Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

УДК 621.315.592

НЕЛІНІЙНІ ЕФЕКТИ В НАНОСТРУКТУРАХ

З БЛИЗЬКО-РОЗТАШОВАНИМИ ЕНЕРГЕТИЧНИМИ РІВНЯМИ

01.04.07. - Фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Коровін Олександр Вадимович

Київ-2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у теоретичному відділі Інституту Фізики Напівпровідників Національної Академії Наук України (м. Київ).

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук Васько Федір Трохимович, Інститут Фізики Напівпровідників НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Шека Дмитро Іванович, Національний університет ім. Т.Г. Шевченка, м. Київ завідувач кафедри електрофізики,

доктор фізико-математичних наук, Тарасов Георгій Григорович, Інститут Фізики Напівпровідників НАН України, завідувач відділом

Провідна установа: Інститут фізики Національної Академії Наук України, м. Київ.

Захист відбудеться: “15” березня (2002) р. о 1415 год. На засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою: 03028, Київ - 28, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (03028, Київ - 28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий “15” лютого 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук Охрименко О.Б.



Анотації

Коровін О.В. Нелінійні ефекти в наноструктурах з близько-розташованими енергетичними рівнями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. - Фізика твердого тіла. - Інститут Фізики Напівпровідників НАН України, 2002.

Дисертація присвячена теоретичному розгляду ефективності генерації далекого ІЧ випромінювання низькорозмірними напівпровідниковими гетероструктурами та ультратонкими металевими плівками, використовуючи нелінійні ефекти. На базі сучасної квантової кінетичної теорії, теоретично розглянуто міжзонні, міжпідзонні переходи та переходи між розщепленими за спіном станами в напівпровідникових гетероструктурах, а також міжпідзонні електронні переходи в надтонких металевих плівках. При двохчастотній накачці CO2 лазером, розглянута ефективність перетворення середнього ІЧ в ТГц випромінювання зміщеними надгратками, тунельно-зв'язаними та сходинко-подібними квантовими ямами та асиметричними квантовими ямами в ультратонких металевих плівках. Для зміщених надграток, також розглянута генерація різницевої гармоніки міжзонними переходами при двохколірній накачці, а для ультратонких металевих плівках розглянута можливість ТГц когерентної емісії при надшвидкому збудженні CO2 лазером. В асиметричних гетероструктурах з розщепленим за спіном спектром виявлена наявність ефективного перетворення середнього ІЧ в ТГц випромінювання при зовнішній накачці CO2 лазером, використовуючи ефект генерації різницевої гармоніки та перетворення міліметрового в субміліметрове випромінювання для генерації третьої гармоніки. Для міжпідзонних переходів в зміщених надгратках та переходів з переворотом спіну в асиметричних гетероструктурах розглянуто вплив багаточастинкових ефектів на лінійний відгук системи на зовнішнє гармонічне збудження з урахуванням деполяризаційного зсуву та нелокального обміну.

Ключові слова: нелінійні ефекти, генерація різницевої гармоніки, наноструктури, спін-орбітальне розщеплення, ультратонкі металеві плівки.



Коровин А.В. Нелинейные эффекты в наноструктурах с близкорасположенными энергетическими уровнями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07. - Физика твердого тела. - Институт Физики Полупроводников НАН Украины, 2002.

