Поляризація спінів електронів у системах з подвійними бар’єрами та екситонні спектри в подвійних квантових ямах у напівмагнітних напівпровідниках

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

ЛЕВ Сергій Богданович

УДК 621.315.592

ПОЛЯРИЗАЦІЯ СПІНІВ ЕЛЕКТРОНІВ У СИСТЕМАХ

З ПОДВІЙНИМИ БАР'ЄРАМИ ТА ЕКСИТОННІ СПЕКТРИ В ПОДВІЙНИХ КВАНТОВИХ ЯМАХУ НАПІВМАГНІТНИХ НАПІВПРОВІДНИКАХ

01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті ядерних досліджень Національної академії наук України.

Науковий керівник: чл.-кор. НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор

Сугаков Володимир Йосипович,

Інститут ядерних досліджень НАН України завідуючий відділом теоретичної фізики.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Саченко Анатолій Васильович,

Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України, провідний науковий співробітник;

доктор фізико-математичних наук, професор

Данильченко Борис Олександрович,

Інститут фізики НАН України, завідуючий відділом фізики радіаційних процесів.

Захист дисертації відбудеться “19 ” червня 2008 року о “ 14 ³⁰ ” год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.159.01 при Інституті фізики НАН України (03680, м. Київ, проспект Науки, 46).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики НАН України

Автореферат розіслано “ 15 ” травня 2008.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.О. Чумак

ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ РОБОТИ

напівмагнітні напівпровідникові екситон спіновий

Актуальність теми. Різноманітні низьковимірні структури як об'єкт досліджень відомі досить давно, проте протягом останніх декількох десятиріч значно зросла кількість робіт, присвячених їх вивченню. Така активність пов'язана з розвитком технічних можливостей створення різноманітних систем. З'явилися експерименти з квазінульвимірними квантовими точками, квазіодновимірними квантовими дротами, квазідвовимірними квантовими ямами і побудованими на їх основі пристроями [1]. З розвитком технології виготовлення низьковимірних систем зростає і вибір відповідних матеріалів (діелектрики, метали, напівпровідники, фероелектрики тощо). З появою надпровідників у низьковимірних системах з'явилася така галузь науки як надпровідникова цифрова електроніка, останнім часом надзвичайно інтенсивно розвивається також молекулярна електроніка, проте при конструюванні різноманітних низьковимірних систем одним із найбільш популярних матеріалів залишаються напівпровідники.

У дисертації досліджуються квазідвовимірні структури, виготовлені на базі напівмагнітних напівпровідникових сплавів, а саме - оптичні властивості екситонів у подвійних квантових ямах і спінові характеристики електронів при проходженні ними гетероструктур з двома бар'єрами. Немагнітні напівпровідникові гетероструктури вивчають уже досить давно. Так наприклад, одним із напрямів, який дав поштовх до дослідження подвійних квантових ям, був пошук можливостей керування часом життя екситонів. Недоліком при використанні з цією метою зовнішнього електричного поля є ускладнення інтерпретації результатів. Тому стає актуальним вивчення можливості розділення зарядів без використання електричного поля, наприклад, за допомогою магнітних полів у напівмагнітних напівпровідникових подвійних квантових ямах. У напівмагнітних напівпровідниках внаслідок сильної обмінної взаємодії між спінами носіїв і спінами магнітних домішок у зовнішньому магнітному полі відбувається розщеплення ширини забороненої зони (гігантське Зеєманівське розщеплення) [2]. Величина цього розщеплення сильно залежить від магнітного поля, а отже, у гетероструктурах з'являється можливість керування положенням енергетичних рівнів носіїв зовнішнім полем. Іншу частину дисертації присвячено можливості використання квазідвовимірних систем в якості спінових фільтрів. На сучасному етапі ведуться інтенсивні пошуки і розробки систем (наприклад, квантові комп'ютери) і навіть почали з'являтися окремі області знань (наприклад, спінтроніка, наноелектроніка тощо), для яких створення певного рівня поляризації і контроль спіну носіїв є життєво важливим. Існує багато різних методів створення високого рівня поляризації носіїв. Серед них і використання системи з декількох напівмагнітних напівпровідникових бар'єрів і ям.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Інституті ядерних досліджень НАН України. Основні результати отримані в рамках виконання наступних тем наукових досліджень:

1. "Дослідження впливу дефектів структури, ядерного та електромагнітного опромінень на електронні спектри та фізичні властивості низьковимірних систем", № ДР 0197U16410;

2. "Спінові властивості носіїв заряду в обмежених напівпровідникових наноструктурах", INTAS-03-51-5266;

3. "Нестійкості, фазові перетворення та модуляція властивостей матеріалів під дією ядерного та електромагнітного опромінень", грант Державного фонду фундаментальних досліджень Міністерства освіти та науки України №02.07/0147.

Мета дисертації

· Теоретично дослідити гетероструктури, в яких за допомогою магнітного поля можна істотно впливати на їх оптичні властивості та поляризацію спінів носіїв.

· Дослідити зміну сили осциляторів оптичних переходів та часу життя екситонів при перерозподілі зарядів у подвійних квантових ямах на базі напівмагнітних напівпровідникових сплавів, викликану зовнішнім магнітним полем.

· Знайти параметри системи подвійних квантових ям, в яких при певних значеннях поля в основному збудженому стані буде відбуватися перехід від просторово прямого до довгоживучого непрямого (між'ямного) екситону.

