Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время существует острая необходимость в компактных, работающих при комнатной температуре источниках и детекторах когерентного монохроматического терагерцевого (ТГц) излучения (0,3-10 ТГц). Область применения таких устройств необычайно широка - от астрономии, физики, химии и электроники до медицины, экологического мониторинга и систем безопасности [1]. Несмотря на значительный прогресс в развитии ряда перспективных источников ТГц излучения, в частности, квантовых каскадных лазеров [2] и частотных умножителей [3], каждый из существующих в настоящее время источников имеет некоторые фундаментальные ограничения на область их функционирования (низкие рабочие температуры, недолговечность и др.). Поэтому создание удовлетворяющего необходимым условиям источника ТГц излучения является актуальной и еще нерешенной проблемой современной оптики. Полупроводниковые сверхрешетки являются одними из наиболее перспективных кандидатов для использования их в качестве рабочей среды источников (детекторов) ТГц излучения, обладающих нужными свойствами. Классические работы L.Esaki и R.Tsu [4] и С.А. Ктиторова и др. [5] показали принципиальную возможность использования блоховских осцилляции минизонных электронов сверхрешетки, помещенной в сильное постоянное электрическое поле, для усиления ТГц излучения. Однако на практике реализовать эту идею до сих пор не удалось, несмотря на многочисленные теоретические разработки, стимулированные работами [4] и [5], вследствие деструктивного влияния на усиление электрических доменов, возникающих в режиме усиления, связанном с отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП) [6].
В последние годы было предложено несколько новых альтернативных схем усиления, позволяющих избежать образования нестабильностей. Одной из наиболее перспективных схем является использование в качестве поля накачки сильного переменного поля вместо постоянного поля накачки и получения усиления на гармониках поля накачки [7-9], что позволяет избежать возникновения нестабильностей, связанных с ОДП. При этом еще остаются нерешенные проблемы, ряд которых является предметом данного исследования. В частности, представляет интерес возможность усиления ТГц излучения на частотах, не являющихся гармониками накачки и построение соответствующей спектральной диаграммы, описывающей поглощение (усиление) ТГц излучения сверхрешеткой. С эффектом усиления ТГц излучения сверхрешеткой тесно связан эффект возникновения в ней постоянного тока при смешивании двух полей ТГц частот. Явление смеши-
вания микроволновых волн в объемных полупроводниках известен начиная с 60-х годов 20-го века [10], однако, до сих пор данный эффект, насколько нам известно, экспериментально не наблюдался при смешивании ТГц волн в микроструктурах. И, наконец, области усиления ТГц излучения в ряде схем усиления могут частично перекрываться с областями нестабиль-ностей волн зарядовой плотности (ВЗП). Анализ условий возникновения областей нестабильности и их зависимость от концентрации электронов и других параметров системы представляет особый интерес для определения условий стабильности режима усиления.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом исследовании спектральных свойств полупроводниковой сверхрешетки, помещенной в бихроматическое поле, при наиболее общем соотношении частот смешиваемых полей, в том числе эффекта генерации постоянного тока при смешивании чисто переменных полей, а также изучение нестабильностей волн зарядовой плотности в связи с проблемой усиления терагерцевого излучения сверхрешеткой.
Задачи диссертационной работы
Исследовать спектральные свойства сверхрешетки, находящейся под воздействием бихроматического электромагнитного поля микроволновых или ТГц частот, в случае произвольного соотношения между частотами смешиваемых полей и с учетом сдвига фаз между ними.
Определить те соотношения частот поля накачки и пробного поля, при которых возможно достичь усиления ТГц излучения, а также исследовать физическую причину данного эффекта.
Изучить эффект возникновения постоянного тока в сверхрешетке при смешивании двух переменных полей ТГц частот в случае как баллистического, так и диссипативного транспортных режимов и выяснить физическую причину данного эффекта в обоих случаях.
Установить возможность определения благоприятных для усиления областей параметров системы и областей нестабильностей, препятствующих усилению, исходя из простых измерений постоянного тока.
Изучить зависимость параметрических областей нестабильностей ВЗП, препятствующих усилению ТГц излучения, от волнового вектора возмущения, концентрации электронов и других параметров системы.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующих положениях:
В рамках квазиклассического приближения на основе точного решения уравнения Больцмана проведено исследование спектральных свойств сверхрешетки, помещенной в бихроматическое поле, при наиболее общем соотношении частот поля накачки и пробного поля с учетом сдвига фаз между ними. Построены соответствующие спектральные диаграммы. Подробно рассмотрены важные частные соотношения частот. Показано, что в малосигнальном пределе формулы для тока всегда состоят из двух слагаемых, одно из которых, зависящее от фазы, обусловлено параметрическим, а другое, независящее от фазы, - некогерентным взаимодействием минизонных электронов с полем накачки. Установлено, что получить усиление пробного поля возможно только в случае, если оно является целой или полуцелой гармоникой поля накачки.
