Вплив магнітних іонів та неоднорідностей і флуктуацій їх просторового розподілу на екситонні спектри в напівпровідникових гетероструктурах

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

УДК 621.315.592

ВПЛИВ МАГНІТНИХ ІОНІВ ТА НЕОДНОРІДНОСТЕЙ І ФЛУКТУАЦІЙ ЇХ ПРОСТОРОВОГО РОЗПОДІЛУ НА ЕКСИТОННІ СПЕКТРИ В НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ

Спеціальність - 01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ВЕРЦІМАХА ГАННА ВІТАЛІЇВНА

Київ 2000

Дисертацією є рукопис

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Сугаков Володимир Йосипович, НЦ «Інститут ядерних досліджень» НАН України, завідувач відділом

Офіційні опоненти: чл.-кор. НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Блонський Іван Васильович, Інститут фізики НАН України,

заступник директора Кандидат фізико-математичних наук Крюченко Юрій Володимирович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, старший науковий співробітник

Провідна організація: Київський університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, кафедра теоретичної фізики

Захист дисертації відбудеться “21”червня 2000 р. о 14 год.30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.159.01 в Інституті фізики НАН України за адресою 03680, Київ, проспект Науки, 46

З дисертацією можна ознайомитись і бібліотеці Інтитуту фізики НАНУ за адресою 03680, Київ, проспект Науки, 46

Автореферат розісланий “18” травня 2000 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат фізико-математичних наук Іщук В.А.

Верцімаха Г.В. Вплив магнітних іонів та неоднорідностей і флуктуацій їх просторового розподілу на екситонні спектри в напівпровідникових гетероструктурах.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Науковий центр «Інститут ядерних досліджень» НАН України, Київ, 2000.

Дисертація присвячена дослідженню екситонних властивостей наноструктур на основі напівмагнітних напівпровідників. Розраховано магнітну залежність основного та першого збудженого екситонних рівнів в напівмагнітних квантових ямах та квантових дротах. Показано, що розщеплення екситонних рівнів в зовнішньому магнітному полі в квантовому дроті значно перевищує відповідне розщеплення у квантовій ямі. Досліджено розсіяння екситонів на флуктуаціях концентрації та проекції спінів магнітних домішок, яке приводить до значного розширення екситонних смуг в квантових ямах з напівмагнітних напівпровідників. Встановлено, що ширина смуг істотно залежить від зовнішнього магнітного поля, причому характер залежності різний для - та - компонент екситонного переходу. Зростання напруженості поля приводить до розширення смуг - переходу та звуження смуг -переходу. Запропоновано модель для розрахунку парамагнітного посилення гігантського спінового розщеплення екситонних станів в квантових ямах Cd_1-xMn_xTe/CdTe/Cd_1-xMn_xTe.

Ключові слова: екситон, спектри, ширина смуги, квантова яма, квантовий дріт, напівмагнітний напівпровідник.

Vertsimakha G. V. Effect of magnetic ions and heterogeneities and fluctuations of their spatial distribution on exciton spectra in semiconductor heterostructures.-Manuscript.

Thesis for candidate's degree in Physics and Mathematics in the speciality 01.04.07 - Solid State Physics.- Scientific Centre “Institute for nuclear research”, NAS of Ukraine, Kyiv, 2000.

Excitonic properties of diluted magnetic semiconductor nanostructures are studied. Magnetic dependence of the ground state and of the first excited state of the exciton in semimagnetic quantum wells and quantum wires is calculated. It is shown that in the quantum wire the line splitting exceeds considerably the corresponding value for a quantum well. The broadening of the exciton line caused by elastic scattering of the exciton on fluctuations of magnetic impurity concentration and spin projection in semimagnetic semiconductor quanum wells is calculated. It is shown, that magnetic field dependence of the line broadening is considerable and different for - and -components of optical transitions. The line broadening of the -component of the exciton transition increases as the magnetic field rises, and the broadening of the -component decreases. Model for calculation of paramagnetic enhancement of the giant spin splitting of the exciton states in the quantum well

Cd_1-xMn_xTe/CdTe/Cd_1-xMn_xTe is proposed.

Keywords: exciton, spectra, broadening, quantum well, quantum wire, diluted magnetic semiconductor.

