Нерівноважні фазові перетворення в кристалах, індуковані зовнішнім опроміненням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут фізики

Національної академії наук України

УДК 535.37, 538.9

Нерівноважні фазові перетворення в кристалах, індуковані зовнішнім опроміненням

01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Чернюк Андрій Аркадійович

Київ 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті ядерних досліджень НАН України.

Науковий керівник

член-кор. НАН України, доктор фіз.-мат. наук, професор Сугаков Володимир Йосипович, Інститут ядерних досліджень НАН України, завідувач відділу теоретичної фізики

Офіційні опоненти

доктор фіз.-мат. наук, професор Пашицький Ернест Анатолійович, Інститут фізики НАН України, головний науковий співробітник відділу фізики магнітних явищ

доктор фіз.-мат. наук, доцент Дмитрук Ігор Миколайович, Київський національний університет ім. Т.Г. Шевченка, професор кафедри експериментальної фізики

Захист відбудеться 19 червня 2008 р. о 14 год. 30 хв. на засіданні Cпеціалізованої вченої ради Д 26.159.01 в Інституті фізики НАН України за адресою: 03680, м.Київ, просп. Науки, 46).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розісланий 15 травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Чумак О.О.

екситон фотоіндукований фазовий перехід

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми зумовлена сучасними експериментами з колективних ефектів самоорганізації в нерівноважних низьковимірних системах.

В останні роки при пошуках конденсованої фази екситонів у провідних світових лабораторіях при інтенсивному лазерному опроміненні спостерігалися просторово неоднорідні, періодичні структури у розподілі люмінесценції непрямих екситонів, які випромінювалися з напівпровідникових квантових ям при гелієвих температурах. Області підвищеної густини утворюються впорядковано і інтерпретуються дослідниками як фазові переходи в системі екситонів. У дисертації побудовано феноменологічну теорію, яка пояснює неоднорідні структури люмінесцентного випромінювання як конденсацію в рамках традиційної теорії фазових переходів. При цьому утворення порядку у випромінюванні інтерпретується як прояв самоорганізації в нерівноважних умовах, зумовлених лазерним опроміненням і скінченним часом життя екситонів.

Іншим актуальним напрямком фізики твердого тіла є фотоіндуковані фазові переходи в органічних сполуках (фазові переходи під дією світлового опромінення). Такі фазові переходи спостерігаються в цілому класі речовин і цікаві тим, що з'являється можливість керувати напрямком переходу шляхом опроміненням світлом певної частоти. При цьому перехід молекул кристалу до іншого стану є кооперативним і має низку особливостей. У дисертаційній роботі побудовано певну модель фотоіндукованих фазових перетворень для кристалів з комплексами з переносом заряду.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась за темами: ,,Дослідження впливу дефектів структури, ядерного та електромагнітного опромінень на електронні спектри та фізичні властивості низьковимірних систем” (ДР № 0197U016410), ,,Нестійкості, фазові перетворення та модифікація властивостей матеріалів під дією ядерного та електромагнітного опромінення” (грант № 02.07.147 Міністерства освіти і науки України), ,,Спінові властивості носіїв заряду в обмежених напівпровідникових наноструктурах” (INTAS грант № 03-51-5266).

Мета роботи полягала у дослідженні умов виникнення та властивостей структур конденсованих фаз екситонів у неоднорідних зовнішніх полях та побудові моделі фотоіндукованих фазових переходів в органічних сполуках з комплексами з переносом заряду.

Для досягнення поставленої мети було поставлено такі задачі:

1. Застосувати теорію спінодального розпаду для дослідження фазових переходів у системі частинок, які мають скінченний час життя, а саме, для знаходження розподілу густини непрямих екситонів у напівпровідникових подвійних квантових ямах у опромінюваній лазером двовимірній системі.

2. Промоделювати розподіл густини екситонів у подвійних квантових ямах за наявності зовнішнього неоднорідного електричного поля, зумовленого отвором у металічному електроді.

3. Описати поведінку системи екситонів у подвійних квантових ямах зі зміною зовнішніх параметрів, а саме дослідити, як змінюється люмінесцентна структура при зміні інтенсивності лазерного опромінення, температури, радіуса отвору в електроді.

