однослойном массиве КТ такую ситуацию трудно реализовать из-за дисперсии КТ по размерам и относительно больших расстояний между ними в плоскости. В многослойном массиве распределение размеров КТ по вертикали становится гораздо более предсказуемым и управляемым [3].

При образовании одного слоя, КТ - являющиеся упругими включениями, создают дально-действующие поля упругих напряжений. Таким образом, нижние слои КТ создают модуляцию упругой энергии на поверхности спейсера (области растяжения над точками). При осаждении следующего слоя атомы мигрируют в места с меньшим расхождением по постоянной решетки. В итоге, за счет такой вертикальной корреляции образуются колонки КТ. Как правило, размеры КТ в колонке немного увеличиваются (при одном и том же спейсере), что приводит к "красному" сдвигу в фотолюминесценции (ФЛ). Кроме того, необходимо учитывать большую вероятность туннелирования при маленьких прослойках, в КТ с более глубокими уровнями размерного квантования. Увеличение толщины барьера, наоборот, уменьшает вероятность туннелирования (экспоненциально) и соответственно приводит к "синему" сдвигу полосы ФЛ. Таким образом, в многослойных структурах возможно исследовать новые квантово-механические объекты - вертикально связанные (посредством туннелирования) квантовые точки (ВСКТ).

Массивы ВСКТ проявили себя как качественно новый объект. Их рост в вертикальном направлении скоррелирован и является более управляемым. В таких структурах можно наблюдать резонансные явления, поскольку разделяющий барьер очень мал и высока вероятность туннелирования. Однако из-за наличия некоторого расхождения по размерам в направлении оси роста, идентичных состояний между соседними КТ не получается. Необходимо внешнее воздействие, чтобы привести уровни в резонанс. В данной работе внешнее электрическое поле, ориентированное вдоль колонок, рассматривается как инструмент управления резонансами между неидентичными вертикально-связанными КТ.

В последнее время в опто- и наноэлектронике находят применение вертикальные нанопрово-локи или нитевидные нанокристаллы (ННК) - нанообъекты, имеющие длину в десятки раз превышающую их диаметр. Рост таких нитевидных кристаллов возможен на основе широкого круга материалов: металлов, керамик, полупроводников [4]. Полупроводниковые ННК обладают уникальными электронными и оптическими свойствами [5]. На основе ННК можно создавать свето-излучающие устройства со сверхнизким энергопотреблением, зонды для атомно-силовых микроскопов, автоэмиссионные катоды, туннельные диоды, одноэлектронные транзисторы, однофо-тонные излучатели [6]. На основе вертикальных ННК созданы полевые транзисторы [7].

Известно, что все полупроводниковые соединения А₃В₅, кроме нитридных, в объемной форме имеют стабильную кубическую кристаллическую решетку типа цинковой обманки. Образование гексагональной решетки в обычных условиях невозможно, т.к. для преодоления разности объемных энергий образования требуется приложение огромных давлений. Одной из наиболее интересных особенностей ННК А₃В₅ является их возможное формирование в гексагональной фазе. Данный эффект наблюдается для большинства ННК А₃В₅. Гексагональные структуры соединений А₃В₅ представляют собой, по сути, новые материалы, которые могут привести к открытию новых эффектов, свойств и приложений. Поэтому оптические свойства ННК А₃В₅ и, в частности, ННК GaAs должны быть тщательно исследованы. Теоретические работы по расчету ширины запрещенной зоны ННК GaAs в гексагональной фазе на данный момент являются крайне противоречивыми из-за отсутствия подтверждающих оптических экспериментов.

Целью данной работы является изучение оптических свойств наноструктур группы А₃В₅. В первой части рассмотрены оптические свойства массивов многослойных квантовых точек InAs под действием внешнего электрического поля для их возможного применения в области квантовой логики. Вторая часть посвящена изучению оптических свойств нановискеров GaAs с различной кристаллической структурой.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1.Выращены p-i-n - структуры с многослойными массивами КТ и массивы ННК GaAs .

2.Исследованы спектры стационарной фотолюминесценции и фотолюминесценции с временным разрешением образцов с многослойными КТ при приложении внешнего электрического поля.

3 .Исследованы температурные зависимости ФЛ образцов с ННК GaAs.

4.Получены поляризационные зависимости ФЛ ННК GaAs.