· Дослідити залежності поляризації спінів носіїв у двобар'єрних системах, побудованих на базі гетеропереходів у напівмагнітних напівпровідникових сплавах, від зовнішніх магнітного та електричного полів, параметрів бар'єрів, концентрації магнітних та немагнітних іонів домішок, концентрації носіїв, температури тощо.

· Визначити залежність ступеня поляризації спінів від відстані до гетероструктури при різних параметрах системи - часу спін-граткової релаксації, рухливості носіїв тощо.

Об'єкт дослідження - напівмагнітні напівпровідникові гетероструктури (подвійні квантові ями, одиночний і подвійні бар'єри), енергетичні спектри екситонів і спін електрона.

Предмет дослідження - поведінка екситонних спектрів у подвійних квантових ямах на базі напівмагнітних напівпровідникових сплавів у зовнішньому магнітному полі і визначення параметрів, при яких непрямий екситон стає основним збудженим станом системи; поляризація зразка і можливість керувати її величиною і знаком за допомогою прикладених зовнішніх полів.

Методи дослідження. Для знаходження хвильових функцій, взаємодії носіїв із системою та зовнішніми полями, енергії екситонів, імовірностей оптичних переходів та тунелювання використовувались стандартні методи квантової механіки. Для знаходження вигляду потенціалів застосовувались напівемпіричні формули. При чисельних розрахунках інтегралів і проведенні процедури сумування використано стандартні процедури програми Mathematica, а для розв'язування диференційних рівнянь - алгоритм методу Ньютона.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі одержано такі нові результати:

· Вперше визначено динаміку зміни екситонних спектрів у подвійних напівмагнітних напівпровідникових квантових ямах у залежності від обраних матеріалів, концентрації магнітних і немагнітних домішок, ширини ям і бар'єра, зовнішнього магнітного поля.

· Вперше показано, що в подвійних квантових ямах на базі CdTe з використанням магнітних домішок Mn в бар'єрах і одній з ям при прикладанні зовнішнього магнітного поля до 3Т має місце тунелювання екситону з найнижчою енергією з однієї ями до іншої. При цьому спостерігається різка зміна інтегралів перекривання для відповідних енергетичних рівнів, яка обумовлена утворенням у точці переходу змішаного стану із симетричною і асиметричною хвильовими функціями.

· Показано, що за рахунок введення немагнітних домішок Mg для формування бар'єрів у квантових ямах на базі CdTe можна досягнути ситуації, коли при зростанні зовнішнього магнітного поля основний стан системи буде переходити від просторово прямого до непрямого екситону. Визначено область значень параметрів ям, при яких у магнітному полі має місце перехід від просторово прямого до просторово непрямого екситону.

· Розраховано оптичні характеристики подвійних квантових ям і показано, що за певних параметрів системи в зовнішньому магнітному полі має місце значне зростання часу життя екситону в основному стані, що проявляється в спектрах випромінювання.

· Показано, що час життя непрямого екситону зростає зі збільшенням ширини між'ямного бар'єра і може змінюватися на декілька порядків.

· Показано, що в подвійних квантових ямах на базі напівмагнітних напівпровідникових сплавів ZnSe з різноманітними домішками в зовнішніх магнітних полях до 5Т відбувається перехід основного стану від прямого до непрямого екситону і значний ріст його часу життя.

· Досліджено можливість використання в якості спінового фільтра двобар'єрної гетероструктури на базі напівмагнітного напівпровідникового cплаву CdTe з використанням домішок іонів Mg для формування бар'єрів та іонів Mn для формування ями і показано, що за допомогою такої системи можна досягти високого рівня поляризації спінів.

· Для спінового фільтра на базі напівмагнітного напівпровідникового сплаву CdTe розраховано залежність поляризації спінів носіїв від відстані до гетероструктури.

· Проведено аналіз поляризації спінів носіїв системою з двома напівмагнітними напівпровідниковими бар'єрами в залежності від різних параметрів. Показано, що ступінь поляризації спадає при збільшенні температури, зростанні концентрації носіїв, зменшенні концентрації магнітних домішок тощо.

Практичне значення одержаних результатів.

Для систем подвійних напівмагнітних напівпровідникових квантових ям, побудованих на базі CdTe і ZnSe, визначено діапазон можливих параметрів системи, при яких за допомогою зовнішнього магнітного поля можна керувати часом життя екситону.

Для систем подвійних бар'єрів на базі CdTe запропоновано варіант побудови спінового фільтра з нечутливими до зовнішнього магнітного поля домішками у бар'єрах і магнітними іонами в ямі. Визначено параметри системи, при яких можна досягати спінової поляризації потоків більше 90 відсотків, причому високий ступінь поляризації носіїв зберігається на значній відстані від бар'єра (порядку декількох мікрон).