4. У наближенні самоузгодженого поля побудувати модель і відповідну їй систему кінетичних рівнянь заселеностей електронних рівнів для опису фотоіндукованих фазових перетворень в органічних кристалах між нейтральним станом і станом з переносом заряду.

5. Промоделювати вплив світлового опромінення на фазові перетворення у кристалах з комплексами з переносом заряду зі зміною інтенсивності опромінення, дослідити динаміку системи з часом і особливості переходу в кристалі скінченних розмірів.

Об'єктами дослідження є: а) сплави кристалів типу GaAs/AlGaAs з подвійними квантовими ямами або однією широкою ямою, в яких екситони мають довгий час життя; б) органічні сполуки типу TTF-CA з комплексами з переносом заряду.

Предметом дослідження є незвичайні ефекти, які спостерігаються на експериментах: просторово-неоднорідна структура люмінесцентного випромінювання екситонів з напівпровідникових квантових ям, та його поведінка зі зміною параметрів системи; динаміка фотоіндукованих фазових переходів в органічних сполуках з комплексами з переносом заряду.

Методи дослідження полягають у застосуванні моделі спінодального розпаду для нерівноважних систем екситонів у напівпровідникових подвійних квантових ямах, аналітичному дослідженні нелінійних рівнянь на предмет нестійкості, числовому розв'язку двовимірних рівнянь у частинних похідних для задачі з конденсації екситонів і системи одновимірних рівнянь у частинних похідних для задачі з фазових переходів у органічних сполуках при різних параметрах системи і додаткових умовах, аналізі стаціонарних розв'язків і динаміки системи.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Показано появу і досліджено властивості періодичних структур у розподілі густини екситонів на кільці навколо лазерної плями в подвійних квантових ямах. Формування структури зумовлено нерівноважністю системи, пов'язаної зі скінченним часом життя екситонів.

2. Числовим методом промодельовано просторовий розподіл густини непрямих екситонів у подвійних квантових ямах за наявності зовнішнього неоднорідного електричного поля, зумовленого отвором в електроді; знайдено залежності від зовнішніх параметрів системи (накачки, температури, поверхневої енергії, радіусу отвору в металічному електроді).

3. У наближенні середнього поля побудовано самоузгоджену модель фотоіндукованих фазових перетворень в органічних кристалах з комплексами з переносом заряду, яка пояснює спостережувані на експерименті особливості фазових перетворень, стимульованих світловим опроміненням.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблена в дисертаційній роботі методика дослідження фазових перетворень систем частинок зі скінченним часом життя може бути застосована для розв'язання в детерміністичному підході задач динаміки просторового розподілу генерованих накачуванням частинок з врахуванням неоднорідностей системи або таких систем, особливістю яких є скінченний час життя частинок. Також розвинений підхід може бути корисним для дослідження формування за допомогою лазера періодичних структур, які можуть мати різноманітні прикладні застосування, наприклад, для утворення фотонних кристалів.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що наукові результати, викладені в дисертації, були одержані ним самостійно. В усіх роботах автором були написані програми на мові С і виконані числові розрахунки. Автор також брав безпосередню участь в аналізі та інтерпретації усіх результатів, отриманих у роботах, а також у написанні тексту усіх робіт.

Апробація результатів дисертаційної роботи.

Результати досліджень, що складають основу дисертації, були представлені й обговорювались на таких наукових конференціях: V Міжнародна конференція з електронних процесів в органічних матеріалах (м.Київ, 24-25 травня 2004 р.); VI Міжнародна конференція ,,Симетрія в нелінійній математичній фізиці” (м.Київ, 20-26 червня 2005 р.); День молодого науковця Samsung (м.Київ, 1-2 червня 2005 р.); I Всеукраїнський з'їзд ,,Фізика в Україні” (м.Одеса, 2-6 жовтня 2005 р.); VI Міжнародна конференція молодих науковців ,,Оптика і високотехнологічне матеріалознавство” (м.Київ, 27-30 жовтня 2005 р.); XXXV і XXXVI Міжнародні школи з фізики напівпровідникових сполук (м.Устронь-Яшовець, Польща, 16-23 червня 2006 р., 23-26 червня 2007 р.); III Літня наукова школа ,,Нанофізика низьких температур” (м.Чорноголовка, Росія, 20-30 серпня 2007 р.); Щорічні наукові конференції Інституту ядерних досліджень НАН України (м.Київ, 26-29 січня 2004 р., 24-27 січня 2005 р., 23-26 січня 2007 р., 21-24 січня 2008 р.). Результати роботи доповідались у Відділенні ядерної фізики та енергетики НАН України (2007 р.), на Вченій раді Інституту ядерних досліджень НАН України (2007 р.) та Секції радіаційної фізики Вченої ради Інституту ядерних досліджень НАН України (2008 р.), а також обговорювалися на семінарах відділу теоретичної фізики Інституту ядерних досліджень НАН України (2004, 2005, 2007, 2008 рр.).

