Дослідження збуджень електронного газу в кристалах германію методом непружного розсіяння світла

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів. Наведені дані про апробацію результатів роботи, кількість публікацій, особистий внесок здобувача, структуру та обсяг дисертації.

У першому розділі подано літературний огляд з питань розсіяння світла збудженнями вільних носіїв заряду в напівпровідникових кристалах.

Розглянуті відомі неекрановані одночастинкові збудження носіїв у напівпровідниках із різноманітною зонною будовою та результати їх експериментальних досліджень. Серед них: флуктуації густини електронної енергії, флуктуації спінової густини, флуктуації ефективної маси, флуктуації в розподілі електронів по долинах. Для кожного з них наводяться вирази для перерізу розсіяння світла (його залежність від поляризацій падаючого та розсіяного світла, спектральна залежність, яка визначається кінетикою релаксації збуджень). Обговорюється також передбачений теоретично і не спостережений на початок виконання дисертаційної роботи механізм непружного розсіяння світла вільними носіями заряду в кристалах із виродженою валентною зоною, який пов'язаний із флуктуаціями густини повного кутового моменту дірок.

Окрім цього, в огляді розглянуто також розсіяння світла на флуктуаціях зарядової густини носіїв (одночастинкові флуктуації зарядової густини, плазмони, зв'язані плазмонфононні моди).

У другому розділі розглянуті методичні аспекти дослідження непружного розсіяння світла в кристалах: обґрунтовано вибір геометрії вимірювання розсіяного світла та описано використаний у роботі спосіб визначення абсолютних величин ефективності розсіяння.

Описана створена високочутлива експериментальна установка для вимірювання спектрів непружно розсіяного світла в кристалах, особливостями якої є:

в якості збуджуючого світла використовується інфрачервоне випромінювання створеного високостабільного імпульсно-періодичного СО₂_лазера з пасивною модуляцією добротності (довжина хвилі випромінювання ~ 10,6 мкм, тривалість імпульсів ~ 220 нс при частоті їх слідування ~ 2030 Гц, потужність в імпульсі до 10 кВт при її зміні від імпульсу до імпульсу не більше ніж на 1,5%);

реєстрація розсіяного світла здійснюється охолоджуваним (80 К) CdHgTe - фотоприймачем, з'єднаним із керованою комп'ютером системою накопичення імпульсів (спектральна область реєстрації 313 мкм, інтенсивність реєстрованого світла 10^-9 Вт);

використання оригінального селективного фільтра (газ SF₆) для запобігання попадання пружно розсіяного збуджуючого випромінювання в систему реєстрації.

У даному розділі також описані пристрій для направленої деформації кристалів (величина направленого тиску від 0 до 2,5 кбар), технології приготування зразків і використані в роботі методики визначення в них концентрації вільних носіїв та їх рухливості, коефіцієнта поглинання збуджуючого і розсіяного ІЧ-світла.

У третьому розділі наводяться результати досліджень непружного розсіяння ІЧ_світла одночастинковими неекранованими збудженнями вільних носіїв заряду в кристалах p-Ge.

Досліджувані кристали p-Ge мали концентрацію домішок від 5·10¹⁵ см^-3 до 4,5·10¹⁷ см^-3. Вимірювання спектрів непружного розсіяння світла проводилися в "геометрії розсіяння назад" від (110) та (1-12) поверхонь зразків при 300 К та 80 К. За таких температур домішки були термічно іонізовані. При зазначених концентраціях носіїв та температур газ носіїв був невиродженим і виконувалася умова їх сильного екранування (|q|r_e<<1, q хвильовий вектор розсіяння, r_e довжина екранування).

Спектри непружного розсіяння світла вільними носіями заряду в p-Ge були типовими для розсіяння на неекранованих одночастинкових збудженнях носіїв і являли собою широку смугу (симетричну при 300 К та антисиметричну при 80 К), яка простягалася на ~ 180 см^-1 по обидва боки від збуджуючої лазерної лінії.

Встановлено, що при температурі кристалів 80 К ширина смуги істотно збільшується при зростанні концентрації домішок у них. Це свідчить про те, що розсіяння світла носіями заряду відбувається за умови їх частих зіткнень із дефектами кристалічної гратки (в основному, з іонізованими домішками). Ефективність розсіяння практично не змінюється при зміні температури кристала від 80 до 300 К.