Особистий внесок здобувача. Автором отримано динаміку зміни екситонних спектрів у подвійних напівмагнітних напівпровідникових квантових ямах у залежності від обраних матеріалів, концентрації магнітних і немагнітних домішок, ширини ям і бар'єра, зовнішнього магнітного поля. Проаналізовано динаміку характеристик подвійних квантових ям на базі CdTe з магнітними домішками в бар'єрах і показано неможливість появи в такій системі переходу прямий-непрямий екситон. Здобувачем разом зі співавторами отримано діапазон параметрів системи подвійних квантових ям на базі ZnSe з немагнітними домішками в бар'єрах, при яких у зовнішньому магнітному полі спостерігається перехід основного стану системи від прямого до непрямого екситону. Автор брав участь у розробці та аналізі системи подвійних квантових ям на базі CdTe з немагнітними домішками в бар'єрах і магнітними домішками в одній з ям. Автор приймав участь у розрахунках і підборі параметрів спінового фільтра на базі напівмагнітної напівпровідникової гетероструктури з двома не чутливими до зовнішнього поля бар'єрами. В усіх роботах автором написані програми і виконані числові розрахунки. Автор також брав безпосередню участь в аналізі та інтерпретації усіх результатів, а також у написанні тексту всіх робіт.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації було представлено на 5 міжнародних конференціях:

1. International Conference of Materials and Applied Technologies 2003, (Singapore, 8-12.12.2003);

2. IV Міжн. Школи-Конф. "Актуальні проблеми фізики напівпровідників" (Дрогобич, Україна, 24-27. 06. 2003);

3. II Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (за участі зарубіжних вчених) (Чернівці, Україна, 20-24. 09. 2004);

4. Шестой международный укр.-рос. семинар "Нанофизика и наноэлектроника" (Киев, Украина, 25-28.09.2005);

_5. International conference on II-VI compounds (Warsaw, Poland, 12-16.09.2005).

Публікації та особистий внесок здобувача. За матеріалами дисертації опубліковано 9 робіт, у тому числі 6 статей у реферованих журналах, визначених у переліках ВАК України як фахові, 2 тез у матеріалах міжнародних конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, трьох розділів основної частини, загальних висновків і списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації - 135 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовується актуальність теми, сформульована мета роботи, практичне і наукове значення отриманих результатів, коротко викладено зміст оригінальної частини роботи, описано особистий внесок здобувача в даній роботі.

У першому розділі проведено дослідження поведінки енергетичних рівнів хвильових функцій та оптичних параметрів екситонів у подвійних квантових ямах на базі напівмагнітних напівпровідникових сплавів у залежності від прикладеного зовнішнього поля. Системи з двома ямами для екситону звернули на себе увагу дослідників, оскільки, змінюючи в них ширину ям, їх форму і відстані між ними, можна керувати енергетичним спектром, спектром випромінювання і часом життя екситонів. Характерною властивістю непрямих екситонів є великий час життя, пов'язаний з тим, що електрон і дірка в таких екситонах локалізовані в різних квантових ямах, а отже їхні хвильові функції слабо перекриваються. Ця особливість непрямих екситонів дозволяє отримувати високу їх концентрацію і досліджувати колективні явища, спектри випромінювання тощо.

Схематичний вигляд системи, яка досліджується. У найпростішому випадку вона складається з п'яти послідовно розташованих шарів напівпровідника, один або декілька з яких можуть містити магнітні домішки . У випадку досліджуваних нами напівпровідників при прикладанні магнітного поля вздовж осі росту кристала не відбувається змішування станів легкої і важкої дірок. Таким чином Гамільтоніан для екситону з важкою діркою в системі подвійних квантових ям має наступний вигляд:

(1)

де - Гамільтоніан вільного екситону, - вплив магнітного поля на електрон і дірку, з яких складається екситон, а і - потенціальна енергія. включає в себе діамагнітний зсув і ефект Зеємана, проте слід відмітити, що в полях до вклад від цих доданків малий і складає поправку до загальної енергії менше . У формулі (1) - проекція координати електрона (дірки) на вісь , - відносна концентрація магнітних домішок у відповідному шарі. Два доданки, які визначають потенціали подвійних квантових ям для електрона і дірки, складаються з двох частин. Перша складова потенціалу виникає за рахунок деформації кристалічної гратки при заміні в ній власних атомів іонами . Друга частина описує обмінну взаємодію і залежить від зовнішнього магнітного поля і проекції спіну електрона (дірки) .

Хвильова функція екситону в двоямному потенціалі з Гамільтоніаном (1) вибиралась у вигляді лінійної комбінації базисних хвильових функцій:

(2)

де - базисні хвильові функції, які будуть визначені нижче. Коефіцієнти і енергії екситонів визначаються з розв'язку наступної системи рівнянь:

(3)

(4)

Досліджувався випадок системи, коли в кожній з ям існує лише по одному енергетичному рівню як для електрона, так і для дірки. Тоді при формуванні загальної хвильової функції базисні хвильові функції можуть бути побудовані з чотирьох станів з найнижчою енергією. Тут і надалі нумерація рівнів буде починатися з найнижчого рівня , а те чи буде цей рівень відноситися до прямого чи непрямого екситону визначається зі співвідношення між коефіцієнтами у загальній хвильовій функції конкретного екситону. Коефіцієнти це імовірності знайти електрон в ямі , а дірку - в ямі . У першому підході до побудови одночастинкових хвильових функцій в якості базисних хвильових функцій для електрона і дірки вибирається набір функцій, як у випадку окремих одноямних потенціалів, тобто з чітко визначеною локалізацією. У другому випадку - це хвильові функції електрона і дірки у відповідному двоямному потенціалі, визначені без урахування кулонівської взаємодії між носіями. Подальші розрахунки показали, що обидва підходи до вибору базисних хвильових функцій дають близькі результати, проте у випадку одноямних хвильових функцій основний стан знаходиться трохи нижче.