За темою дисертації опубліковано 14 наукових праць: з них 8 статей (в т.ч. 6 - у фахових журналах) та 6 тез конференцій, список яких представлений після викладення основного змісту роботи.

Структура та обсяг дисертації.

Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку цитованої літератури з 101 найменування. Текст дисертаційної роботи викладено на 92 сторінках друкованого тексту, містить 44 рисунка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, вказано зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами, сформульовано мету і завдання роботи, визначено її наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, відображено особистий внесок автора, наведено дані про апробацію роботи та кількість публікацій за темою дисертації.

У першому розділі представлено огляд літератури за темою дисертації. В огляді проаналізовані результати дослідження конденсації екситонів у напівпровідниках, досліди та теоретичні моделі. Описано сучасні експерименти по опроміненню напівпровідників з подвійними квантовими ямами.

В останні роки особлива увага звернута до появи структур у квантових ямах. При пороговій інтенсивності опромінення та низьких температурах на кільці, концентричному плямі лазерного опромінення, виникає структура у вигляді періодично розміщених острівців випромінювання (Рис.1а) (група Бутова Л.В., [1*]). Кільце слідує за лазерною плямою, якщо її переміщувати по площині ями, і розширюється при підвищенні інтенсивності накачки (до 1 мм). Всередині кільця наявні локалізовані піки випромінювання, пов'язані з дефектами квантової ями. При опроміненні двома просторово розділеними лазерними плямами кільця випромінювання деформуються, відкриваючись одне назустріч одному і, врешті, зливаються в загальне овалоподібне кільце (Рис.1б).

Природа виникнення кільця на макроскопічній відстані від плями опромінення пояснена самими авторами дослідів: пік у радіальному розподілі екситонів утворюється на границі областей, що розмежовують електрони і дірки. Проте виникнення фрагментів на кільці залишалося незрозумілим. У низці робіт пропонувалося пояснення утворення структур як бозе-ейнштейнівська конденсація екситонів. Проте жодна теорія не дала ні якісного, ні кількісного пояснення ефектів. Поява фрагментації в дослідах групи Бутова Л.В. [1*] пояснювалась у роботі [2*] в моделі фазових перетворень зародження-росту (моделі Лівшиця-Сльозова), узагальненій на випадок нестабільних частинок. Використана в даній дисертаційній роботі модель спінодального розпаду більш ефективна при вивченні неоднорідних зовнішніх полів і дозволила дослідити низку ефектів, не розглянутих у [2*].

Група Тимофеєва В.Б. [3*] спостерігала неоднорідну структуру випромінювання в напівпровідниковій системі з подвійними або широкою одинарною квантовими ямами в неоднорідному електричному полі (Рис.2). Неоднорідність зумовлена наявністю круглого отвору в металевому електроді. Збуджені світлом екситони накопичувалися саме на границі отвору внаслідок неоднорідності поля. При порогових умовах по температурі та інтенсивності накачки випромінювання змінювалося від суцільного кільця до набору періодично розміщених острівців. При розширенні отвору кількість острівців зростала і структура ускладнювалася.