Ефективність спостережуваного одночастинкового розсіяння світла слабко залежить від взаємної орієнтації напрямків поляризації падаючого e_i та розсіяного e_s світла і може бути описана виразом

I_s=a+b(e_i·e_s).

Встановлено, що параметри a і b практично не залежать від того, в яких кристалографічних площинах знаходяться вектори e_i та e_s ((110) або (1-12)). Це свідчить про те, що розсіяння світла, яке виникає внаслідок анізотропії енергетичного спектра носіїв і яке пов'язане з флуктуаціями ефективної маси, в кристалах германію незначне (внаслідок слабкого гофрування валентної зони). Розсіяння світла на флуктуаціях спінової густини та флуктуаціях електронної енергії носіїв також не дає істотного внеску в спостережувані спектри електронного розсіяння світла в кристалах p_Ge, оскільки перше спостерігається тільки при e_i e_s, а друге - лише при e_i || e_s і його ефективність сильно залежить від температури Т (пропорційно Т ³ ), що не спостерігалося.

Спостережувана слабка поляризаційна залежність ефективності електронного розсіяння в p_Ge добре співпадає з теоретично передбаченою залежністю для розсіяння світла флуктуаціями густини повного кутового моменту дірок [1*]. Більше того, форма виміряного спектра та абсолютні величини ефективності розсіяння світла також добре узгоджуються з теоретичними, які були отримані співавтором нашої роботи [2] Ф.Т. Васько, для умов даного експерименту (невироджені носії, часті зіткнення носіїв з іонізованими домішками).

Таким чином, отримані результати підтверджують існування в кристалах із виродженою валентною зоною нового типу неекранованих одночастинкових збуджень носіїв заряду - внутрішньо-зонних флуктуацій густини повного кутового моменту дірок.

У цьому розділі також наведено результати досліджень розсіяння ІЧ_світла вільними носіями заряду в направлено деформованих кристалах p-Ge при температурі 80 К.

У спектрах непружного розсіяння світла вільними носіями заряду в направлено деформованих кристалах, окрім смуги квазіпружного розсіяння світла внутрішньозонними флуктуаціями густини повного кутового моменту дірок, виявлена (в стоксівській частині спектра) нова смуга комбінаційного розсіяння (B). Зазначимо, що форма смуги квазіпружного розсіяння світла та його інтенсивність практично однакові для деформованих і недеформованих кристалів. Це дозволило отримати форму нової смуги комбінаційного розсіяння шляхом віднімання із спостережуваних спектрів відповідної частини спектрів недеформованих кристалів.

Встановлено, що смуга комбінаційного розсіяння (В) має форму близьку до лоренцівського контуру, ширина якого становить ~ 3/2 kT , тобто ширина смуги визначається середньою енергією носіїв. Частотний зсув смуги (В) відносно збуджуючої лазерної лінії зростає пропорційно величині прикладеного направленого тиску |P| і залежить від його орієнтації відносно кристалографічних осей германію (для однакових величин тиску він більший при P || [001], ніж при P || [110]). Це свідчить про те, що спостережувана смуга (В) виникає внаслідок розсіяння ІЧ-світла при переходах носіїв між розщепленими направленою деформацією нижніми валентними підзонами германію поблизу їх екстремумів. Таке розсіяння ІЧ_світла було розглянуто теоретично [4*] і показано, що воно обумовлено флуктуаціями густини повного кутового моменту дірок при їх міжпідзонних переходах. Визначена з отриманих залежностей (|P|) величина розщеплення підзон на одиницю тиску становить 6,5 меВ/кбар і 4,7 меВ/кбар для P || [001] та P || [110] відповідно, що добре узгоджується з відомими в літературі даними.

Досліджені властивості спостережуваного міжпідзонного розсіяння ІЧ_світла. Встановлено, що інтегральна ефективність розсіяння не залежить від величини прикладеного до кристала направленого тиску і пропорційна концентрації вільних носіїв у кристалі.

Була виміряна залежність інтенсивності міжпідзонного розсіяння світла від інтенсивності збуджуючого ІЧ-випромінювання. Встановлено, що в кристалах із концентрацією носіїв 3·10¹⁶ см^-3 і величині прикладеного направленого тиску |Р| = 2,5 кбар (P || [001]) інтенсивність розсіяного світла зростає пропорційно інтенсивності (до 1,5 МВт/см²) збуджуючого ІЧ_світла, тобто вимушений режим розсіяння не спостерігався.