Час життя екситону - це величина, яка обернено пропорційна до сили осцилятора даного екситону. Сила осцилятора для екситону в квантовій ямі є величиною обернено пропорційною до інтеграла перекривання екситону [3]

(5)

У даній роботі інтеграл перекривання розраховано чисельно окремо для кожного з екситонних станів. Знаючи величину інтеграла перекривання (окрім часу життя), можна визначити різноманітні оптичні властивості системи, наприклад, спектри відбиття і поглинання, які спостерігаються на експериментах.

У даному розділі приведено результати пошуків параметрів для подвійних напівмагнітних квантових ям, побудованих на базі різноманітних напівмагнітних напівпровідникових сплавів. Обчислення виконані з використанням напівемпіричних формул і експериментальних даних [4], [5].

1. Напівмагнітні напівпровідникові системи створені на базі гетеропереходів . Приведено результати чисельного обчислення енергії екситонів для системи з , , , , , , . Точка максимального зближення найнижчих збуджених екситонних рівнів і позначена , а точка максимального зближення рівнів і позначена через . Проаналізувавши поведінку коефіцієнтів у відповідній повній хвильовій функції, встановлено, що в точці в основному збудженому стані системи відбувається перехід від екситону, повністю локалізованого в QW1, до екситону, локалізованого в ямі QW2. А в точці міняються місцями два непрямих екситони.

Приведено залежність інтеграла перекривання від зовнішнього магнітного поля. При полях отримуємо незначне збільшення часу життя екситону, який знаходиться в основному стані. При значеннях магнітного поля близьких до утворюються змішані стани з хвильовими функціями - симетричною і асиметричною відносно перестановки екситонів між ямами. У нашому випадку спостерігається резонансний перехід між енергетичними рівнями для екситонів, розташованих у різних квантових ямах. Наявність змішаних станів є причиною появи різкого піку і провалу на відповідних графіках для інтегралів перекривання. Аналогічні розрахунки поведінки енергетичних рівнів екситонів у подвійних квантових ямах, побудованих на базі з використанням лише магніточутливих домішок іонів , були виконані для інших параметрів системи: концентрацій магнітних домішок у ямах і бар'єрах, ширини між'ямного бар'єра та ям. Виходячи з того, що діапазон проаналізованих параметрів був досить широким, можна зробити висновок, що для таких систем не існує характеристик, при яких у полях до 5T спостерігався б перехід основного стану системи від просторово прямого до непрямого екситону.

2. Для збільшення ефекту взаємодії електронів і дірок з магнітними іонами досліджувалася система подвійних квантових ям, побудованих на базі з використанням домішок магнію для формування бар'єрів і шару з домішками марганцю для формування однієї з ям. Приведено результати розрахунку енергії екситонів та її поведінку в залежності від прикладеного магнітного поля для системи подвійних квантових ям з наступними параметрами: , , , , , , де і - концентрація немагнітних домішок у лівій ямі і в бар'єрах, а - концентрація магнітних домішок у правій ямі. Через і позначено значення напруженості зовнішнього магнітного поля, при якому спостерігається максимальне зближення екситонних рівнів. Аналіз відповідних коефіцієнтів у повній хвильовій функції показує, що у точці відбувається перехід від прямого до непрямого екситону. У даному випадку розштовхування енергетичних рівнів у точці резонансу двох найнижчих рівнів набагато більше, ніж у випадку резонансу рівнів двох прямих екситонів. Це пояснюється тим, що у випадку переходу від прямого до непрямого екситону ці стани відрізняються положенням тільки однієї частинки, а у випадку двох прямих екситонів різними будуть обидві частинки, а відповідно значення тунельного інтеграла в цьому випадку буде значно меншим. Приведена залежність інтеграла перекривання екситонних переходів від зовнішнього магнітного поля. З рис.6 видно, що при зовнішніх полях близьких до відбувається сходинкоподібна зміна інтеграла перекривання екситону, який знаходиться в основному стані, а відповідно і різке зростання часу життя екситону. Така різка зміна часу життя пояснюється тим, що при таких полях основним станом системи стає непрямий екситон.

Згідно приведених вище результатів можна сказати, що для подвійних квантових ям з магнітними домішками в ямі і немагнітними домішками в бар'єрах можна підібрати параметри системи, при яких зростання зовнішнього поля призводить до переходу основного стану системи від прямого до непрямого екситону. Нами проаналізовано діапазон можливих значень ширини квантових ям, при яких може спостерігатися перехід від прямого до непрямого екситону. Сіра область на графіку відповідає ситуації, коли при полях 0T найнижчим станом системи є прямий екситон , а при 5T основним станом стає непрямий довгоживучий екситон .

3. Подвійні квантові ями, побудовані на основі . Нами розглянуто систему подвійних квантових ям . Розрахунки виконано для: , , . Приведено залежність енергетичного спектра в такій системі від зовнішнього магнітного поля. Згідно з нашими розрахунками в точці відбувається резонансний перехід між станами прямого і непрямого екситонів. Приведено діапазони значень ширин ям і , при яких непрямий екситон може бути основним станом системи. Розрахунки виконано при відносній концентрації іонів магнітних домішок і для різних значень зовнішнього магнітного поля.