Фазові переходи спостерігаються також у низці органічних сполук, наприклад, в одномірних ланцюгах органічного кристалу типу TTF-CA, який утворений з комплекcів донорної та акцепторної молекул. Макроскопічний перехід комплексів молекул відбувається з нейтрального стану до стану з переносом заряду при зменшенні температури. Такі перетворення, зумовлені лазерним опроміненням, впливають на властивості фазового переходу (температуру, динаміку переходу та ін.) і тому називаються фотоіндукованими [4*]. Крім порогу переходу, особливістю фотоіндукованого фазового перетворення є певна часова затримка в динаміці переходу, причому цей проміжок часу скорочувався зі зростанням інтенсивності опромінення.

У другому розділі викладено теорію утворення структур конденсованих фаз екситонів у кільці навколо лазерної плями в подвійних квантових ямах. Для цього розвинуто феноменологічний підхід, який описує конденсацію екситонного газу з великою густиною, заснований на теорії спінодального розпаду, узагальнений на випадок нестабільних частинок.

Теорія ґрунтується на наступних припущеннях:

1. Безпорядок приводить до розсіяння екситонів. Внаслідок розсіяння на дефектах хвильова функція втрачає когерентність на відстанях менших, ніж відстані між екситонами. Тому ми характеризуватимемо стани не хвильовою функцією, а густиною екситонів.

2. Існує конденсована фаза екситонів. Для подвійних квантових ям крім диполь-дипольного відштовхування на певних відстанях суттєве значення має обмінна взаємодія. На можливість конденсованої фази вказувалося в [5*].

Для знаходження розподілу екситонів у подвійних квантових ямах навколо лазерної плями досліджувалося рівняння:

, (1)

де - густина потоку екситонів ( - кінетичний коефіцієнт), - час життя екситона, - густина генерації екситонів, яка для експериментів, описаних в [1*], визначається добутком густин електронів та дірок

(2)

( - швидкість електронно-діркової рекомбінації). Радіальний розподіл розрахований згідно моделі [1*] і має гострий пік на відстані, що набагато перевищує довжину дифузії екситонів. Хімічний потенціал визначався з рівняння , де вільна енергія системи екситонів включає енергію пружної взаємодії та густину вільної енергії , яку візьмемо у формі Ландау, яка передбачає наявність конденсованої фази:



, (3)

, (4)

де , , , - сталі, причому , , - коефіцієнт пружної взаємодії. Найбільш детально досліджувався випадок . Тоді, обезрозмірене рівняння (1) для екситонів набуває вигляду:

. (5)

Числовий розв'язок рівняння (5) при параметрах накачки, що відповідають дослідам [1*], призводить до появи максимуму розподілу екситонів на кільці навколо плями, відповідному лазерному світінню, яке до того ж може розбиватися на періодичні острівці (Рис.3а). Області високої густини (піки цих острівців) ми інтерпретуємо як наявність конденсованої фази, області низької густини - як газової фази. З ростом накачки радіус кільця та кількість острівців збільшувалися, при цьому розміри острівців залишалися незмінними (Рис.3б). Несферичність острівців пов'язана з параметром у рівнянні (3), який визначає поверхневу енергію острівця. Саме таке розбиття кільця на періодичні фрагменти спостерігалось експериментально (Рис.1а) [1*].

Поява внутрішнього кільця випромінювання пов'язана з характером спадання профілю інтенсивності опромінення поблизу краю лазерної плями. Якщо густина генерації поблизу плями не змінюється різко, то з'являється і внутрішнє кільце, що спостерігається на експерименті [1*].

Представлена модель дозволяє описати конденсовані стани, локалізовані поблизу дефектів. У припущенні, що є певна область, яка відрізняється від навколишніх областей якістю контакту між ямою і матрицею, в якій ями вирощені, отримано, що додатковий пік у густині генерації екситонів зумовлює появу окремого острівця в розподілі екситонів, розміщеного в області неоднорідності (Рис.4а). Це відповідає локалізованим острівцям в дослідах [1*].

Зі збільшенням швидкості електронно-діркової рекомбінації пік у радіальному розподілі гострішає і фрагментоване кільце розподілу екситонів може перейти до суцільного (порівняйте Рис.4б і Рис.3а, виконані лише при різних значеннях ).

Для дослідження температурної залежності вважатимемо, що параметр в рівнянні (4) змінюється в моделі Ландау:

. (6)

Як показують розрахунки, з підвищенням температури фрагментація кільця зникає, його інтенсивність зменшується (Рис.5). Це відповідає розмиванню структури, що спостерігалося на експерименті [1*].