У четвертому розділі описані результати досліджень властивостей колективних збуджень носіїв (плазмонів) і розсіяння ними світла в кристалах p_Ge. Спектри непружного розсіяння світла вимірювалися в "геометрії розсіяння назад" від (110) та (1-12) поверхонь зразків при 80 К. Досліджувані кристали мали концентрацію вільних носіїв від 1·10¹⁷ см^-3 до 7,2·10¹⁷ см^-3.

У спектрах непружного розсіяння світла досліджених кристалів, на фоні стоксівського крила широкої смуги одночастинкового розсіяння світла на неекранованих флуктуаціях густини повного кутового моменту дірок, спостерігалася чітко виділена вузька смуга (40 60 см^-1). Встановлено, що максимум цієї смуги зміщується в бік вищих частот при збільшенні концентрації вільних носіїв. Вона спостерігається при паралельних поляризаціях падаючого e_i та розсіяного e_s світла (e_i || e_s) і практично відсутня при e_i e_s для обох досліджених орієнтацій кристалів. За вказаними ознаками ця смуга комбінаційного розсіяння світла була ідентифікована як смуга розсіяння світла об'ємними плазмонами.

Зазначимо, що це є перше спостереження розсіяння світла плазмонами в матеріалах p-типу, яке стало можливим завдяки дослідженню відносно слабколегованих кристалів, у яких зіткнення носіїв із дефектами кристалічної гратки не призводять до значного розширення смуги плазмового розсіяння світла.

Смуга плазмового розсіяння світла була виділена шляхом віднімання із спостережуваного спектра внеску одночастинкового розсіяння. Виявлено, що смуга плазмового розсіяння світла в кристалах p_Ge має сильно асиметричну форму її високочастотне крило спадає з частотою повільніше, ніж низькочастотне (рис. 6а). Частота плазмонів _пл, визначена за положенням максимуму смуги, зростає при збільшенні концентрації носіїв N не пропорційно N^1/2. Спостережувані форма смуги та залежність частоти плазмонів від концентрації носіїв суттєво відрізняються від таких, що спостерігалися в кристалах із простим енергетичним спектром носіїв, у яких _пл ~ N^1/2, а форма смуги має симетричну (лоренцівську) форму.

Для досліджених концентрацій вільних носіїв заряду були розраховані частоти плазмонів _пл та спектральні залежності інтенсивності плазмового розсіяння світла I_s(), які визначаються, як відомо, діелектричною проникністю кристала

(Re{(_пл)}=0; I_s()=Im{1/()}).

Визначення внеску вільних носіїв заряду в діелектричну проникність кристала проводилося з врахуванням внутрішньопідзонних електронних переходів і переходів між нижніми валентними підзонами германію.

При врахуванні тільки внутрішньопідзонних електронних переходів (внесок яких був отриманий у рамках моделі вільного електронного газу) частота плазмонів зростає при збільшенні концентрації носіїв N пропорційно N^1/2. Розраховані та експериментальні значення частоти плазмонів відрізняються, наприклад, для концентрації носіїв 7,2·10¹⁷ см^-3 приблизно на 30%.

Розрахована форма смуги плазмового розсіяння світла є лоренцівською (на відміну від спостережуваної асиметричної смуги), ширина якої визначається частотою зіткнень носіїв із дефектами кристалічної гратки. Для величин частот зіткнень, які отримані за значеннями виміряної рухливості носіїв, ширина лінії істотно менше експериментальної.

Таким чином, було показано, що при врахуванні тільки внутрішньопідзонних переходів не можна пояснити концентраційну залежність частоти плазмонів, значення частоти плазмонів і форму смуги розсіяння ними світла в p_Ge. Це вказує на те, що в розрахунках необхідно враховувати також і міжпідзонні електронні переходи.

У діапазоні спостережуваних на експерименті частот плазмонів дійсна частина діелектричної проникності, яка пов'язана з міжпідзонними електронними переходами, не залежить від частоти, а залежить від концентрації носіїв. Внаслідок цього частота плазмонів зростає при збільшенні концентрації носіїв N не пропорційно N^1/2, що і спостерігається. Розраховані значення _пл добре узгоджуються з експериментальними.

Уявна частина внеску в () міжпідзонних переходів пропорційна ^1/2, внаслідок чого смуга плазмового розсіяння світла набуває асиметричної форми. Розрахована форма смуги добре співпадає з експериментальною при величинах частот зіткнень носіїв, що не сильно відрізняються від визначених із рухливості носіїв.