Показано інтеграли перекривання для станів з енергією , , і . Приведено значення інтегралів перекривання екситонних переходів при різних ширинах між'ямного бар'єра і температурі . Видно, що зі збільшенням ширини бар'єра при переході основного стану до непрямого екситону, сила осцилятора змінюється значніше і сама зміна відбувається різкіше, що пояснюється сильнішим рознесенням зарядів і зменшенням інтегралів перекривання хвильових функцій відповідних носіїв.

У другому розділі проведено дослідження можливості використання в якості спінового фільтра системи на базі з одним або двома чутливими до зовнішнього магнітного поля бар'єрами, які сформовані за рахунок введення у відповідні шари домішок . В основі роботи таких фільтрів лежить явище гігантського зеєманівського розщеплення [2], за рахунок якого можна керувати характеристиками системи для електронів у залежності від проекції їх спіну. У продовження виконаних раніше робіт для системи з використанням магнітних домішок у бар'єрах [6] у даній дисертації проаналізовано залежність ступеня поляризації спінів носіїв у залежності від параметрів системи і зміну рівня поляризації з відстанню від системи.

Для знаходження хвильової функції електрона розв'язується рівняння Шредінгера для руху частинки в однорідному полі:

(6)

де і - напруженості, відповідно, електричного і магнітного полів; , - ефективна маса і заряд електрона, - потенціал, форма і величина якого залежать від внутрішніх характеристик системи (наприклад від вибраного матеріалу і концентрації домішок), а також від зовнішнього магнітного поля і прикладеної напруги. Тунельний струм на виході з другого бар'єра визначається наступним чином:

(7)

де - функції розподілу електронів (тобто в даному випадку розподіл Фермі-Дірака), - їх швидкість вздовж осі , - енергія Фермі, -концентрація носіїв заряду,

,

- спін-залежний коефіцієнт проходження носіїв через систему бар'єрів.

У даному розділі приведено результати розрахунків для спінового фільтра на базі з домішками в бар'єрах. Всі розрахунки, які приведено в даному розділі, виконано для симетричних бар'єрів однакової ширини

.

Показано залежність струму на виході з другого бар'єра від прикладеної напруги. Порівнявши ці графіки добре видно, що зростання концентрації іонів магнітних домішок призводить до зростання відстані між ямами і більш чіткого розділення піків. Приведено вольт-амперну характеристику системи при концентрації електронів і різних значеннях прикладеного магнітного поля та ширини ями. Порівнявши залежності з графіками можна помітити, що на відстань між піками також сильно впливає відстань між бар'єрами (ширина квантової ями). При вужчій ямі розщеплення більше, а значить більшим буде і рівень поляризації носіїв на виході з бар'єра. Приведено залежність поляризації струму від зовнішнього електричного поля при концентрації магнітних домішок у бар'єрі , прикладеному зовнішньому магнітному полі

,

ширині ями і концентрації носіїв заряду

.

Спостерігаються два чітких екстремуми, положення яких відповідає положенню піків для компонент струму, а точка перегину - точці перетину графіків для і .

У третьому розділі проведено розрахунки і досліджено спіновий фільтр, який побудовано на базі резонансно-тунельного діода з чутливою до магнітного поля квантовою ямою. Розрахунки виконано для спінового фільтра, який складається з чотирьох шарів і одного шару . Показано, що таку систему можна вважати високоефективним спіновим фільтром, оскільки за її допомогою можна досягати високого рівня поляризації потоків електронів і поляризації електронів у зразку. У даному розділі розглядається система з наступними власними параметрами , , , , , . Якщо на графіках не вказано інше, то магнітне поле взято

,

концентрація носіїв

і температура . Приведено залежності сумарного потоку електронів від прикладеної напруги при різних значеннях магнітного поля. Видно, що збільшення магнітного поля призводить до розщеплення струмів електронів з різними проекціями спінів і до звуження відповідних піків. Представлено залежність сумарної густини потоків електронів з різною орієнтацією спінів від прикладеної напруги для різних значень концентрації магнітних домішок в ямі. Видно, що збільшення концентрації магнітних домішок призводить до незначного збільшення відстані між піками і до значного їх зсуву.

При розрахунку рівня поляризації після проходження спінового фільтра важливими стають також такі характеристики електронів як їх рухливість, часи релаксації тощо. Приведено залежність сумарного потоку електронів від прикладеної напруги при різних значеннях температури. Як видно збільшення температури призводить до розмивання, а при деяких температурах навіть до злиття піків відповідних компонент струму, що пояснюється зміною функції розподілу електронів при збільшенні температури. Ще однією характеристикою, яка впливає на рівень поляризації резонансно-тунельного спінового фільтра, є концентрація носіїв заряду. Приведено залежність сумарного потоку електронів від прикладеної напруги при різних значеннях концентрації електронів у лівому зовнішньому шарі гетероструктури. Зростання кількості носіїв заряду призводить до зростання значення потоку електронів, що добре видно з графіків. Також видно, що збільшення концентрації носіїв заряду призводить до розширення і перекривання піків відповідних компонент струмів, що пояснюється зростанням значення енергії Фермі, а відповідно і зростанням інтервалу напруг, при яких відбувається резонансне тунелювання через спіновий фільтр.

Як видно з наведених вище залежностей для потоків електронів з різною орієнтацією спінів існує досить великий діапазон параметрів, при яких зберігається рівень поляризації більше 90 відсотків. Приведено поведінку ступеня поляризації даної системи. Як видно діапазон напруг, при яких поляризація більша 90 відсотків, складає . Порівнявши отримані результати з результатами для резонансно тунельного спінового фільтра з двома магнітоактивними бар'єрами можна зробити висновок, що система з двома немагнітними бар'єрами і магнітною ямою є більш ефективним спіновим фільтром і менш чутлива до відхилення його параметрів від оптимального значення.