При опроміненні системи двома просторово розділеними джерелами має місце взаємодія збуджень з двох плям: кільця витягуються у напрямку одне до одного і зливаються в спільне овалоподібне кільце (Рис.6). Ці розрахунки пояснюють експерименти [1*] в умовах опромінення двома лазерами.

В третьому розділі досліджено утворення структури в розподілі густини екситонів у квантових ямах у неоднорідному полі (на границі круглого отвору в металічному електроді). При цьому був використаний метод, розвинений у другому розділі, який враховує зміну енергії екситона у неоднорідному електричному полі.

Екситони, збуджені світлом через отвір, скочуються в неоднорідному полі всередині ями в область під отвором (Рис.7). У результаті, в ямі під границею отвору виникає максимум екситонної густини, на якому повинна утворюватися конденсована фаза. Числові розрахунки підтверджують появу структури (Рис.8б). У системі вздовж границі отвору утворюються острівці з максимумом густини екситонів. Кількість острівців зростає зі збільшенням радіусу отвору (Рис.8в). При збільшенні накачки або підвищенні температури кільце стає суцільним, що узгоджується з дослідами [2*].

Розрахунки були виконані також і при іншому вигляді густини вільної енергії. Більш точно взаємодію екситонів можна описати представленням густини вільної енергії екситонів у вигляді:

, (7)

з додатними коефіцієнтами і та з від'ємним . Такий вигляд вільної енергії описує диполь-дипольне відштовхування екситонів при не дуже великих значеннях густини екситонів () і існування конденсованої фази при певних значеннях (). У безрозмірному вигляді густина вільної енергії має вигляд

(8)

Однорідний розв'язок рівняння (5) для густини екситонів з густиною вільною енергії у формі (8) є нестійким в області

, (9)

Виявляється, що результати, отримані з вільними енергіями (4) і (7) є близькими. Важливим є наявність в обох випадках конденсованої фази. Розрахунки з вільною енергією (7) також показали, що острівці конденсованих фаз екситонів розміщені періодично вздовж границі отвору (Рис.10а). З розширенням отвору їх кількість збільшувалася (Рис.10б), що узгоджується з дослідами [3*].

Четвертий розділ присвячено побудові моделі фотоіндукованих фазових перетворень у кристалах з комплексами з переносом заряду. Кристал можна уявити як систему комплексів, що складається з двох молекул, які можуть бути в нейтральному або зарядженому стані. В системі існує фазовий перехід, пов'язаний з переносом заряду між молекулами. Для дослідження впливу світла на фазовий перехід вважатимемо, що після збудження з одного з основних станів, комплекс молекул може повернутися до іншого стану через релаксацію зі збудженого рівня, заселеність якого є малою (Рис.11). Система на Рис.11 описується кінетичними рівняннями:

(10)

де позначає ймовірність того, що комплекс знаходиться у вузлі у стані ( відповідає стану з переносом заряду, - нейтральному, відноситься до збудженого стану), , - коефіцієнти накачки на збуджений рівень (релаксації). Змінюючи частоту накачки, можна змінювати величини і .

, (11)



- імовірність переходу за одиницю часу комплексу зі стану з переносом заряду в нейтральний стан та ймовірність зворотного переходу, де - потенціальний бар'єр переходу. Енергія комплексу молекул в -ому вузлі дорівнює

, (12)

де - енергія комплексу з двох молекул у стані без врахування взаємодії з оточенням. Член враховує взаємодію з оточенням. Різницю енергій можна представити як

, (13)

, .

Енергія комплексу визначається інтегралом переносу від донорної молекули до акцепторної, відтак суттєво залежить від температури, оскільки інтеграл переносу чутливий до відстані між молекулами. Вважатимемо, що в певній області температур цю залежність можна вважати лінійною:

, . (14)

Фазова діаграма однорідної () системи в стаціонарному випадку зображена на Рис.12а і може зсуватися при опроміненні системи, цим самим призводити до фотоіндукованого переходу, оскільки внаслідок опромінення початково стійка фаза може виявитися нестійкою (Рис.12б).