Диссертация посвящена теоретическому рассмотрению эффективности генерации далекого ИК излучения низкоразмерными полупроводниковыми гетероструктурами и ультратонкими металлическими пленками, используя нелинейные эффекты. На базе современной квантовой кинетической теории, в рамках метода эффективной массы, теоретически рассмотрены: межзонные, межподзонные переходы в полупроводниковых гетероструктурах и переходы между расщепленными по спину состояниями в асимметричных гетероструктурах, а также межподзонные электронные переходы в сверхтонких металлических пленках. Для генерации разностной гармоники, используя приближение параболического закона дисперсии, определенны условия двойного резонанса в системе размерно-квантовых уровней, а также проанализированы спектральные зависимости нелинейной восприимчивости. При двухчастотной накачке CO2 лазером, рассмотрена эффективность преобразования среднего ИК в ТГц излучение смещенными сверхрешетками, туннельно-связанными и шаго-подобными квантовыми ямами и асимметричными квантовыми ямами в ультратонких металлических пленках. Проанализированы электродинамические условия для эффективности генерации при наличии ТГц резонатора. Для смещенных сверхрешеток, также рассмотрена генерация разностной гармоники межзонными переходами при двухцветной накачке, а для ультратонких металлических пленок рассмотрена возможность ТГц когерентной эмиссии при сверхбыстром возбуждении CO2 лазером. В асимметричных гетероструктурах с заметным расщепленнием по спину энергетическим спектром, выявлено наличие эффективного преобразования среднего ИК в ТГц излучение при внешней накачке CO2 лазером, используя эффект генерации разностной гармоники. Также рассмотрена трансформация миллиметрового в субмиллиметровое излучение в асимметричных гетероструктурах за счет генерации третьей гармоники и определены резонансные условия. Для межподзонных переходов в смещенных сверхрешетках, а также для переходов с переворотом спина в асимметричных гетероструктурах рассмотрено влияние многочастичных эффектов на линейный отклик системы на внешнее гармоническое возбуждение с учетом деполяризационного сдвига и нелокального обмена. Учет нелокальности кулоновского взаимодействия для межподзонных переходов в смещенных сверхрешетках, привел не только к сдвигу пиков поглощения в сторону больших энергий с увеличением концентрации свободных носителей, но и к их расщеплению. Показано наличие эффектной генерации ТГц излучения в рассмотренных низкоразмерных системах, которое открывает возможность практического применения таких наноструктур.

Ключевые слова: нелинейные эффекты, генерация разностной гармоники, наноструктуры, спин-орбитальное расщепление, ультратонкие металлической пленки.



Korovin A.V. Non-linear effects in nanostrustures with closely spaced energy levels. - Manuscript.

The thesis for the Candidate Degree in Physics and Mathematics Speciality 01.04.07. - Solid Physics. Institute of Semiconductor Physics, Ukrainian National Academy of Sciences, 2002.

Dissertation is dedicated to theoretic consideration of the efficiency of far-IR generation in low-dimensional semiconductor heterostructures and ultrathin metallic films due to non-linear effects. The interband, intersubband and spin-flip transitions in semiconductor heterostructures and the intersubband electronic transitions in ultrathin metallic films are considered in the framework of the modern quantum kinetic theory. The efficiency of THz transformation of mid-IR radiation in biased superlattices, tunnel-coupled, step-like and asymmetric quantum wells and in ultrathin metallic films has been considered under two frequencies CO₂ laser pump. The difference harmonic generation due to the interband transition for two-colour pump in a biased superlattices, and the THz coherent emission under ultrafast excitation by CO₂ laser in an ultrathin metallic films have been considered. In asymmetric heterostructures with the spin-splitted energy spectrum, the availability of efficient THz transformation of mid-IR radiation for CO₂ laser pump by difference harmonic generation has been demonstrated and the conversions of millimetre into submillimetre radiation due to third harmonic generation have been considered. The influence of many-body effects, which took into account depolarisation shift and non-local exchange, on linear response under the external harmonic excitation is considered for the cases of the intersubband transitions in biased suprlattices and of the asymmetric quantum wells. нелінійний випромінювання напівпровідниковий плівка

Key words: non-linear effects difference harmonic generation, nanostructures, spin-orbit splitting, and ultrathin metallic films.



ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальніcть роботи. Діапазон електромагнітного спектру, що відповідає далекому інфрачервоному випромінюванню (субміліметровий діапазон), зараз починає знаходити різнобічні застосування у системах діагностики та контролю, зв'язку та інше. Для досліджень у цьому діапазоні існує потреба у малогабаритних ефективних генераторах та детекторах далекого ІЧ випромінювання. При створенні таких пристроїв застосовують різні матеріали в яких збуджуються електронні переходи, що приводять до процесів “up-conversion” та “down-conversion”: підвищення частоти за рахунок генерації n-ої гармоніки та зниження частоти за рахунок генерації різницевої гармоніки при збудженні системи двома різними електромагнітними хвилями з різними частотами. В даній роботі розглядається ефективність генерації далекого ІЧ випромінювання, використовуючи нелінійних ефектів, які виникають при проходженні електромагнітних хвиль через низьковимірні структури (наноструктури). Такі низьковимірні структури, окрім практичного інтересу представляють також інтерес теоретичного характеру, який пов'язаний з пошуком та дослідженням нових фізичних ефектів. Дослідження поведінки нерівноважних носіїв заряду в квантових надструктурах, системах зі зниженою розмірністю, де рух носіїв заряду обмежується в одному або декількох напрямках (квантові ями, надгратки, квантові проволоки, точки), є одним з сучасних напрямків у теорії твердого тіла. Це насамперед пов'язано з досягненнями технології вирощування надтонких напівпровідникових, металевих або діелектричних шарів методом молекулярно-променевої епітаксії. Сучасна технологія дозволяє вирощувати якісні шари матеріалів з відмінними значеннями постійної гратки, з різноманітними значеннями товщини та висоти потенціальних бар'єрів, що в свою чергу відкриває можливість створення квантових наноструктур з новими, контрольованими властивостями. Контролювати такі нові властивості можна також і за рахунок прикладення зовнішніх полів.

Отже актуальність даної тематики визначається одночасно, як пошуком нових ефективних перетворювачів накачки видимого та близького ІЧ діапазонів у далеке інфрачервоне випромінювання, так і теоретичним розглядом нелінійних ефектів у низьковимірних структурах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з науковими темами теоретичного відділу Інституту Фізики Напівпровідників НАН України. Результати дисертації були отримані в ході виконання держбюджетних та позабюджетних науково-дослідних робіт, які проводились згідно рішень Мінвузу УРСР, у виконанні яких, здобувач приймав безпосередню участь:

Проект ДФФД №2.4/970 "Експериментальні та теоретичні дослідження інверсного перерозподілу носіїв заряду в тривимірних та двовимірних структурах у далекому інфрачервоному діапазоні спектру";

Бюджетна тема "Теорія нерівноважних електронних і фононних явищ в низьковимірних напівпровідникових системах" - постанова Бюро Відділення фізики і астрономії НАН України, протокол №12 від 16.11.99;

Проект ДФФД №2.3/111 "Латеральний транспорт гарячих електронів в квантових гетероструктурах".

Мета і задачі досліджень. Основною метою даної дисертаційної роботи є теоретичний розгляд особливостей генерації далекого інфрачервоного випромінювання низьковимірними структурами, використовуючи нелінійні ефекти, які виникають за рахунок міжзонних, міжпідзонних, комбінованих (таких, що супроводжуються переворотом спіну) електронних переходів в напівпровідникових гетероструктурах (квантові ями та надгратки) та електронних переходів в ультратонких металевих плівках. Проведена також оцінка ефективності генерації та обговоренні можливості подальшого використання отриманих результатів. Дослідження грунтується на сучасній квантовій кінетичній теорії, в рамках формалізму матриці густини, та на розгляді електродинаміки нелінійних процесів.

Для досягнення поставленої мети вирішувались такі задачі:

теоретичне дослідження особливостей стаціонарних електронних станів в гетероструктурах та надтонких металевих плівках, та вплив на них поперечного електричного поля;

дослідження особливостей генерації різницевої гармоніки в тунельно-зв'язаних гетероструктурах та вплив на них зовнішнього поля;

вивчення особливостей генерації різницевої гармоніки в надтонких металевих плівках;

розгляд впливу багаточастинкових ефектів (деполяризаційний зсув, урахування обмінного ефекту) на відгук квантово-механічної системи нерівноважних електронів в напівпровідникових гетероструктурах;

введення методики характеризації розмірного квантування за рахунок нелінійних ефектів, в якій замість генерації другої гармоніки використовують різницеву гармоніку.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі проведено вивчення нелінійних ефектів в низьковимірних гетероструктурах, що базується на використанні сучасної квантової кінетичної теорії нерівноважних носіїв заряду, та електродинаміки нелінійного відгуку, що дозволило вперше одержати такі нові наукові результати:

теоретично розглянуто нелінійний відгук двовимірних електронів в ультратонких металевих плівках, та ефективність когерентної емісії з таких плівок далекого інфрачервоного випромінювання при їх надшвидкому збудженні;