Однією з основних задач, для яких планується використовувати спінові фільтри, є створення зразків з певним наперед заданим рівнем поляризації носіїв. Приведено залежність рівня поляризації електронів у зразку від відстані до бар'єра. Як i слід було очікувати, збільшення часу релаксації спіну електрона призводить до більш глибокої поляризації носіїв у зразку. У напівпровідниках II-VI він може досягати наносекунд. Показано як відстань до бар'єра, на якій зберігається значний ступінь проляризації носіїв, залежить від часу спін-граткової релаксації електронів. Через позначено відстань, на якій рівень поляризації спінів носіїв зменшується в раз. Видно, що область, в якій спіни залишаються поляризованими при зростанні часів релаксації від сек. до сек., збільшується від декількох сотень ангстрем до декількох десятків тисяч ангстрем ( ).

ВИСНОВКИ

Дана робота присвячена дослідженню оптичних властивостей екситонів у подвійних квантових ямах і поляризації спінів електронів гетероструктурами з двома бар'єрами, побудованими на базі напівмагнітних напівпровідникових сплавів.

1. Досліджено оптичні властивості та динаміку екситонних спектрів у подвійних квантових ямах на базі напівмагнітних напівпровідникових сплавів у залежності від обраних матеріалів, концентрації магнітних і немагнітних домішок, ширини ям і бар'єра, зовнішнього магнітного поля.

2. Розраховано залежність хвильових функцій, положення енергетичних рівнів і інтегралів перекривання екситонів у подвійних напівмагнітних напівпровідникових квантових ямах на базі CdTe з магніточутливими домішками Mn в бар'єрах і одній з ям від зовнішнього магнітного поля. Показано, що в даній системі в основному стані можливий перехід екситону між ямами. Показано, що в полях до 3Т при реально існуючих параметрах системи перехід основного стану від прямого (електрон і дірка локалізовані в одній ямі) до непрямого (електрон і дірка локалізовані в різних ямах) екситону не спостерігається.

3. Проаналізовано залежність положення енергетичних рівнів екситонів, поведінку хвильових функцій та інтегралів перекривання в подвійних напівмагнітних напівпровідникових квантових ямах на базі CdTe з домішками Mn в одній з ям і Mg в бар'єрах від зовнішнього магнітного поля і параметрів системи - концентрації домішок, ширини ям і бар'єрів. Показано, що в даній системі можливий перехід основного стану від прямого до непрямого екситону і час життя екситону, який знаходиться в основному стані системи, зростає.

4. Досліджено систему напівмагнітних напівпровідникових квантових ям на базі ZnSe з домішками Mn в одній з ям і домішками Be і Mg у бар'єрах. Отримано залежність положення енергетичних рівнів екситонів від зовнішнього магнітного поля. Показано, що в даній системі зі зміною магнітного поля можливий перехід основного стану від прямого до непрямого екситону. Проаналізовано поведінку хвильових функцій та інтегралів перекривання від параметрів системи - концентрації домішок, ширини ям і бар'єрів. Показано, що час життя непрямого екситону зростає зі збільшенням ширини між'ямного бар'єра і може змінюватися на декілька порядків. Досліджено діапазон значень ширини ями, при яких спостерігається перехід в основний стан довгоживучого непрямого екситону.

5. Досліджено вплив зовнішнього магнітного та електричного полів, концентрації магнітних і немагнітних домішок, ширини ям і бар'єрів, концентрації носіїв, температури тощо на поляризацію спінів носіїв у гетероструктурах на базі напівмагнітних напівпровідникових сплавів.

6. Досліджено можливість використання в якості спінового фільтра двобар'єрної гетероструктури на базі напівмагнітного напівпровідникового сплаву CdTe з використанням домішок іонів Mg для формування бар'єрів та іонів Mn для формування ями і показано, що за допомогою такої системи можна досягти високого рівня поляризації спінів.

7. Отримано поведінку поляризації спінів носіїв з відстанню від бар'єрів. Розраховано залежність поляризації спінів носіїв від параметрів системи - ширини ями і бар'єрів, концентрації і рухливості носіїв, зовнішніх електричного та магнітного полів. Виконано аналіз параметрів системи і зовнішніх полів, при яких за допомогою резонансно тунельних діодів можна досягти максимальної поляризації спінів носіїв.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. С. Б. Лев, В. Й. Сугаков Магнітна залежність енергетичного спектра та інтенсивності переходів екситонів у напівмагнітних напівпровідниках з подвійними квантовими ямами// УФЖ. - 2002. - Т.47, №4. - С.402-406.

2. S. B. Lev, V. I. Sugakov, G. V. Vertsimakha Direct and indirect excitons in diluted magnetic semiconductor double-quantum-well structures in external magnetic fields// J. Phys.: Condens. Matter. - 2004. - №16. - Р.4033-4044.

3. А. В. Верцимаха, С. Б. Лев, В. И. Сугаков Межъямные экситоны в полумагнитных полупроводниковых двойных квантовых ямах во внешнем магнитном поле// ФТТ. - 2004. -Т.46, №5. - С.919-923.