Верцимаха А.В. Влияние магнитных ионов и неоднородностей и флуктуаций их пространственного распределения на экситонные спектры в полупроводниковых гетероструктурах.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела.- Научный центр «Институт ядерных исследований» НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена исследованию экситонных свойств квантово-размерних структур на основе полумагнитных полупроводников. Рассчитана магнитная зависимость основного и первого возбужденного экситонных уровней в полумагнитных квантовых ямах и квантовых проволоках. Показано, что расщепление экситонных уровней во внешнем магнитном поле в квантовой проволоке значительно превышает соответствующее расщепление в квантовой яме. Исследовано рассеяние экситонов на флуктуациях концентрации и проекции спинов магнитных примесей, которое приводит к значительному расширению экситонных полос в квантовых ямах на основе полумагнитных полупроводников. Установлено, что обменное взаимодействие экситонов с магнитными примесями обуславливает сильную зависимость ширины полос от внешнего магнитного поля, причем характер зависимости различный для - и -компонент экситонного перехода. Рост напряженности поля приводит к расширению полос -перехода и сужению полос -перехода. Предложена модель для расчета парамагнитного усиления гигантского спинового расщепления уровней в квантовых ямах Cd_1-xMn_xTe/CdTe/Cd_1-xMn_xTe.

Ключевые слова: экситон, спектры, ширина полосы, квантовая яма, квантовая проволока, полумагнитный полупроводник.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Напівпровідникові гетероструктури є одним з найбільш перспективних та популярних на сьогоднішній день об'єктів досліджень в фізиці твердого тіла. В гетероструктурах спостерігаються унікальні фундаментальні фізичні явища, зокрема ефекти розмірного квантування, резонансне тунелювання, квантовий та дробний квантовий ефекти Холла. Деякі з властивостей квантових ям знайшли практичне застосування в створенні лазерів, резонансно-тунельних діодів, інфрачервоних фотодетекторів; інтенсивно досліджуються можливості використання квантових точок та дротів для створення польових транзисторів нового типу та “одноелектронних” приладів.

Особливий інтерес викликають дослідження екситонних властивостей гетероструктур, оскільки в даних системах спостерігається зростання енергії зв'язку екситона порівняно з об'ємним кристалом, що означає більшу стабільність екситона, можливість його існування при кімнатній температурі і створення на даній основі електрооптичних приладів. Унікальні можливості для вивчення екситонних властивостей надають напівмагнітні напівпровідникові наноструктури, оскільки в них глибину квантових ям можна регулювати зовнішнім магнітним полем.

Серед центральних проблем фізики напівпровідникових гетероструктур слід назвати дослідження дефектів та домішок, які значною мірою визначають властивості даних систем. Чітке розуміння природи дефектів, пов'язаних як з технологією росту кристала, так і з флуктуаціями його складу, необхідне для вдосконалення приладів, створених на основі гетероструктур. В напівмагнітних квантових ямах механізми релаксації екситонів мають певні, ще не до кінця досліджені, особливості, пов'язані з взаємодією носіїв заряду з магнітними домішками. Передбачена в дисертаційній роботі можливість звуження екситонних смуг в зовнішньому магнітному полі в напівмагнітних квантових ямах може бути важливою для застосування в оптоелектроніці.

Протягом останніх років широко досліджується структура границі розділу між немагнітним та напівмагнітним матеріалами, інтерес до яких посилився після відкриття в напівмагнітних квантових ямах ефекта парамагнітного підсилення розщеплення екситонних станів в магнітному полі. Практично важливими є вивчення механізмів формування інтерфейсів при різних технологіях вирощування структур та розробка методів контролю за станом інтерфейсів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у межах бюджетних тем відділу теоретичної фізики НЦ "ІЯД" НАНУ "Сильно нерівноважні і неоднорідні кристалічні системи в полях ядерного і електромагнітного опромінення" № 01.9.10033641 (1991-1995) та “Теоретичне дослідження впливу ядерного опромінення на нерівноважні та невпорядковані кристали та пошук радіаційно-чутливих ефектів в кристалах” № 0197U016410 (1996-2000), проекту Державного фонду фундаментальних досліджень “Дослідження квантових ям і їх надграток у гетероструктурах на основі ”звичайний напівпровідник- напівмагнітний напівпровідник” 2.4/638.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є побудова теорії взаємодії екситонів з домішками, флуктуаціями та неоднорідностями їх розподілу в низьковимірних структурах на основі напівмагнітних напівпровідників.

Задачі, які розв'язуються в дисертаційній роботі:

розрахунок магнітної залежності енергетичних рівнів основного та першого збудженого станів екситона в квантових ямах та квантових дротах на основі напівмагнітних напівпровідників;

розрахунок часу релаксації екситона при пружному розсіянні на флуктуаціях концентрації та проекції спінів магнітних іонів в напівмагнітних квантових ямах;

дослідження залежності форми смуги екситонного відбиття від зовнішнього магнітного поля в напівмагнітних квантових ямах;

вивчення механізмів парамагнітного підсилення гігантського спінового розщеплення екситонних рівнів в гетероструктурах Cd_1-xMn_xTe/CdTe/Cd_1-xMn_xTe.