проаналізовано вплив багаточастинкових ефектів (у самоузгодженому наближенні) на лінійний відгук двовимірних електронів в напівпровідникових надгратках зміщених однорідним електричним полем, при цьому виявлено розщеплення піків поглинання та досліджена їх залежність від зовнішнього електричного поля та від зміни концентрації вільних електронів;

розглянуто нелінійний відгук за рахунок міжзонних та міжпідзонних електронних переходів в зміщених напівпровідникових надгратках, та зроблена оцінка ефективності перетворення в далеке інфрачервоне випромінювання при генерації різницевої гармоніки;

проаналізовано нелінійний відгук двовимірних електронів в асиметричних гетероструктурах. На базі AlSb/InAs квантових ям було теоретично показано існування ефективного перетворення середнього інфрачервоного випромінювання в субміліметрове випромінювання за рахунок генерації різницевої гармоніки, а також підвищення частоти міліметрового випромінювання за рахунок генерації третьої гармоніки.

Практичне значення одержаних результатів. На основі аналізу результатів теоретичного дослідження нелінійного відгуку двовимірних електронів сформульовано рекомендації щодо використання низьковимірних структур для ефективної генерації далекого ІЧ випромінювання. Отримані у дисертації теоретичні результати пояснюють результати отримані нещодавно експериментальною групою з Bell Laboratory (C. Sirtori, F. Capasso, J. Faist, L. N. Pfeiffer, та K. W. West, Appl. Phys. Lett.-1994.-Vol.65.-P.445-447).

Особистий внесок здобувача. У публікаціях, які були зроблені разом з іншими співавторами, [2-5] та [7-10], особистий внесок здобувача, полягає у виконанні усіх числових розрахунків, а також участь в обговоренні та формулюванні поставлених аналітичних та числових проблем. Крім публікацій у співавторстві, здобувач має публікації без співавторів [1,6], в яких здобувач самостійно сформулював та розв'язав поставлену проблему. Усі основні положення дисертації, які були описані у спільних публікаціях, були отримані дисертантом самостійно.

Апробація результатів дисертації. Результати, що викладені у дисертаційній роботі доповідалися на семінарах Інституту Фізики Напівпровідників та Інституту Фізики НАН України та на міжнародних конференціях:

"Nano-Physics&Bio-Electronics A New Odyssey" (Дрезден, Германія, 6-31 серпень, 2001);

"18th General Conference of the Condensed Matter Division of the Europian Physics Society (Монтрекс, Швейцарія, 13-17 березня, 2000);

"The IV International Conference on Material Science\&Material Properties for IR Optoelectronics" (Київ, жовтень, 1998);

"Nonlinear optics at interfaces" (Берлін, Германія, 21-24 вересня, 1998).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи відображені в 5 статтях у провідних наукових журналах та 5 тезисах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та чотирьох додатків. Загальний об'єм дисертації становить 144 сторінки друкованого тексту, ілюстрованого 37 рисунками та 2 таблицями. Список використаних джерел містить 95 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертації визначено актуальність теми, проаналізовано її сучасний стан, сформульовано мету і завдання досліджень, обгрунтовано наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів, подано інформацію про апробацію та публікації результатів роботи, а також визначено особистий внесок здобувача в процесі виконання роботи.

У першому розділі розглянуті міжпідзонні електронні переходи в напівпровідникових гетероструктурах. Розглянуті стаціонарні електронні стани, які виникають в Al_xGa_1-xAs тунельно-зв'язаних, сходинко-подібних (step-like) квантових ямах та напівпровідникових надгратках зміщених однорідним електричним полем зі слабким тунельним зв'язком між сусідніми квантовими ямами в надгратці. Використовуючи базис стаціонарної задачі та формалізм матриці густини, для генерації другої гармоніки з квантового кінетичного рівняння (в рамках методу ефективної маси та в області параболічності енергетичного спектру) виведена умова подвійного резонансу, при якій генерація буде найбільшою (при цьому для ефективного перетворення необхідна наявність в системі принаймні трьох розмірно-квантових станів). Згідно умови подвійного резонансу, системи розмірно-квантових рівнів для ефективної генерації різницевої гармоніки при зовнішній накачці двома хвилями CO₂ лазеру, можна розділити на дві групи: а) два близько-розташованих енергетичних рівня, з яких принаймні один заповнений електронами, та збуджений рівень вверху; б) два збуджених близько-розташованих енергетичних рівнів (Рис. 1)

