Введение к работе
Актуальность темы. Исследование оптических и транспортных свойств наноструктур является на сегодняшний день одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений физики конденсированного состояния. В работах многих российских и зарубежных авторов исследовался электронный транспорт в различных квазиодномерных системах, таких как квантовые каналы, микросужения, проволоки, наноцилиндры, квантовые кольца, углеродные нанотрубки. В этих системах было обнаружено [1,2] большое количество интересных и зачастую уникальных физических эффектов, таких как: квантование кондактанса, квантовый эффект Холла, осцилляции Ааронова-Бома в квантовых кольцах, резонансы Брейта-Вигнера и Фано и др.
В последнее время всё большее внимание исследователей привлекает изучение влияния электромагнитного поля электромагнитной волны на электронный транспорт в наноструктурах [3—5]. Особенно активно исследуются фотогальванический эффект (рэтчет-эффект), заключающийся в возникновении фототока в системах при отсутствии у них центра инверсии. Интерес к этой проблеме обусловлен потребностями в эффективных преобразователях оптического сигнала в электрический. Дальнейшее развитие электроники по пути миниатюризации требует появления чувствительных фотоприёмников нанометровых размеров. Кроме того, многими исследователями [6, 7] отмечается зависимость фотогальванического эффекта от спина электрона и от спин-орбитального взаимодействия, что имеет большую ценность для спинтроники. Однако, несмотря на большое количество работ в данном направлении, задача о влиянии электромагнитного поля на электронный транспорт в квазиодномерных наноструктурах, в которых центральная симметрия нарушается короткодействующими рассеивающими центрами, до настоящего момента не рассматривалась в литературе, что инициировало интерес автора к исследованию в этой области. Зависимость фототока и фотокондактанса от напряжения на затворе, от частоты внешнего электромагнитного излучения и от других параметров системы может оказаться достаточно сложной. Поэтому правильная интерпретация экспериментальных результатов требует детального теоретического исследования рассматриваемого явления.
Основной целью работы является исследование
фотогальванического эффекта в квазиодномерных наноструктурах, в которых центральная симметрия нарушена одиночной короткодействующей примесью или асимметричным расположением контактов. Рассмотрены случаи, когда в качестве такой наноструктуры выступают квантовые каналы, сформированные в двумерном электронном газе, квантовый цилиндр, проволока и кольцо с присоединёнными проводниками.
Основными задачами работы являются:
-
Разработка метода исследования фотогальванического эффекта в квазиодномерной наноструктуре, содержащей одиночную короткодействующую примесь, при квазибаллистическом режиме электронного транспорта.
-
Получение выражений для фототока и фотокондактанса для квантовых каналов с параболическим и прямоугольным потенциальным профилем, при наличии в них короткодействующей примеси.
-
Исследование влияния формы потенциала конфайнмента на фототок и фотокондактанс в квантовых каналах.
-
Получение выражения для фототока через квантовый цилиндр и квантовую проволоку с примесью в продольном магнитном поле.
-
Разработка метода исследования фотогальванического эффекта в одномерном квантовом кольце с присоединёнными проводниками в магнитном поле.
-
Изучение влияния на фототок и фотокондактанс величины химического потенциала, положения рассеивающих центров, геометрии наноструктуры, магнитного поля и частоты излучения.
Методы решения задачи:
1. Для исследования фототока и кондактанса наноструктур в диссертации был разработан оригинальный метод, основанный на известном обобщении [8—10] теории Ландауэра-Бюттикера [11], которое позволяет учитывать неупругие процессы рассеяния. В рамках этого метода ток в системе выражается через коэффициенты
прохождения электрона с учётом испускания или поглощения фотонов. Коэффициенты прохождения, в свою очередь, находятся с помощью резольвенты невозмущённого гамильтониана.
-
Для моделирования примесей и контактов используется подход, основанный на теории потенциалов нулевого радиуса и технике самосопряжённых расширений симметрических операторов [12—14]. Этот подход позволяет определить граничные условия, описывающие потенциал точечной примеси или контакта, и получить точное решение уравнения Шрёдингера, а с его помощью найти коэффициенты прохождения электрона через структуру.