4. I. Yu. Goliney S. B. Lev, V. I. Sugakov, G. V. Vertsimakha Giant increase of the exciton lifetime in semimagnetic semiconductors with double quantum wells in magnetic field// International Journal of Nanoscience. - 2004. - V.3,№4&5. - P.541-547.

5. S. B. Lev, V. I. Sugakov, G. V. Vertsimakha Polarization of electron spin in two barrier system based on semimagnetic semiconductors// Phys. Stat. Sol. (c). - 2006. - V.3, №4. - Р.1091-1093.

6. S. B. Lev, V. I. Sugakov, G. V. Vertsimakha Investigation of the direct/indirect exciton transition in the double quantum well system based on Cd_1-yMg_yTe/ Cd_1-xMn_xTe in applied magnetic field// Semiconductor Physic Quantum Electronics &Optoelectronics. - 2007. - V.10, №2. - Р.11-15.

7. Верцимаха Г. В., Лев С. Б., Сугаков В. Й. Вплив магнітного поля на параметри прямих і непрямих екситонів у системі напівмагнітних квантових ям// Наукові записки. Фіз.-мат. науки. - 2004. - Т.23. С.36-39.

8. А. В. Верцимаха, С. Б. Лев, В. И. Сугаков Енергетичний спектр та час життя між'ямних екситонів в подвійних квантових ямах в напівмагнітних напівпровідниках// II Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (за участі зарубіжних вчених), Чернівці, Україна, 20-24. 09. 2004. - Тези. С.120,

9. S. B. Lev, V. I. Sugakov and G. V. Vertsimakha Polarization of electron spin in two barrier system based on semimagnetic semiconductors// 12-th International conference on II-VI compounds, Warsaw, Poland, 12-16.09.2005. - Abstract Р.87.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. R. Waser Nanoelectronics and Informational Technology // R. Waser. - Wiley-VCH, Weinheim, 2003.

2. А. В. Комаров, С. М. Рябченко, О. В. Терлецкий, И. И. Жеру, Р. Д. Иванчук, Магнитооптические исследования и двойной оптико-магнытный резонанс экситонной полосы в //ЖЭТФ. - 1977. - Т.73, №2(8). - С.608-618.

3. E. L. Ivchenko, G. E. Pikus Superlattices and Other Heterostructures // E. L. Ivchenko, G. E. Pikus - Springer-Verlag, Berlin, Heildelberg, 1995.

4. W. Ossau, R. Fiederling, B. Konig, T. Wojtowicz, M. Kutrowski, G. Karczewski, Magnetooptical studies of quantum wells with parabolic confining potential// Physica E. - 1998. - V.2, №1. - P.209-213.

5. B. Kцnig, U. Zehnder, D. R. Yakovlev, W. Ossau, T. Gerhard, M. Keim, A. Waag, G. Landwehr Magneto-optical properties of / quantum wells and / spin superlattices //Phys. Rev. B. - 1999. - V.60, №4/ - P.2653-2660.

6. V. I. Sugakov, S. A. Yatskevich, Electron tunneling in parallel electric and magnetic fields through a doublebarrier heterojunction doped with magnetic impurities //Sov. Tech. Phys. Lett. - 1992. - V.18, №3. - P.134-136.

АНОТАЦІЯ

Лев С. Б. Поляризація спінів електронів у системах з подвійними бар'єрами та екситонні спектри в подвійних квантових ямах у напівмагнітних напівпровідниках. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла, Інститут ядерних досліджень Національної академії наук України, Київ, 2008.

Дана робота присвячена дослідженню оптичних властивостей екситонів у подвійних квантових ямах і поляризації спінів електронів гетероструктурами з двома бар'єрами, побудованими на базі напівмагнітних напівпровідникових сплавів. У роботі теоретично досліджено зміну сили осциляторів оптичних переходів та зміну часу життя екситонів при перерозподілі зарядів у подвійних квантових ямах, викликану зовнішнім магнітним полем. Для систем подвійних квантових ям на базі CdTe знайдено параметри, за яких при певних значеннях зовнішнього магнітного поля в основному стані відбувається зміна локалізації екситону. У залежності від використаних магнітних і немагнітних домішок та їх розташування отримано ситуації, коли при зростанні поля в основному стані відбувається або перехід екситону з однієї ями до іншої як цілого, або основний стан переходить від просторово прямого (електрон і дірка в одній ямі) до довгоживучого непрямого (електрон і дірка в різних ямах) екситону. Досліджено систему напівмагнітних напівпровідникових квантових ям на базі ZnSe з домішками Mn в одній з ям і домішками Be і Mg у бар'єрах. Проаналізовано поведінку хвильових функцій та інтегралів перекривання від параметрів системи - концентрації домішок, ширини ям і бар'єрів. Досліджено діапазон значень ширини ям, при яких спостерігається перехід в основний стан довгоживучого непрямого екситону. Показано, що час життя екситону зростає на декілька порядків при переході від прямого до непрямого екситону, а також при збільшенні ширини між'ямного бар'єра. Досліджено залежності поляризації спінів носіїв у двобар'єрних системах, побудованих на базі гетеропереходів у напівмагнітних напівпровідникових сплавах від зовнішніх магнітного та електричного полів, параметрів бар'єрів, концентрації магнітних та немагнітних іонів домішок, концентрації носіїв, температури тощо. Визначено залежність ступеня поляризації спінів від відстані до гетероструктури при різних параметрах системи - часу спін-граткової релаксації, рухливості носіїв тощо.