При цьому, для таких електронних переходів ненульовою компонентою тензору нелінійної сприйнятливості, , на різницевій частоті виявляється тільки c^zzz, яка для трирівневої системи визначається добутком матричних елементів поперечної швидкості (поперечної площині шару гетеропереходу) . Цей добуток дорівнює нулю для симетричної системи (з симетричним профілем потенціальної енергій зони провідності вздовж вісі росту), так що для забезпечення найбільшої ефективності перетворення необхідно створити асиметрію в системі (технологічно, або за рахунок зовнішніх прикладених полів). Розрахунки нелінійної сприйнятливості для подвійної квантової ями, яка використовувалася в експерименті по генерації далекого ІЧ (C. Sirtori, F. Capasso, J. Faist, L. N. Pfeiffer, та K. W. West, Appl. Phys. Lett.-1994.-Vol.65.-P.445-447), показали співпадання розрахованих даних для розглянутої моделі тунельно-зв'язаних квантових ям з експериментом.

У вищезгаданому експерименті використовувалися багатократно повторені квантовоямні структури, які розділені між собою широкими бар'єрними проміжками. Отже, більша частина простору не використовується для генерації далекого ІЧ випромінювання. З цієї точки зору в надгратках простір використовується більш ефективно. Для надгратки, зміщеної однорідним електричним полем (зонна діаграма та закони дисперсії зображені на Рис. 2) була розрахована спектральна залежність нелінійної сприйнятливості на різницевій гармоніці (Рис. 3) та проведена оцінка ефективності пониження частоти з урахуванням ефекту підсилення вихідного сигналу в ТГц резонаторі.

У другому розділі розглядається генерація різницевої гармоніки, яка обумовлена міжзонними переходами у нелегованій надгратці, яка знаходиться в однорідному електричному полі (зміщена НГ). При цьому розглядався випадок слабо-зв'язаної НГ, коли нижні рівні енергії електронних станів описуються в термінах моделі сильного зв'язку, в той час як для діркових станів можна знехтувати тунельним зв'язком між сусідніми квантовими ямами надгратки через велику ефективну масу у v-зоні. Схема такої зміщеної НГ, яка знаходиться під збудженням двома хвилями з енергіями фотонів ћw ₁ та ћw ₂ представлена на Рис. 4.

Міжзонні переходи були описані базуючись на кейнівській моделі. Оскільки електронний спектр являє собою еквідістантну систему рівнів розділених блохівською енергією e_f, то резонансна генерація має місце при двохколірній накачці з енергіями квантів, що відрізняються на e_f. При цьому ненульові компоненти тензору нелінійної сприйнятливості, c^{||^}, описує генерацію хвилі, яка поляризована в площині перпендикулярній площині шару, при збудженні хвилями поляризованими в площині шару гетероструктури. Було виявлено, що типовий вид спектральної залежності c^{||^}(w₁, w₂) має вигляд сходинок, причиною яких є наявність у НГ переходів між v- та c-зонами з однаковою енергією переходу, але з різними значеннями двовимірного моменту (на Рис. 5 зображена частина спектру з de >0 яка симетрична відносно заміни ћw₁ на ћw₂).

Число цих сходинок >1 і залежить від енергії розщеплення, що визначається прикладеним зовнішнім полем (при зменшенні поля число сходинок зростає) та геометрією НГ. Це пов'язано з тим, що у сприйнятливість дають внесок всі сусідні ями, але в залежності від прикладеного поля вплив далеких сусідів сильно зменшується. Були також проаналізовані польові залежності для нелінійної сприйнятливості c^{||^}. Абсолютна величина генерації різницевої гармоніки для типових параметрів НГ, яка базується на GaAs/AlGaAs гетеропереходах виявилася на декілька порядків більша ніж величина генерації подвійної гармоніки приповерхневими електронними станами в об'ємному GaAs, але меншою ніж для міжпідзонних переходів в гетероструктурах.