Розв'язанням системи нестаціонарних рівнянь (10) отримано, що динаміці фотоіндукованого переходу однорідної системи властивий певний час затримки, лише після якого починається швидке перетворення (Рис.13а). Цей інтервал скорочується зі зростанням накачки (Рис.13а), що узгоджується з експериментально спостережуваним у дослідах [4*] наявністю часу затримки в динаміці фотоперетворення.

Для дослідження просторово неоднорідного розподілу фаз скористаємося наближенням різниці енергій (рівняння (12)) у випадку трансляційної симетрії:

. (15)

де . Якщо змінюється повільно в просторі, розкладемо в ряд по і різниця енергій (рівняння (13)) зводиться до вигляду:

, (16)

де - координата -ого вузла,

, .

Після підстановки виразу (15) в імовірності переходів і системи кінетичних рівнянь (10) дістаємо систему рівнянь, які досліджувалися для просторового розподілу фаз. Система неоднорідних диференціальних рівнянь (10) подібна до рівнянь, розглянутих у розділах 2 та 3 (типу рівняння (5)). Також подібний і метод їх розв'язання. При опроміненні кристалу скінченних розмірів, на границях якого підтримується одна фаза, перехід відбувається при пороговій накачці (Рис.13б). Поріг фотоіндукованого перетворення лінійно залежить від відхилення температури кристалу від температури фазового переходу (Рис.13в).

ВИСНОВКИ

Побудована теорія конденсації екситонів у неоднорідних полях з врахуванням нерівноважності системи, зумовленої скінченним часом життя екситона і наявністю накачки. Теорія застосована для опису структур при різних випадках неоднорідностей, які виникають у гетероструктурах з подвійними квантовими ямами. Також розглянуті фазові перетворення в кристалах з комплексами з переносом заряду під дією лазерного опромінення.

Основні результати дисертації.

1. Досліджено розподіл густини екситонів, який утворюється за межами лазерної плями в подвійних квантових ямах. Особливості структури наступні:

1.1. При запорогових накачках утворюється максимум у розподілі екситонів на певній відстані від лазерної плями. Відповідно, в спектрах люмінесценції утворюється кільце, концентричне лазерній плямі, яке при певних умовах розбивається на фрагменти (острівці). Несферичність острівців збільшується зі зменшенням коефіцієнта, що характеризує енергію неоднорідності. Зі збільшенням накачки зростає радіус кільця і кількість острівців на ньому. Перехід від фрагментованого кільця до суцільного відбувається з підвищенням температури і зі збільшенням швидкості рекомбінації електронів і дірок.

1.2. За наявності макроскопічного дефекту в квантовій ямі з'являється окремий фрагмент у розподілі екситонів і відповідний йому острівець конденсованої фази, що повинно проявлятися у вигляді локалізованих плям випромінювання.

1.3. При зближенні двох просторово розділених лазерних плям розподіл екситонів змінюється від двох окремих кілець до деформованих і, врешті, утворення спільного кільця.

2. Вивчена структура конденсованих фаз у квантовій ямі у напівпровідниках з неоднорідним електричним полем, утвореним отвором в електроді. Розподіл випромінювання має такі властивості:

2.1. При накачках, вищих порогових, вздовж границі кільця утворюється структура густини екситонів у вигляді окремих острівців.

2.2. При малому розмірі отвору утворюється лише пляма в центрі отвору, а з розширенням отвору острівці виникають на границі отвору, зростає їх кількість і структура ускладнюється.

2.3. Зі збільшенням накачки або з підвищенням температури окремі острівці зливаються в суцільне кільце.

3. Розроблена модель впливу світла на фазові перетворення в органічних кристалах з комплексами з переносом заряду. Перехід відбувається між нейтральним та іонним станами молекули в процесі релаксації зі збудженого світлом електронного рівня. Отримано наступні особливості фазового переходу:

3.1. Поріг фотоіндукованого перетворення в кристалі скінченних розмірів щростає зі збільшенням відхилення температури кристалу від температури фазового переходу.

3.2. Різке зростання частки перетворених молекул відбувається після певного часу опромінення, який скорочується з ростом накачки.