Таким чином показано, наскільки істотним є врахування міжпідзонних переходів носіїв для пояснення властивостей плазмових коливань у кристалах із виродженою валентною зоною.

У другій частині даного розділу описані результати досліджень впливу направленої деформації кристалів на властивості плазмонів і розсіяння ними світла. Досліджувалися кристали p_Ge з концентраціями носіїв 2,3·10¹⁷ см^-3 та 4,5·10¹⁷ см^-3 при максимальній величині прикладеного тиску 2,5 кбар (P || [110]).

Виявлено, що при деформації кристала низькочастотна частина спектрів непружного розсіяння світла, яка обумовлена, в основному, розсіянням світла внутрішньопідзонними одночастинковими збудженнями носіїв, практично не змінюється. На підставі аналізу високочастотної частини спектра (із врахуванням внеску розсіяння світла при переходах носіїв між розщепленими деформацією валентними підзонами) виявлено, що частота максимуму смуги плазмового розсіяння світла в направлено деформованих кристалах вища, ніж у недеформованих. Тобто спостерігаються деформаційні зміни частоти плазмонів. Вони незначні й становлять 20 см^-1 і 36 см^_1 для кристалів із концентрацією носіїв 2,3·10¹⁷ см^-3 та 4,5·10¹⁷ см^-3 відповідно. Зміни частоти плазмонів можуть бути пов'язані зі зміною при направленій деформації кристала внеску в діелектричну проникність як міжпідзонних, так і внутрішньопідзонних електронних переходів.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі експериментально досліджені неекрановані одночастинкові та колективні збудження вільних носіїв заряду в p_Ge кристалах із виродженою валентною зоною.

Основні результати досліджень і висновки:

Виявлено квазіпружне розсіяння світла неекранованими одночастинковими збудженнями вільних носіїв заряду. Слабка поляризаційна залежність інтенсивності розсіяного світла, спостережувана форма спектра та абсолютна величина ефективності розсіяння дозволили ідентифікувати його як розсіяння на флуктуаціях густини повного кутового моменту важких дірок. Таким чином, підтверджено існування, передбаченого раніше теоретично, нового типу одночастинкових внутрішньопідзонних збуджень вільних носіїв заряду в кристалах із виродженою валентною зоною.

Виявлено особливості плазмових коливань носіїв і розсіяння ними світла в кристалах p-Ge (частота плазмонів зростає при збільшенні концентрації носіїв N не пропорційно N^1/2; смуга плазмового розсіяння має сильно асиметричну форму). Шляхом співставлення отриманих даних із теоретичними розрахунками показано, що для пояснення виявлених особливостей необхідно враховувати характер будови валентної зони германію, а саме: наявність у ній двох нижніх підзон та внеску електронних переходів між цими підзонами в діелектричну проникність кристала.

У направлено деформованих кристалах p-Ge виявлено та досліджено розсіяння інфрачервоного світла при переходах носіїв заряду між розщепленими деформацією нижніми валентними підзонами. Встановлено, що зсув частоти смуги розсіяного світла відносно частоти збуджуючого випромінювання пропорційний величині прикладеного до кристала тиску і визначається енергією розщеплення підзон при k = 0. Ширина смуги має величину близьку до середньої енергії носіїв, а інтегральна ефективність розсіяння не залежить від величини прикладеного тиску і пропорційна концентрації вільних носіїв у кристалі.

Показано, що частота колективних (плазмових) коливань газу вільних носіїв заряду в p-Ge змінюється при направленій пружній деформації кристалів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Гайдар О.В., Васько Ф.Т., Порошин В.М., Сарбей О.Г., Солдатенко Ю.М. Розсіяння ІЧ-світла на флуктуаціях густини квадрупольного моменту дірок в германії // УФЖ. - 1994. - Т. 39, № 2. - С. 165-166.

2. Gaydar A.V., Poroshin V.N., Sarbey O.G., Vasko F.T. Infrared light scattering by free holes in p-Ge // Semicond. Sci. Technol. - 1994. - Vol. 9, № 10. - Р. 1790-1794.

3. Гайдар О.В., Порошин В.М. Розсіяння ІЧ-світла вільними дірками в нап-равлено деформованому p-Ge // УФЖ. - 1999. - Т. 44, № 7. - С. 879-882.

4. Gaydar A.V., Poroshin V.N., Sarbey O.G., Vasko F.T. IR-scattering by single-particles and collective excitations of holes in uniaxially compressed p-Ge // Lithuanian Journal of Physics. - 1992. - Vol. 32, № 5. - P. S165-S168.