У третьому розділі розглянуті нелінійні відгуки на різницевій та третій гармоніці з використанням електронних переходів між розщепленими за спіном станами в асиметричних гетероструктурах (Рис. 6). На відміну від міжпідзонних переходів розглянутих в попередніх розділах, де вивчалися Al_xGa_1-xAs гетеростуктури на базі широкозонних напівпровідників, в даному розділі досліджується AlSb/InAs квантова яма, основою якої є вузькощілинний напівпровідник (InAs). Розгляд стаціонарних станів такої структури був проведений з використанням зонної моделі Кейна. В таких напівпровідниках та гетеропереходах під впливом зовнішнього електричного поля відбувається суттєве розщеплення вироджених за спіном станів (зняття виродження енергетичного спектру). Використовуючи модель Кейна були отримані матричні елементи швидкості для міжпідзонних переходів, при цьому, на відміну від міжпідзонних електронних переходів в широкозонних напівпровідниках в області параболічності енергетичного спектру, матричні елементи повздовжньої швидкості (вздовж вирощених шарів) виявилися ненульовими та відіграють суттєву роль в ефективності перетворення частот.

Для генерації різницевої гармоніки ненульовими компонентами тензору нелінійної сприйнятливості виявилися тільки c^zaa, c^aza та c^aaz, де a будь-який напрямок в площині шару гетероструктури, при цьому для подвійного резонансу, c^zaa виявляється набагато меншою ніж інші компоненти (c^aza(w₁,w₂) = -c^aaz(w₂,w₁)^*). Спектральна залежність c^aaz(w₁,w₂) виявляється цілком відмінної від аналогічних залежностей розглянутих в попередніх розділах.

Для системи двох спін-розщеплених рівнів був отриманий вираз для тензору нелінійної сприйнятливості для генерації третьої гармоніки, цей вивід базується на недіагоналізованому спіновому гамільтоніані (матриця 2x2). При цьому була теоретично встановлена відсутність генерації парних гармонік, що випливає з симетрії в площині шару (оскільки для задачі, яка розглядається, в площині шару гетероструктури відсутні виділені напрямки). Для генерації третьої гармоніки було проаналізовано вплив спінового розщеплення на уширення піків та зроблено порівняння з енергією уширення, з якого випливають умови, що значно спрощують вираз для нелінійної сприйнятливості.

На відміну від різницевої гармоніки, коли в системі існує подвійний резонанс, для генерації третьої гармоніки (Рис. 8) існують тільки одинарні резонанси при ћw = e_s, ћw = 2e_s та ћw = 3e_s, де e_s - енергія спінового розщеплення (при цьому сила осцилятора найбільша для резонансу при ћw = 3e_s). Величина сприйнятливості на третій гармоніці виявилася набагато більшою ніж для об'ємних зразків, та в декілька разів більшою ніж для масиву InAs/GaAs квантових точок (Sauvage S., Boucaud P., Glotin F., Prazeres R., Ortega J.-M., Lemaitre A., Gerard J.-M., and Thierry-Mieg V. Phys. Rev. B.-1999.-Vol.59-P.9830).

У четвертому розділі розглянуто нелінійний відгук електронів в надтонких металевих плівках (товщина порядку 100Е), та розрахована сприйнятливість на різницевій гармоніці, яка обумовлена міжпідзонними електронними переходами у квантових металевих плівках (на основі плівок шляхетних металів, оскільки сучасна технологія молекулярної епітаксії дозволяє вирощувати досконалі плівки саме таких металів). Були проаналізовані умови подвійного резонансу для сприйнятливості, базуючись на квазікласичному квантуванні електронних станів, на основі якого виводиться загальний вираз для нелінійного тензора сприйнятливості для різницевої гармоніки. При цьому були обговорені ролі анізотропних та непараболічних спектрів енергії. При використанні квазікласичного квантування було виявлено, що анізотропія енергетичного спектра придушує c^zzz, у той час як подвійний резонанс відбувається для будь-якого ізотропного (але непараболічного) енергетичного спектру.