Всі отримані результати добре узгоджуються з існуючими експериментальними даними.

РЕЗУЛЬТАТИ ТА ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Chernyuk A.A., Sugakov V.I. Theory of photoinduced phase transitions in crystals with charge transfer complexes. // Ukr. Journ. of Physics.- 2005.- V.50, No.1.- P.86-92.

2. Chernyuk A.A., Sugakov V.I. Model of photoinduced phase transitions in crystals with charge transfer complexes. // Mol. Cryst. Liq. Cryst.- 2005.- 426.- P.25-35.

3. Chernyuk A.A., Sugakov V.I. Ordered dissipative structures in exciton systems in semiconductor quantum wells. // Physical Review B.- 2006.- V.74, No.8.- 085303 (7 pages).

4. Chernyuk A.A., Sugakov V.I. Electron-hole distribution and exciton condensed phase formation in semiconductor quantum wells. // Acta Physica Polonica A.- 2006.- V.110, No.2.- Р.169-174.

5. Сугаков В.И., Чернюк А.А. Образование островков конденсированных фаз экситонов в полупроводниковых квантовых ямах в неоднородных полях. // Письма в ЖЭТФ.- 2007.- Т.85, № 11.- С.699-704.

6. Чернюк А.А., Копп В.С., Сугаков В.Й. Конденсація екситонів в квантових ямах напівпровідників у неоднорідному електричному полі. // УФЖ.- 2007. - Т.52, №7.- С.696-702.

7. Сугаков В.Й., Шевцова О.М., Чернюк А.А. Фазові перетворення в напівпровідниках під впливом електромагнітного та ядерного опромінення. // Збірник праць Державного фонду фундаментальних досліджень. Київ, Академперіодика, с.194-208 (2005).

8. Chernyuk A.A., Sugakov V.I. Ordered dissipative structures in exciton systems in semiconductor quantum well. // Symmetry, integrability and geometry: methods and applications.- 2006.- V.2.- Paper 025 (9 pages).

9. Chernyuk A.A., Sugakov V.I. Theory of photoinduced phase transitions in crystals with charge transfer complexes. The V^th international conference on electronic processes in organic materials.- Kyiv.- 2004.- P.27-28.

10. Chernyuk A.A., Sugakov V.I., Dissipative ordered structures of exciton systems in semiconductors. The VI^th international conference “Symmetry in nonlinear mathematical physics”: (Kyiv, 20-26 June 2005). Abstract URL: http://www.imath.kiev.ua/~appmath/Abstracts2005/Chernyuk.html

11. Сугаков В.Й., Чернюк А.А., Феноменологічна модель для пояснення фрагментації кільця конденсованих фаз в квантових ямах в напівпровідниках. I^ий Всеукраїнський з'їзд ,,Фізика в Україні”. (Одеса, 2-6 жовтня 2005 р.), с.144.

12. Chernyuk A.A., Sugakov V.I. Phenomenological model of exciton condensed phase formation in semiconductor quantum well systems. // The VI^th international conference of young scientists “Optics and high technology material science”.- Kyiv.- 2005.- P.82.

13. Chernyuk A.A., Sugakov V.I. Electron-hole distribution and exciton condensed phase formation in semiconductor quantum wells. // The XXXV^th international school on the physics of semiconducting compounds.- Ustron-Jaszowiec (Poland).- 2006.- P.143.

14. Chernyuk A.A., Kopp V.S., Sugakov V.I. Formation of patterns during exciton condensation in semiconductor quantum wells in non-uniform electric field. // The XXXVI^th international school on the physics of semiconducting compounds.- Ustron-Jaszowiec (Poland).- 2007.- P.115.

АНОТАЦІЇ

Чернюк А.А. ,,Нерівноважні фазові перетворення в кристалах, індуковані зовнішнім опроміненням”. - Рукопис.

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

У дисертації досліджено неоднорідну структуру люмінесцентного випромінювання при інтенсивному лазерному опроміненні напівпровідників з подвійними квантовими ямами, а також фотоіндуковані фазові перетворення в органічних сполуках.

