Введение к работе
Актуальность темы и постановка задачи. В последнее время в исследовании полупроводниковых наноструктур особое место запимают структуры, в которых диэлектрические проницаемости соседних слоев или частей сильно различаются. Такие наноструктуры называются диэлектрическими. Чтобы получить диэлектрическую наноструктуру, необходимо реализовать в ней чередование составпых частей: полупроводник/диэлектрик или полупроводник/вакуум. Примерами диэлектрических наноструктур являются: сверхрешетки, квантовые ямы, пити и точки типа полупроводник/диэлектрик, приповерхностные квантовые ямы, открытые (т.е. свободно стоящие на поверхности полупроводника) квантовые нити и точки.
Сильное различие диэлектрических пропицаемостей частей, составляющих диэлектрическую наноструктуру, приводит к существенному перераспределению электрического поля (в том числе электрической компоненты электро-магнитного поля) вследствие стандартпых граничных условий па поверхности раздела сред. Как правило, электромагнитное аоле, взаимодействующее с носителями тока, имеет длину волны, заметно превышающую характерный размер наноструктуры, и для описания, поля в наноструктуре справедлив электростатический подход. В случае поля носителей заряда перераспределение электрического поля хорошо описывается возникновением зарядов изображений.
Одним из следствий перераспределения электрического поля в диэлектрической наноструктуре является значительное усиление экситопных эффектов, т.е. большие энергии связи и силы осцилляторов экситонов. Эффект усиления экситонов за счет потенциала изображешгя (в литературе его принято называть диэлектрическим усилением экситонов) был аредсказап независимо Рытовой [11 и Келдышем [2] на примере тонкой полупроводниковой плешей в диэлектрике.
Хорошо известно, что в квазидвумерных системах (например, в очень топких и очень глубоких квантовых ямах) экситон имеет в 4 раза большую энергию связи и в 2 раза меньший эффективный боровский радиус по сравнению с трехмерными экситопами. В квантовых ямах конечной ширины и глубины, когда радиус экситона не намного превышает ши-
рину квантовой ямы, и его нельзя считать полностью двумерным, поперечная локализация приводит к несколько меньшему усилению экситона. Существует, однако, целый класс соединений (сверхрешеток) на основе йодида свинца, в которых энергия связи экситонов более, чем в 4 раза превосходит энергию связи соответствующего трехмерного экситона. Основной причиной усиления экситонов в таких наноструктурах является увеличение взаимодействия между электроном и дыркой за счет дополнительного взаилюдеиствия с зарядами изображений электрона и дырки.
В последние годы интенсивно исследуются соединения, выращенных путем интеркаляцин органических молекул в полупроводниковую матрицу йодида свинца (РЬІ2)[3]-[9]. Эти вещества, являются первой практической реализацией сверхрешеток полупроводник/диэлектрик с сильно различающимися (приблизительно в 3 раза) диэлектрическими пропица емостями слоев. Благодаря сильно выраженным экситопным эффектам эти наноструктуры являются новыми перспективными материалами для оптоэлек-трояики.
Целью работы является развитие макроскопической теории экситонов в диэлектрических наноструктурах, с учетом эффектов их пространственного и диэлектрического усиления. На основе теоретического подхода, развиваемого в работе, вычисляются волновые функции, энергии связи, радиусы и диамагнитные коэффициенты экситонов в широком классе интеркалировапных соединений на основе йодида свинца. Найденные параметры экситонов хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
-
В аналитическом виде найдены электростатические потенциалы зарядов в сверхрешетке полупроводник/диэлектрик с учетом возникающих в ней зарядов изображений.
-
Потенциалы взаимодействия электрона и дырки с собственными изображениями (потенциалы самодействия) приводят к дополнительной в перенормировке ширины запрещенной зоны полупроводника и оказывают влияние на экситонное состояние. Например, в случае малого разрыва на гетеропереходе валентной зоны или зоны проводимости должна
возникать интерфейсная локализация одного из носителей. Это может привести к образованию непрямого долгоживущего эксптопа и эффекту расщепления основного экситонпого состояния.
-
Потенциал электронно-дырочного взаимодействия, вычисленный с учетом зарядов изображений оказывается намного более локализующим, чем потенциал, в котором заряды изображений не учитываются. Учет сверхрешеточной структуры в потенциале электронно-дырочного взаимодействия (т.е. учет всех зарядов изображений, возникающих в сверхрешетке) уменьшает энергию связи экситона, в сравнении со случаем изолированного полупроводникового слоя в диэлектрической матрице.
-
Проведены модельные численные расчеты параметров экситонпого состояния в классе слоистых соединений на основе РЪ-1, которые находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.
-
Определен существенный параметр экситонов в данных соединениях: приведенная масса экситона \i = 0.17rrtQ.
-
Аналитически расчитана в рамках вариационного подхода энергия основного состояния экситона в тонкой цилиндрической квантовой пити, окруженной диэлектриком. Модельные расчеты проведены для квазиодномерного соединения на основе йодида свинца.
Научная новизна. Излагаемая в работе теория объединила предшествующие подходы к описанию экситонов в диэлектрических наноструктурах. Ряд результатов, вошедших в диссертацию, был получен впервые. Так, было показано, что наличие сверхрешетки может играть очень существенную роль в формировании эситонных состояний. Произведен корректный учет потенциалов самодействия, возникающих в сверхрешетке. Предсказана возможность расщепления эситонного состояния с образованием непрямого долгоживущего экситона. Определено значение приведенной массы экситона в классе иптеркалированных соединений на основе йодида свинца. Предложен подход к описанию экситонов в диэлектрических наноструктурах с квантовыми нитями.
Практическая ценность. Развитая в работе теория позволяет производить расчеты экситонных состояний для широкого класса сверхрешеток полупроводник/диэлектрик типа иптеркалированных соединений йодида свинца.
Достоверность результатов, изложенных в диссертации, следует из строгих исходных посылок и оправданных приближений, используемых в работе, верного асимптотического поведения рассматриваемых систем в легко анализируемых предельных случаях, а также из хорошего согласия с результатами экспериментов.
Апробация. Основные вошедшие в диссертацию результаты докладывались на 1-ой Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993г.), на международном сишгозиуме Materials Reseach Society (Бостон, 1993), на семинаре в The City Colledge of New York (Нью-Йорк, 1993), на международной конференции по физике и технологиям наноструктур (Санкт-Петербург, 1994), па 22-ой Международной конференции по физике полупроводников (Ванкувер, 1994), на 2-ой Международной конференции по оптике и кинетике возбуждений в полупроводниках (Берлин, 1994), на семинарах ИОФРАН, ФИ АН.
Публикации. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, изложены в 7 печатных работах в сборниках трудов конференций и в ведущих научных журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Наиболее громоздекие вычисления и некоторые доказательства вынесены в Приложения А,Б. Объем диссертации — 77 страниц печатного текста, включая одну таблицу, список литературы из 49 наименований и 21 рисунок.