5. Гайдар А.В., Порошин В.Н., Сарбей О.Г. Комбинационное рассеяние ИК_света на флуктуациях плотности квадрупольного момента дырок в германии // Труды международной конференции "Динамические процессы в неупорядоченных средах". - Самарканд (Узбекистан). - 1992. - С. 123.

6. Gaydar A.V., Poroshin V.N., Sarbey O.G., Vasko F.T. IR-scattering by single-particles and collective excitations of holes in uniaxially compressed p-Ge // Proc. 8^th Vilnius Symposium on ultrafast phenomena in semiconductors. - Vilnius (Lithuania). - 1992. - P. 45.

7. Poroshin V.N., Gaydar A.V. Infrared light scattering by free holes in uniaxially compresed p-type Ge // Proc. XIV International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”. - Odessa (Ukraine). - 1999. - P. 117.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1*. Войтенко В.А., Ипатова И.П., Субашиев А.В. Рассеяние света свободными дырками в полупроводниках со сложной валентной зоной // Письма в ЖЭТФ. - 1983. - Т. 37, №7. - С. 334-337.

2*. Рeбане Ю.Т. Инфpакpасное поглощение и плазменное отражение в полу-проводниках p-типа // ФТП. - 1980. - Т. 14, №2. - С. 289-294.

3*. Баханова Е.В., Васько Ф.Т. Диэлектрическая проницаемость одноосно деформированного полупроводника с вырожденными зонами // ФТП. - 1987. - Т. 21, №6. - С. 1068-1074.

4*. Bakhanova E.V., Vasko F.T. Effect of crystal anisotropy on infrared hole tran-sitions in uniaxially stressed semiconductors // Phys. stat. sol. (b) - 1994.- Vol. 182, № 1. - P. 97-107.

5*. Васько Ф.Т. Вынужденное комбинационное рассеяние на дырках одноосно сжатого полупроводника // ФТТ. - 1990. - Т. 32, № 10. - С. 2985-2989.

АНОТАЦІЯ

розсіяння світло плазмон заряд

Гайдар О.В. Дослідження збуджень електронного газу в кристалах германію методом непружного розсіяння світла. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики НАН України, Київ, 2002.

Дисертація присвячена експериментальному дослідженню збуджень вільних носіїв заряду в кристалах германію p-типу (концентрація носіїв 5·10¹⁵ 7,2·10¹⁷ см^-3) методом непружного розсіяння світла. Для проведення досліджень була створена оригінальна установка для вимірів спектрів розсіяння випромінювання СО₂_лазера вільними носіями заряду в кристалах.

Виявлено квазіпружне розсіяння світла неекранованими одночастинковими збудженнями вільних носіїв заряду. Слабка поляризаційна залежність інтенсивності розсіяного світла, спостережувана форма спектра та абсолютна величина ефективності розсіяння дозволили ідентифікувати його як розсіяння на флуктуаціях густини повного кутового (квадрупольного) моменту важких дірок. Таким чином, підтверджено існування, передбаченого раніше теоретично, нового типу одночастинкових внутрішньопідзонних збуджень вільних носіїв заряду в кристалах із виродженою валентною зоною.

Встановлено, що в кристалах p-Ge, на відміну від кристалів із простою структурою зон, частота плазмонів зростає при збільшенні концентрації носіїв N не пропорційно N^1/2, а смуга плазмового розсіяння світла має сильно асиметричну форму. Показано, що зазначені особливості обумовлені наявністю у валентній зоні германію двох підзон (легких та важких дірок) і внеском переходів носіїв між ними в діелектричну проникність кристала.

У направлено деформованих кристалах виявлено та досліджено розсіяння ІЧ-світла, яке пов'язане з переходами носіїв заряду між розщепленими деформацією нижніми валентними підзонами поблизу їх екстремумів. Встановлено, що направлена деформація кристала призводить до зміни частоти плазмових коливань носіїв.

Ключові слова: флуктуації квадрупольного моменту дірок, плазмони, непружне розсіяння світла, германій, міжпідзонні переходи, направлений тиск.

SUMMARY

Gaydar A.V. Investigation of electron gas excitations in the crystals of germanium by inelastic light scattering. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences, speciality 01.04.07 - solid state physics. - Institute of Physics National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

Excitations of a free electron gas in p-type germanium over a wide range of carrier concentrations (5·10¹⁵ 7,2·10¹⁷ см^-3) were investigated by inelastic light scattering. The original setup has been developed for study of electronic light scattering of 10,6 radiation from a CO₂-laser.

