Введение к работе
Актуальность темы
Проблема возбуждений в двумерном ограниченном электронном газе в сильном магнитном поле представляет интерес как для фундаментальной физики, так и для микроэлектрошюй технологии. Это связано с тем, что в таких системах наблюдается ряд эффектов, которые послужили причиной возникновения новых областей в теории твердого тела: теории квантового эффекта Холла, теории частиц с дробной статистикой и т.д. Существенный вклад в наблюдаемые эффекты связан с граничниыми возбужденными состояниями системы. Элементы применяемых в микроэлектронике структур (металлические и полупроводниковые пленки и т.п.) с приемлемой точностью представляют из себя двумерный (2D) ограниченный электронный газ. По мере уменьшения размеров элементов структур, отношение длины границы к площади элемента увеличивается и граничные эффекты начинают играть все большую роль.
Для описания процессов перераспределения заряда на границе раздела валаю знать природу возникающих в системе возбуждений. Не , менее важно уметь вычислять спектр собственных возбуждений ограниченного электронного газа в зависимости от внутренних и внешних параметров.
При анализе возбужденных состояний в двумерном ограни-чс . ом электронном газе чаще всего используют феноменологический подход или численные методы исследований. Общим их недостатком является невозможность получения точных аналитических выражений4для спектра возбуждений и определения природы (типа) возбуждений в системе. Кроме этого указанные методы имеют специфические недостатки: феноменологический подход, основанный на решении уравнения непрерывности, не позволяет явно проанализировать квантовые эффекты; результаты, полученные с использованием численных методов трудны для физической интерпретации. Этим определяется актуальность постро-
. 4
ения последовательной микроскопической теории возбуждений двумерного ограниченного электронного газа, свободной от указанных недостатков, которая позволила бы ответить на вопрос о типе и свойствах граничных возбуждений.
Не менее важным представляется вопрос о взаимодействии возбуждений, существующих в пространственно разделенных двумерных электронных системах. Во-первых, это связано с тем, что эксперименты по поглощению, в ходе которых определяется спектр возбуждений, чаще всего проводят не на изолированных системах, а на структурах типа 'сверхрешеток. Во-вторых, одна из существующих реализаций двумерного ограниченного электронного газа (2D система со случайным потенциалом) также представляет из себя структуру, в которой может существовать ряд пространственно разделенных возбуждений. Кроме того, и элементы изделий микроэлектроники являются сложными слоистыми 2D структурами. Поэтому вопрос о том, как меняются свойства и природа возбуждений в случае их кулоновского взаимодействия, как перестраивается спектр, является актуальным как для теории, так и для технических приложений.
Цели и задачи исследования.
1. Построение последовательной микроскопической теории возбу
ждений в двумерных ограниченных электронных системах (квантовых
точках) в сильном магнитном поле.
-
Расчет в феноменологическом и микроскопическом подходе спектра возбуждения изолированной квантовой точки. Определение природы возбуждений и зависимости спектра от параметров электронной системы и параметров внешней среды.
-
Расчет в феноменологическом и микроскопическом подходе спектра возбуждений сложных геометрических систем квантовых точек и квантовых точек с несколькими типами носителей заряда. Анализ характера расщепления спектра и образования возникающей зонной струк-
туры.
4. Сопоставление результатов, полученных в феноменологическом и микроскопическом подходе, интерпретация экспериментальных данных и предсказание экспериментальных результатов при изменении параметров исследуемых систем и (или) условия проведения эксперимента. Научная новизна.
разработана микроскопическая теория возбуждений в двумерных ограниченных электроных системах в сильных магнитных полях с использованием методов квантовой теории поля;
проведен аналитический расчет спектров поглощения ряда модельных систем, выяснена природа возбуждений;
в квазиклассическом подходе полученные результаты обобщены на более широкий класс двумерных ограниченных систем;
на основе результатов расчетов, выполнен анализ экспериментальных данных. Объяснен малый вклад коллективных эффектов в спекТр поглощения и предсказаны условия, при которых коллективный вклад в спектр будет значительным;
Практическая значимость работы.
Выяснена природа возбуждений в анализируемых системах, и их зависимость от характеристик системы. Это дает возможность ; іравлять спектром поглощения с помощью изменения параметров системы .; ' -ч) параметров внешней среды. Полученные зависимости характеристик спектра от напряженности внешнего магнитного поля, числа электронов в системе, характеристики удерживающего потенциала (изменяется при изменении напряжения на управляющем электроде) открывают новые возможности для создания таких массовых изделий микролектро-ники как частотные фильтры и датчики-измерители магнитного поля.
Построена микроскопическая теория, которая может быть модифицирована для описания трехмерного ограниченного электронного газа -"квантовых шаров" и других подобных систем.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
-
Микроскопическая теория возбуждений в изолированной квантовой точке с параболлическим удерживающим потенциалом в сильном магнитном поле.
-
Феноменологическая теория возбуждений в двумерных ограниченных системах в сильном магнитном поле, учитывающая кулоновское взаимодействие пространственно разделенных возбуждений.
-
Микроскопическая теория возбуждений в системе нескольких пар-боллических квантовых точек и изолированной параболической кванто-вой точке с несколькими типами носителей заряда.
-
Результаты расчетов спектров возбуждения ряда модельных систем, выполненных в феноменологическом и микроскопическом подходе.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на:
-
Международнй конференции Low Dimensional Structures and Devices LDSD'95, Singapour, May 1995
-
Международной школе-конференции Solid State Physics: Fundamentals and Applications SSPFA'95, September 1995, Uzgorod, Ukraine.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертаций.
Материал диссертации изложен на 1% страницах машинописного текста, содержит 9 рисунков, библиография - ^Z наименований.
Диссертационная работа состоит из введения, *т глав, выводов, заключения и списка литературы-