Концентричне лазерній плямі кільце випромінювання розбивається на фрагменти зі зменшенням швидкості рекомбінації електронів і дірок або зі зменшенням температури. За наявності отвору в металічному електроді вздовж границі отвору утворюється структура у випромінюванні у вигляді окремих острівців. Зі збільшенням накачки або з підвищенням температури окремі острівці зливаються в суцільне кільце.

Побудовано модель фотоіндукованого фазового перетворення для органічних кристалів з комплексами з переносом заряду. Вплив світла на фазовий перехід між нейтральним та іонним станом комплексу молекул відбувається внаслідок збудження електронного рівня та релаксації. Різке зростання частки фотоперетворених молекул відбувається після певного часу опромінення, який скорочується з ростом накачки.

Ключові слова: конденсація непрямих екситонів, фотоіндуковані перетворення, подвійні квантові ями, самоорганізація в нерівноважних системах.



Чернюк А.А. ,,Неравновесные фазовые превращения в кристаллах, индуцированные внешним облучением”. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - ,,физика твёрдого тела”. - Институт ядерных исследований НАН Украины, Киев, 2008.

В диссертации исследована неоднородная структура люминесцентного излучения при интенсивном лазерном облучении полупроводников с двойными квантовыми ямами, а также фотоиндуцированные фазовые превращения в органических соединениях.

При запороговых накачках в полупроводниковых квантовых ямах образуется кольцо излучения, концентрическое лазерному пятну. Кольцо разбивается на фрагменты (островки) с уменьшением скорости рекомбинации электронов и дырок или с понижением температуры. С увеличением интенсивности облучения возрастает радиус кольца излучения и число островков на нём. Кольца излучения от двух пространственно разделённых лазерных пятен при сближении пятен деформируются, образуя общее овалоподобное кольцо.

При наличии отверстия в металлическом электроде в структурах с двойными квантовыми ямами вследстие неоднородности электрического поля образуется излучение в виде отдельных островков вдоль границы отверстия. Эта структура излучения приближается к центру отверстия с сокращением расстояния между ямой и электродом. Число островков возрастает с увеличением радиуса отверстия. С увеличением накачки или с повышением температуры отдельные островки сливаются в сплошное кольцо излучения.

Построена модель фотоиндуцированного фазового превращения для органических кристаллов с комплексами с переносом заряда. Переход происходит между нейтральным и ионным состояниями молекулы посредством релаксации с возбуждённого уровня. Резкое возрастание доли фотопревращённых молекул происходит после некоторого времени облучения, сокращающегося с ростом накачки. Порог фотоиндуцированного превращения линейно возрастает при отклонении температуры кристалла от температуры фазового перехода.

Ключевые слова: конденсация непрямых экситонов, фотоиндуцированные превращения, двойные квантовые ямы, самоорганизация в неравновесных системах.

Chernyuk A.A. “Non-equilibrium phase transformations in crystals induced by an external irradiation”. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of Candidate of Physical and Mathematical Sciences (equivalent to Philosophy Doctor) by speciality 01.04.07 - “Solid State Physics”. - Institute for Nuclear Research, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2008.

The thesis deals with investigation of non-homogeneous structure of luminescence during intense laser irradiation of semiconductors with coupled quantum wells, and also investigation of photoinduced phase transformations in organic crystals.

The circle, which is concentric to the laser spot, is broken down into fragments with reducing the rate of electron and hole recombination, and also with temperature decrease. A separate island of condensed phase appears in the presence of a defect in the quantum well. With narrowing of two space-separated laser spots, emission forms common oval-shaped circle.

In case of an aperture in metallic electrode, a structure of separate islands forms along the aperture. The structure approaches the center of the aperture with reduction of the distance between the well and electrode. The number of islands grows and the structure becomes complicated with the aperture expansion. With pumping increasing or temperature growth, separate islands split into a solid circle.

A model of photoinduced phase transition is composed for organic crystals with charge transfer complexes. The transition happens between neutral and ionic states of a molecule via relaxation from the excited level. A sharp growth of phototransformed molecules fraction happens after some time of irradiation. This time interval reduces with pumping growth.

Keywords: indirect exciton condensation, photoinduced transformation, double quantum wells, self-organization in non-equilibrium systems.

Размещено на Allbest.ru

...