-
Для исследования фототока и фотокондактанса используются методы нестационарной теории возмущений. При этом влияние примеси или контакта учитывается явно путём точного решения уравнения Шрёдингера, а взаимодействие электронов с электромагнитным полем волны описывается в рамках первого порядка нестационарной теории возмущений.
Научная новизна работы обусловлена тем, что в ней рассмотрен новый механизм генерации фототока в наноструктурах в случае, когда нарушение центральной симметрии системы связано не с особенностями строения кристаллической решетки, а с особенностями геометрии всей системы в целом. В частности, впервые рассмотрена генерация фототока в квантовых каналах, проволоках и цилиндрах, в которых центральная симметрия нарушается одиночной короткодействующей примесью, и в квантовом кольце с асимметрично присоединёнными проводниками.
Практическая значимость результатов работы. Полученные
в работе результаты могут быть использованы для объяснения экспериментальных результатов по поглощению электромагнитного излучения в наноструктурах и его влиянию на электронный транспорт. Результаты также могут быть применены при разработке миниатюрных детекторов электромагнитного излучения с управляемыми характеристиками и преобразователей оптического сигнала в электрический в устройствах наноэлектроники.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Одиночная точечная примесь, расположенная асимметрично относительно торцов квазиодномерной наноструктуры, может
приводить к появлению фототока в системе в квазибаллистическом транспортном режиме.
-
Для квантового канала и квантовой проволоки с параболическим потенциальным профилем зависимость фототока и фотокондактанса от химического потенциала имеет осцилляционный характер, связанный с эквидистантностью энергетических уровней в поперечном потенциале конфайнмента.
-
Для канала с прямоугольным потенциальным профилем, для цилиндра и кольца, фототок имеет наибольшие величины, когда химический потенциал располагается между уровнями спектра, расстояние между которыми равно энергии фотона.
-
Частотные зависимости фототока имеют форму асимметричных резонансных пиков, причём, резонансные частоты соответствуют расстояниям между уровнями дискретного спектра.
-
При изменении положения примеси в поперечном сечении наноструктуры возможно изменение знака фототока, связанное с осцилляциями электронной плотности в поперечном сечении наноструктуры.
-
При несимметричном присоединении проводников к кольцу в нём возникает фототок. Магнитное поле способно усиливать или уменьшать фототок.
-
При увеличении температуры амплитуда пиков уменьшается, а их форма сглаживается. Максимумы фототока достаточно медленно убывают с ростом температуры до тех пор, пока рассеянием на фононах можно пренебречь. Фотокондактанс существенно более чувствителен к повышению температуры.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на 20-й международной конференции "Nanostructures: Physics and Technology"( Нижний Новгород, 2012), XIII Международном Симпозиуме "Нанофизика и наноэлектроника"(Нижний Новгород, 2009), VIII и XI Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007; Санкт-Петербург, 2013г.), Advanced research
workshop "Fundamentals of electronic nanosystems"(Санкт-Петербург, 2008), Международной зимней школе по физике полупроводников (С.-Петербург - Зеленогорск, 2008), 8-й, 9-й Всероссийской конференции с элементами молодёжной научной школы "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение"( Саранск, 2009-2010 гг.), 6-й и 7-й Всероссийской молодежной научной школе "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение"(Саранск, 2007-2008 гг.), XII и XIII научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева (Саранск, 2007-2008 гг.)
Личный вклад автора в работу заключается в участии в разработке методов и подходов исследования, а также в аналитическом исследовании полученных результатов. Численный анализ проводился автором самостоятельно.
Публикации. По результатам исследований, проведённых в рамках диссертационной работы, опубликовано 17 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК РФ, и 13 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях.
Структура и объём диссертации.
Диссертация содержит 153 страницы и состоит из введения, пяти глав, заключения, трёх приложений и списка цитируемой литературы, который включает 122 наименования.