Відгук другого порядку на різницевій частоті двовимірними електронними станами в надтонких металевих плівках, що є можливим оскільки існує асиметрія вздовж вісі росту, був обчисленим для параболічної моделі законів дисперсії з використанням граничних умов третього роду, за допомогою характерних хвильових векторів Q_±, які визначають підбар'єрні довжини проникнення на поверхнях розділу “вакуум-металічна плівка”, Q₊, та “металічна плівка-підкладка”, Q_-, у випадку накачки двома фотонами CO₂ лазеру (Рис. 9). Розглядаються також ефекти непараболічних законів дисперсії. Наближення параболічної моделі законів дисперсії дозволило оцінити вклад подвійної резонансної умови, та недіагональні компоненти тензора сприйнятливості. Матричні елементи міжпідзонних переходів розраховані для параболічної моделі спектрів енергії, що використовують граничну умову третього роду на поверхнях розділу. Вплив розсіювання розглядався за допомогою феноменологічно введеної енергії уширення.

Було показано, що ефективність перетворення накачки CO₂ лазеру в ТГц випромінювання для досконалих шляхетних металевих плівок має той самий порядок, що й для напівпровідникових гетероструктур зі спеціальною зонною структурою в яких реалізовані близько-розташовані рівні. На відміну від випадку міжзонного або міжпідзонного збудження в напівпровідникових гетероструктурах, де можна використовувати трирівневу модель, для металічних плівок необхідно брати до уваги всі дозволені переходи, при цьому для ТГц відгуку і для ІЧ збудження, може виникати подвійний резонанс, якщо одночасно декілька переходів будуть задіяні до утворення відгуку.

Було продемонстровано, що c^zzz дуже чутливе як до плівкової товщини, так і до енергій накачки, отже дослідження генерації різницевої гармоніки дає більш докладну інформацію, як щодо зонної структури плівки, так і щодо міжпізонних переходів, на відміну від схеми генерації другої гармоніки, яка широко використовується для характеризації надтонких металевих плівок (Hirayama H., Komizo T. Kawata T. Takayanagi K. Phys. Rev. B.-2001.-Vol.63-P.5413).

Крім того, для металевих плівок був проведений теоретичний аналіз ТГц когерентної емісії при надшвидкому середньому ІЧ збудженні (перетворення субпікосекундної ІЧ накачки в ТГц випромінювання). Цей аналіз базується на розгляді збурення другого порядку для матриці густини у беззіткневому режимі. Була продемонстрована можливість ефективного збудження ТГц емісії в квантових металевих плівках та вивчені характеристики надшидкого відгуку як функції частоти накачки та тривалості імпульсу (Рис. 10). Це дозволяє використовувати надшвидку ІЧ накачку квантованих металевих плівок, для збудження міжпідзонних переходів у ТГц спектральному діапазоні та виявити умови найбільш ефективного збудження.

Додатки: Використовуючи формалізм матриці густини у Додатку А, отримано основний вираз для тензору нелінійної сприйнятливості на різницевій гармоніці. Вивід базується на квантово-механічному рівнянні Неймана, що описує еволюцію квантово-механічної системи з часом. При цьому використано одночастинкове наближення у рамках методу ефективної маси, з інтегралом зіткнень, який спрощено за рахунок використання наближення часу релаксації.

У Додатку Б, використовуючи рівняння Максвела, проведено оцінку ефективності генерації багатошарового нелінійного середовища, розміщеного в ТГц резонаторі. Для простої геометрії задачі були отримані резонансні умови перетворення та залежності ефективності генерації від характеристик збудження.

У Додатку В, розглянуто вплив багатоелектронних ефектів на 2D-електрони в зміщених надгратках (з урахуванням нелокальності обмінної кулонівської взаємодії). Для зміщеної однорідним зовнішнім полем надгратки були розраховані спектральні залежності коефіцієнту поглинання у середній ІЧ ділянці електромагнітного спектру та проаналізовано вплив зовнішнього однорідного поля на спектральні залежності. Було виявлено, що з ростом концентрації 2D-електронів, окрім зсуву в область більших енергій, відбувається розщеплення піків поглинання та перерозподіл сили осциляторів цих підпіків з ростом концентрації вільних електронів.