Ключові слова: напівмагнітні напівпровідники, екситони, гетероструктури, подвійні квантові ями, електрони, спін.

АННОТАЦИЯ

Лев С. Б. Поляризация спинов электронов в системах с двойными барьерами и экситонные спектры в двойных квантовых ямах в полумагнитных полупроводниках. - Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела, Институт ядерных исследований Национальной академии наук Украины, Киев, 2008.

Данная работа посвящена исследованию оптических свойств экситонов в двойных квантовых ямах и поляризации спинов электронов гетероструктурами с двумя барьерами, построенными на основании полумагнитных полупроводниковых сплавов.

В роботе теоретически исследовано изменение сил осцилляторов оптических переходов и изменение времени жизни экситонов при перераспределении зарядов в двойных квантовых ямах, вызванном внешним магнитным полем. Проанализировано поведение волновых функций и интегралов перекрытия от параметров системы - концентрации примесей, ширины ям и барьеров. Показано, что в двойных квантовых ямах на базе CdTe с использованием только магнитных примесей Mn, во внешних магнитных полях до 3Т имеет место тунелирование экситона с нижайшей энергией из одной ямы в другую. При этом наблюдается резкое изменение интегралов перекрытия для соответствующих энергетических уровней, обусловленное созданием в точке перехода смешанного состояния с симметричной и асимметричной волновыми функциями. Показано, что за счет введения немагнитных примесей Mg для формирования барьеров в двойных квантовых ямах на базе CdTe можно достичь ситуации, когда при увеличении внешнего магнитного поля основное состояние системы будет переходить от пространственно прямого к непрямому экситону. Определено область значений параметров ям, при которых в магнитном поле имеет место такой переход. Рассчитано оптические характеристики двойных квантовых ям и показано, что при определенных параметрах системы во внешнем магнитном поле имеет место значительный рост времени жизни экситона в основном состоянии, что проявляется в спектрах излучения. Аналогичные расчеты были проведены для двойных квантовых ям на базе полумагнитных полупроводниковых сплавов ZnSe с различными примесями. Показано, что во внешних магнитных полях до 5Т в этих системах происходит переход основного состояния от пространственно прямого к непрямому экситону и значительно возрастает время его жизни. Показано, что время жизни непрямого экситона возрастает с увеличением ширины междуямного барьера и может изменяться на несколько порядков.

Исследовано возможность использования в качестве спинового фильтра двухбарьерной гетероструктуры на базе полумагнитного полупроводникового cплава CdTe с использованием примесей ионов Mg для формирования барьеров и ионов Mn для формирования ямы и показано, что с помощью такой системы можно достичь высокого уровня поляризации спинов. Для спинового фильтра на базе полумагнитного полупроводникового сплава CdTe рассчитано зависимость поляризации спинов носителей от расстояния к гетероструктуре. Исследовано зависимость поляризации спинов носителей в двухбарьерных системах от внешних магнитного и электрического полей, параметров барьеров, концентрации магнитных и немагнитных ионов примесей, концентрации носителей, температуры и т.д. Показано, что степень поляризации спадает при увеличении температуры, росте концентрации носителей, уменьшении концентрации магнитных примесей.

Ключевые слова: полумагнитные полупроводники, экситоны, гетероструктуры, двойные квантовые ямы, электроны, спин.

SUMMARY

Lev S. B. The electron spin polarization by the double barrier systems and the exciton spectrum in double quantum wells in semimagnetic semiconductors. - Manuscript.

A thesis to obtain a scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences, specialty 01.04.07 - solid state physics, Institute of Nuclear Research of the National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2008.

The optical properties of the exciton in double quantum wells and the electron spin polarization by the double barrier heterostructure, based on semimagnetic semiconductors, are investigated in the present thesis. The oscillator strength of the optical transitions and the exciton lifetime change due to the charge redistribution was theoretically studied as the function of the applied external magnetic field. In the case of double quantum well system based on the CdTe, the system parameters were found, at which at some values of magnetic field, the localization of the exciton in a ground state can be changed. In the situation of the magnetic field growth, transitions of the exciton, either from one well to another, or from spatially direct (electron and a hole in same well) exciton to spatially indirect (electron and a hole in different wells) exciton, which is a the ground state switch, was studied as a function of the type of impurities (magnetic or non-magnetic) and its localization. The double well semimagnetic semiconductor system, based on ZnSe with Mn impurities in one of the wells and with Be and Mg impurities in barriers, was studied. The wave functions and overlap integrals behaviors were analyzed as a function of the system parameters - concentrations of impurities, and the widths of wells and barriers. The range of values of well widths, in which the long-lived indirect exciton become the ground state, was determined. It was shown that the exciton lifetime grows by a couple of orders when a transition from direct to indirect exciton takes place or when the width of the barrier between wells grows. The spin polarization of carriers in the double barrier systems, constructed by the heterojunctions of the semimagnetic semiconductor alloy, was studied as a function of external electric and magnetic fields, barrier parameters, magnetic and non-magnetic impurities concentrations, carrier concentrations, temperature, etc. The dependence of the level of spin polarization on the distance from the heterostructure was calculated at the different system parameters - spin relaxation time, carrier mobility and so on.

Keywords: semimagnetic semiconductors, exciton, heterostructures, double quantum wells, electron, spin.

Размещено на Allbest.ru