5 .Изучены спектры комбинационного рассеяния ННК GaAs с различным содержанием кубической и гексагональной фаз.

Научная новизна работы:

1 .Установлен характер поведения интенсивности 9-ти слойных массивов InAs/GaAs КТ во внешнем электрическом поле.

2.Впервые установлено появление контролируемых внешним электрическим полем резонансов ФЛ в p-i-n структуре 9-ти слойными массивами InAs/GaAs КТ.

З.В спектрах ФЛ GaAs ННК с кубической и гексагональной структурой впервые получены линии соответствующие экситонному состоянию.

4.Определена разность ширин запрещенных зон GaAs ННК с кубической и гексагональной структурой.

Практическая ценность: Полученные данные могут быть использованы для создания и оптимизации новых приборов в опто- и наноэлектронике на основе ННК. Многослойные структуры с КТ показали себя перспективными для создания на их основе устройств переключения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Пороговая зависимость интенсивности фотолюминесценции 9-ти слойного массива InAs КТ с толщиной разделяющего слоя GaAs 8нм от внешнего электрического поля.

2.Резонанс электронных уровней между различными квантовыми точками под контролем внешнего электрического поля в p-i-n структуре с 9-ти слойном массиве InAs/GaAs квантовых точек.

3.Спектры ФЛ ансамблей GaAs ННК содержат линии относящиеся как к рекомбинации экситона в ННК с кубической структурой (пик полосы 1.519eV), так и к экситону в ННК с гексагональной структурой (пик полосы 1.478eV).

4. Спектры комбинационного рассеяния (КР) ансамблей GaAs ННК содержат особенности связанные с гексагональной и кубической структурой. Полученные данные по спектрам КР коррелируют с исследованиями ФЛ и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).

Апробация работы.

Основные результаты были представлены на шести всероссийских и международных конференциях:

И.В.Штром, Соколов А.С. «Влияние электрического поля на фотолюминесценцию многослойных структур InAs/GaAs с квантовыми точками» 7я всероссийская молодежная конференция по физике полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург 5-9 декабря, 2005, стр.42.
B.V.Novikov, S.Yu.Serov, N.G.Filosofov, I.V.Shtrom, V.G.Talalalev, O.F.Vyvenko, E.V.Ubyivovk, Yu.B.Samsonenko, A.D.Bouravleuv, I.P.Soshnikov, N.V.Sibirev, V.G.Dubrovskii, G.E.Cirlin. "Optical properties of GaAs nanowires studied by low temperature photoluminescence", Proc.l7th International Symposium "Nanostructures: physics and technology" - Minsk, June 22-26, 2009, p. 186-187.

3.V.G. Dubrovskii, G.E. Cirlin, LP. Soshnikov, N.V. Sibirev, F. Glas, J.С Harmand, J. Patriarche, B.V. Novikov, I.V. Shtrom, M. Moewe, L.C. Chuang, C. Chang-Hasnain. Proceedings International Nano-Optoelectronics Workshop «iNOW2011», Stocholm(2-8 august) and Berlin (8-15august), 2009, pp. 78-79.

Novikov, B. V., Serov, S. Y., Filosofov, N. G., Shtrom, I. V., Talalaev, V. G., Vyvenko, O. F., Uby-ivovk, E. V., Bondarenko, A. S., Samsonenko, Y. В., Bouravleuv, A. D., Soshnikov, I. P., Sibirev, N. V., Dubrovskii, V. G. and Cirlin, G. E., «Photoluminescence of GaAs nanowires of different crystal structures», Proceedings 18th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology» St Petersburg, June 21-26, 2010, p.234-235.
I.V. Shtrom, B.V. Novikov, «The Spectra of Raman scattering of GaAs and AlGaAs nanowires», Proceedings International Symposium «Science&Progress», 15-19 november, Saint-Petersburg, 2010, p. 111.
Цырлин Г.Э., Буравлев А.Д., Самсоненко Ю.Б., Сошников И.П., Штром И.В., Давыдов В.Ю., Новиков Б.В., Платонов А.В., Кочерешко В.П., «Эпитаксиальный рост и свойства GaAs квантовых точек в AlGaAs-нановискерах», Труды 15 международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2011, стр. 192

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 статьях и трудах конференций, список которых приведён в конце автореферата.

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы из 81 наименования. Объем работы составляет 109 страниц. Работа содержит 51 рисунок.