У Додатку Г, розглянуто уширення лінії поглинання для переходів 2D-електронів з переворотом спіну та вплив кулонівських ефектів (нелокального обміну) і температури на форму лінії поглинання. Було встановлено, що зсув лінії поглинання, який визначається обмінною перенормовкою переходу з переворотом спіну, залежить від 2D-концентрації як n_2D^-1/2.



Основні результати та висновки

На основі проведених теоретичних досліджень ефективності нелінійного відгуку в низьковимірних структурах з близько-розташованними рівнями отримано такі результати:

Оцінена ефективність перетворення середнього ІЧ в субміліметрове випромінювання при міжпідзонних електронних переходах в зміщених надгратках, тунельно-зв'язаних та сходинко-подібних квантових ямах при зовнішній накачці двома частотами CO2 лазеру.

Досліджено вплив багаточастинкових ефектів на лінійний відгук електронної системи при гармонічному збудженні для міжпідзонних електронних переходів в зміщених надгратках.

Розглянуті електродинамічні умови для ефективності перетворення в далеке ІЧ випромінювання та виявлено різке підвищення ефекту перетворення при застосуванні ТГц резонатору.

В асиметричних гетероструктурах з розщепленим за спіном енергетичним спектром виявлена наявність ефективного перетворення середнього ІЧ в ТГц випромінювання при генерації різницевої гармоніки.

Досліджена ефективність перетворення міліметрового випромінювання у субміліметрове в асиметричних гетероструктурах для генерації третьої гармоніки. Встановлено ефективне перетворення середнього ІЧ випромінювання в ТГц випромінювання міжпідзонними електронними переходами в асиметричних ультратонких металевих плівках, а також показана висока ступінь чутливості для генерації різницевої гармоніки у порівнянні з генерацією другої гармоніки, яка використовується для характеризації розмірного квантування в надтонких металевих плівках.

Досліджена ТГц когерентна емісія при надшвидкому збудженні CO2 лазером міжпідзонних електронних переходів, яка обумовлена відгуком другого порядку в ультратонких металевих плівках.



ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ РОБОТИ

Korovin A.V. Difference harmonic generation due to spin-flip transitions in an asymetric quantum wells // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2001.-Vol.4, №1.-P.34-39.

Korovin A.V., Mitin V.V., Vasko F.T. Generation of a difference-harmonic in a biased superlattice // Physical Review B.- 2000.-Vol.62,№12.-P.8192-8198.

Korovin A.V., Vasko F.T. THz coherent emission from quantized metallic films under ultrafast IR excitation // Applied Physics B.-1999.-Vol.68,№3, -P.361-364.

Korovin A.V., Vasko F.T. Resonant generation of a difference harmonic at quantized metallic film // Applied Physics B.- 1999.-Vol.68,№3.-P.355-359.

Korovin A.V., Vasko F.T. Resonant generation of difference harmonics in heterostructures with closely spaced levels // SPIE.- 1999.-Vol.3890.-P.408-413.

Korovin A.V. Peculiarities of spin-flip transitions in low-dimensional heterostructures // Nano-Physics&Bio-Electronics A New Odyssey, Dresden, Germany, Auqust 6-31, 2001.

Korovin A.V., Mitin V.V., Vasko F.T. Generation of a difference-harmonic in a biased superlattice // Proc. on 18th General Conf. of the Condensed Matter Division of the Eur. Phy. Soc., Montreux (Switzerland), March 13-17, 2000.

Korovin A.V., Vasko F.T. Resonant generation of difference harmonics in heterostructures with closely spaced levels // Proc. on The IV International Conference on Material Sci.&Material Properties for IR Optoelectronics, Kyiv(Ukraine), October.1-5,1998.

Korovin A.V., Vasko F.T. Resonant generation of difference harmonic at quantized metallic films // Proc. on Conf. of Nonlinear optics at interfaces, Berlin(Germany), September. 21-24, 1998.

Korovin A.V., Vasko F.T. THz coherent emission from quantized metallic films under ultrafast IR excitation // Proc. on Conf. of Nonlinear optics at interfaces - Berlin(Gemany), Sept. 21-24, 1998.

Размещено на Allbest.ru