Теоретически исследован эффект возникновения постоянного тока в сверхрешетке, помещенной в чисто переменное ТГц бихроматическое поле как в случае баллистического, так и диссипативного транспортных режимов. Рассмотрен наиболее общий случай соотношения частот смешиваемых полей. Показано, что данный эффект имеет параметрическую природу и непосредственно связан с осцилляциями внутризонной энергии электрона. Установлена связь между выпрямленным током и гармониками энергии. Показано, что изменяя относительную разность фаз смешиваемых полей можно менять величину и направление выпрямленного тока.
Установлено наличие связи между компонентами постоянного тока и поглощения. Данная связь обусловлена параметрической природой обоих эффектов. Показана возможность измерения компонент поглощения и, следовательно, благоприятных условий усиления, по измерениям выпрямленного тока.
Исследован спектр ВЗП в сверхрешетке, находящейся под действием постоянного и переменного полей накачки. Показано, что в случае чисто переменного поля накачки области нестабильности при малых значениях плазменной частоты совпадают с областями абсолютной отрицательной проводимости (АОП). При больших значениях плазменной частоты области нестабильностей становятся существенно шире областей АОП. Сделаны оценки значений плазменной частоты, приводящей к расширению областей нестабильностей. Выяснено,
что конечность волнового вектора ВЗП приводит к незначительному расширению областей нестабильностей, которые, однако, не перекрываются полностью с областями усиления.
Практическая ценность работы.
Изученные спектральные свойства полупроводниковой сверхрешетки, помещенной в бихроматическое поле, позволят предсказать те параметры системы, которые благоприятны для достижения усиления ТГц излучения в условиях отсутствия разрушающих усиление нестабильностей.
Исследованный эффект возникновения постоянного тока при смешивании двух переменных полей ТГц частот позволяет предсказать благоприятный режим усиления из простых измерений постоянного тока и открывает новые возможности для использования сверхрешетки в различных приборах оптоэлектроники.
Проанализированные условия возникновения нестабильностей ВЗП в сверхрешетке позволят определить те параметрические области усиления, которые достижимы в условиях отсутствия нестабильностей.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.
Усиление ТГц излучения в сверхрешетке возможно только в случае, если частота усиливаемого сигнала является целой или полуцелой гармоникой поля накачки.
В полупроводниковой сверхрешетке, находящиейся под действием чисто переменного бихроматического поля, возникает эффект генерации постоянного тока как в случае диссипативного, так и баллистического траспортных режимов.
Эффекты усиления ТГц излучения и возникновения постоянного тока непосредственно связаны между собой и имеют параметрическую природу, связанную с осцилляциями энергии электрона.
Измерения выпрямленного тока позволяют предсказать благоприятные условия усиления.
Найденные области нестабильностей спектра ВЗП в сверхрешетке позволяют определить благоприятные и неблагоприятные режимы усиления и их связь с концентрацией электронов и величиной волнового вектора возмущения.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на 5-й, 6-й и 7-й Всероссийской молодежной научной школе "Материалы нано-, микро-, опто-электроники и волоконной оптики: физические свойства и применение" (Саранск, 2006-2008 гг.), на 8-й Всероссийской конференции с элементами молодежной научной школы "Материалы нано-, микро-, оптоэлектрони-ки и волоконной оптики: физические свойства и применение" (Саранск, 2009); на международной конференции по когерентной и нелинейной оптике "ICONO/LAT 2007' (Minsk, 2007); на VII международной конференции "Лазерная физика и оптические технологии" (Минск, 2008); на первом междисциплинарном симпозиуме "Физика низкоразмерных систем и поверхностей" (Ростов-на-Дону-п.Лоо, 2008); на Всероссийской научно- практической конференции "46-е Евсевьевские чтения"(Саранск, 2010); на 15-ом и 18-ом международном симпозиуме "Nanostructures: Physics and Technology" (Новосибирск, 2007; Санкт-Петербург, 2010).
Личный вклад.
Основные теоретические положения диссертационного исследования разработаны совместно с А.В. Шороховым. Вывод аналитических формул, численное моделирование и анализ результатов проведен автором самостоятельно. Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с К.Н. Алексеевым и T.Hyart, которым автор выражает благодарность за плодотворное сотрудничество.
Публикации.
По результатам исследований, составляющих содержание диссертации, опубликовано 12 научных работ, из них - 3 статьи (в том числе одна статья в изданиях, рекомендованных ВАК) и 9 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 144 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка, включающего 117 наименований.