Scattering by unscreened single-particle excitations of free carriers was observed.

On the basis of the measured polarization properties of the observed spectra, its shape and scattering efficient we conclude that this scattering is due to intraband fluctuations of the quadruple moment of holes.

This is first observation of theoretically predicted new type of unscreened single-particle excitations in the semiconductors with degenerate valence band.

The observation and study of pure plasmons by light scattering are presented. The observed dependence of the plasma frequency on carrier concentration N and shape of the plasmon line (plasmon frequency is not proportional to N^1/2 and plasmon line has asymmetrical shape) are markedly different from those obtained from the Drude-type permittivity of free carriers.

The effect is caused by interband electronic transitions from the heavy- to light-hole bands.

These are the first study of properties of collective excitations of free carriers in p-type materials.

IR light scattering by free carriers in uniaxially compressed p-Ge was investigated. A new line is found in Raman spectra, whose spectral position varies as the stress-dependent splitting of topmost valence bands. Therefore, this line is attributed to interband transitions. The change of the plasmon frequency under a uniaxially stress was also observed.

Keywords: fluctuations of quadruple moment of holes, plasmons, inelastic light scattering, germanium, interband transitions, uniaxially stress.

АННОТАЦИЯ

Гайдар А.В. Исследования возбуждений электронного газа в кристаллах германия методом неупругого рассеяния света. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твёрдого тела. - Институт физики НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию одночастичных неэкранируемых и коллективных (плазменных) возбуждений свободных носителей заряда в кристаллах германия p-типа с концентрациями носителей 5·10¹⁵7,2·10¹⁷ см^-3 методом неупругого рассеяния света. Для проведения исследований была создана оригинальная установка для измерения спектров рассеяния излучения СО₂-лазера свободными носителями заряда в кристаллах.

Обнаружено квазиупругое рассеяние света неэкранируемыми одночастичными возбуждениями свободных носителей заряда. Слабая поляризационная зависимость интенсивности рассеянного света, форма спектра и абсолютная величина эффективности рассеяния позволили идентифицировать наблюдаемое рассеяние как рассеяние на флуктуациях плотности полного углового (квадрупольного) момента дырок. Таким образом, подтверждено существование, предсказанного ранее теоретически, нового типа одночастичных внутриподзонных возбуждений свободных носителей заряда в полупроводниках с вырожденной валентной зоной.

В кристаллах с концентрациями носителей больших 1·10¹⁷ см^-3 наблюдалось рассеяние света плазмонами, что позволило впервые исследовать свойства плазменных колебаний носителей и рассеяния ими света. Установлено, что в отличие от кристаллов с простой энергетической зоной, частота плазмонов в p_Ge возрастает с увеличением концентрации носителей не пропорционально N^1/2, а полоса плазменного рассеяния света имеет сильно ассиметричную форму. Показано, что наблюдаемые концентрационная зависимость частоты плазмонов и асимметрия полосы рассеяния ими света обусловлены существенным вкладом в диэлектрическую проницаемость кристалла переходов носителей заряда между нижними подзонами валентной зоны германия.

В одноосно деформированных кристаллах, наряду с рассеянием света на внутриподзонных возбуждениях носителей, обнаружено рассеяние ИК-света, обусловленное флуктуациями плотности полного углового момента носителей при их переходах между расщепленными деформацией нижними валентными подзонами. Установлено, что изменение частоты света при рассеянии определяется величиной расщепления экстремумов подзон, а ширина полосы рассеянного света - средней энергий носителей. Интегральная интенсивность рассеянного света не зависит от величины приложенного к кристаллу одноосного давления и пропорциональна концентрации свободных носителей. Установлено, что в образцах с концентрацией носителей 3·10¹⁶ см^-3 и величине приложенного одноосного давления Р=2,5 кбар (P || [001]) интенсивность рассеянного света возрастает пропорционально интенсивности (до1,5 МВт/см² ) возбуждающего ИК- света.

Показано, что одноосная деформация кристаллов германия приводит к изменению частоты плазменных колебаний носителей.

Ключевые слова: флуктуации квадрупольного момента дырок, плазмоны, неупругое рассеяние света, германий, межподзонные переходы, одноосное давление.

Размещено на Allbest.ru