Введение к работе
Актуальность темы
Высокий уровень современной микро- и оптоэлектроники во многом обусловлен огромными успехами в области изготовления и исследования низкоразмерных полупроводниковых структур.
Одним из особенно интересных и быстро развивающихся
направлений в области физики низкоразмерных
полупроводниковых систем является исследование структур с трехмерным квантованием спектра носителей (OD-системы или квантовые точки) и их использование в различных областях оптоэлектроники. Новые и уникальные свойства этих систем, связанные с возможностью контролирования спектра и^волновык функций носителей, позволяют рассматривать их, в частности, в качестве эффективных систем для наблюдения нелинейных оптических явлений и эффектов фазовой памяти, с которыми связаны такие явления, как рамановское рассеяние, самоиндуцированная прозрачность. Эти явления могут быть использованы при создании таких приборов, как перестраиваемые ИК лазеры, фотоприемники, генераторы фемто-и пикосекундных импульсов большой мощности.
Не менее интересными являются в настоящее время бурно развивающиеся исследования пористого кремния, в связи с наблюдением в нем интенсивной фотолюминесценции в видимом диапазоне длин волн, что очевидно связано с существенной перестройкой электронного спектра и волновых функций в этом материале по сравнению с известной зонной структурой объемного монокристаллического кремния. Многие результаты эксперимента и теории пока находятся в стадии обсуждения. Выяснение физической природы происходящих в пористом
кремнии процессов позволит использовать основной материал микроэлектроники в качестве излучателей.
Цель диссертационной работы:
Исследование нелинейных оптических явлений в многослойных полупроводниковых структурах в квантующем магнитном поле (МКЯМП);
а) Исследование двухфотонного и трехфотонного процессов
вынужденного рамановского рассеяния в МКЯМП, при
внутризонных переходах.
б) Исследование двухфотонного и трехфотонного процессов
вынужденного рамановского рассеяния в МКЯМП, при
междузонных переходах.
Исследование возможности наблюдения эффекта самоиндуцированной прозрачности в МКЯМП.
Возможность получения мощных пикосекундных импульсов с помощью эффекта самоиндуцированной прозрачности;
Исследование особенностей поглащения и
фотолюминесценции пористого кремния.
Научная новизна состоит в следующем:
Получены аналитические выражения нелинейной
восприимчивости, описывающей процесс резонансного
комбинационного рассеяния на электронных состояниях в
трехмерно-квантованном спектре многослойной
полупроводниковой структуры, помещенной в квантующее магнитное поле. Показано, что учет конечной заселенности возбужденных уровней приводит к тому, что при однофотонном резонансном возбуждении комбинационное рассеяние сопровождается не только процессом горячей люминесценции, но
и резонансной флуоресценцией и когерентным релеевским рассеянием на стоксовой частоте.
Получены аналитические выражения нелинейной восприимчивости описывающей процесс рамановского рассеяния при двухфотонном дипольном возбуждении на внутризонных переходах, а также аналогичные выражения для междузонных переходов как при однофотонном квадрупольном возбуждении, так и при двухфотонном дипольном возбуждении.
Получены аналитические выражения для порога генерации рамановского излучения для вышеперечисленных случаев. Показано, что высокие значения нелинейной восприимчивости, обусловленные большими временами релаксации с одной стороны, и большими значениями матричных элементов -с другой, приводят к малым порогам генерации по сравнению с порогом возбуждения в других средах.
Исследовано явление самоиндуцированной прозрачности в полупроводниковой структуре с трехмерно-квантованным спектром. Показано, что порог образования и распространения стационарного импульса без поглащения происходит при меньших порогах возбуждения по сравнению с полупроводниками с непрерывным спектром.
Предложена геометрическая структура, позволяющая получать управляемые пикосекундные сверхмощные импульсы с использованием эффекта самоиндуцированной прозрачности.
Предложена модель энергетической структуры пористого кремния, позволяющая объяснить в рамках метода эффективной массы а) отклонение зависимости сдвига энергии края поглащения от закона \/d2\ показано, что эта зависимость от толщины квантового провода d имеет следующий вид:
б) структурный спектр фотолюминесценции, в)
изменив в широких пределах излучательных времен жизни в зависимости от толщины провода и энергии фотолюминесценции
Полученная вероятность излучательных переходов иллюстрирует трансформацию от непрямых к прямым излучательным переходам в зависимости от толщины провода. Практическая ценность:
Полученные результаты могут быть использованы при разработке и создании генераторов и приемников ИК излучения, генераторов сверхмощных пикосекундных импульсов, а также излучателей в видимом диапазоне длин волн. Основные положения
-
Модели энергетической структуры полупроводника, позволяющие рассмотреть нелинейные оптические эффекты высокого порядка, эффекты фазовой памяти и люминесценсию пористого материала. Построение теорий происходящих явлений в таких структурах.
-
Аналитические выражения нелинейной восприимчивости третьего порядка, описывающих процессы рамановского рассеяния, горячую люминесцнцию и резонансную флуоресценцию при однофотонном возбуждении.
-
Аналитические выражения нелинейной восприимчивости для резонансного рамановского рассеяния при двухфотонном возбуждении системы, как для внутризонных, так и для междузонных переходов. Метод двойных фейнмановских диаграмм, описывающих этот процесс.
-
Низкие пороги генерации рамановского излучения в таких системах.
-
Возможность самоиндуцированной прозрачности в таких системах.
-
Структура, позволяющая на основе самоиндуцированной прозрачности получать сверхмощные пикосекундные
импульсы.
7. Модель энергетической структуры, позволяющая объяснить
особенности фотолюминесценции в пористом кремнии: сдвиг
края поглащения, его зависимость от толщины проволоки,
вероятность переходов и структуру спектра.
Опубликовано 8 работ по теме диссертации.
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 95 страниц, 12 рисунков, 1 таблицу и 204 ссылок на литературу.