Наукова новизна. В дисертаційній роботі вперше отримані такі результати:

1) показано, що розщеплення екситонних рівнів в магнітному полі в напівмагнітних квантових дротах значно перевищує відповідне розщеплення в напівмагнітних квантових ямах;

2) розраховано розширення екситонної лінії, зумовлене пружним розсіянням екситонів на флуктуаціях концентрації та проекції спіна магнітних домішок в напівмагнітній квантовій ямі;

3) передбачений ефект індукованого зовнішнім магнітним полем ослаблення ефектів флуктуацій концентрації та проекції спіна магнітних іонів та відповідного звуження смуг -компоненти екситонного переходу в напівмагнітних квантових ямах;

4) проаналізований вплив флуктуацій концентрації та проекції спіна домішок на відбиття світла квантовою ямою;

запропонована модель для розрахунку парамагнітного підсилення гігантського спінового розщеплення екситонних рівнів в напівмагнітних квантових ямах. Шляхом порівняння з експериментальними даними знайдено ширину перехідного шару, утвореного розмиттям гетерограниць.

Практичне значення роботи. Результати роботи можуть бути використані для пояснення особливостей екситонних властивостей напівмагнітних гетероструктур. Передбачений ефект зменшення ширини екситонних смуг під дією зовнішнього магнітного поля в напівмагнітних квантових ямах може бути корисним для застосування в оптоелектронних приладах.

Розроблена модель для розрахунку поправки до гігантського спінового розщеплення екситонних рівнів за рахунок розмиття гетерограниць напівмагнітної квантової ями може використовуватись для оцінки якості подібних структур.

Особистий внесок автора. Особисто автором:

- проведені аналітичні і чисельні розрахунки імовірності розсіяння екситонів на флуктуаціях концентрації та проекції спінів магнітних домішок в напівмагнітній квантовій ямі;

- складено пакет чисельних програм для розрахунку екситонних станів в квантових ямах та квантових дротах в залежності від параметрів системи;

проведені розрахунки парамагнітного підсилення розщеплення екситонних ліній в напівмагнітній квантовій ямі для різних параметрів системи.

Постановка задач та обговорення одержаних результатів проводились з науковим керівником та співавторами.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертацї були представлені на:

International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics, (30 September-2 October, 1996, Uzhgorod, Ukraine),

IV International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics (29 September-02 October, 1998, Kyiv, Ukraine),

Щорічній науковій конференції Інституту ядерних досліджень НАНУ (Київ, 1997).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 робіт. З них 6 статей в наукових журналах, 1 препринт, 1 стаття в збірці наукових праць, 3 тез конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів та списку використаних джерел, що містить 123 найменування. Повний обсяг дисертації складає 114 сторінок, в тому числі 22 рисунка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми досліджень, сформульована мета та визначені конкретні задачі роботи, показані новизна та практичне значення отриманих результатів, приведені відомості про апробацію роботи.

Перший розділ має оглядовий характер. В ньому обговорюються фізичні властивості напівпровідникових гетероструктур, зокрема, створених на основі напівмагнітних напівпровідників, та перспективи їх застосування. Аналізуються теоретичні та експериментальні роботи, присвячені вивченню екситонних спектрів в напівмагнітних квантово-розмірних структурах, впливу дефектів на оптичні властивості даних систем, властивостей меж поділу між немагнітним та напівмагнітним напівпровідниками.

В другому розділі в наближенні ефективної маси знайдені енергетичні рівні основного та першого збудженого станів екситона Ваньє та їх розщеплення в зовнішньому магнітному полі в квантових ямах та квантових дротах на основі напівмагнітних напівпровідників. Зокрема досліджувались гетеро структури

Cd_1-xMn_xTe/CdTe/Cd_1-xMn_xTe та Cd_1-yZn_yTe/Cd_1-xMn_xTe/Cd_1-yZn_yTe.

В напівмагнітному кристалі взаємодія електрона та дірки з магнітними домішками представлена гамільтоніаном:

В даному розділі для розрахунку екситонних спектрів в напівмагнітних гетероструктурах використовується гамільтоніан в наближенні середнього поля, яке справедливе, якщо концентрація домішок в кристалі є досить високою, так що екситон взаємодіє відразу з великою кількістю домішок. Розраховані в даному наближенні хвильові функції екситона в квантовій ямі необхідні для дослідження впливу неоднорідностей просторового розподілу та флуктуацій магнітних іонів на екситонні спектри, що розглядається в другому та третьому розділах дисертаційної роботи.

Потенціали обмінної взаємодії електрона та дірки з магнітними іонами в наближенні середнього поля визначаються співвідношеннями :

Екситонні стани гамільтоніана розраховувались варіаційним методом. Пробні функції 1s- та 2s-станів екситона були вибрані у вигляді:

Розрахунки основного стану екситона були проведені для гетеропереходів (Cd,Mn)Te/CdTe/(Cd,Mn)Te та (Cd,Zn)Te/(Cd,Mn)Te/(Cd,Zn)Te. Для даних систем були розраховані залежності енергії основного стану екситона з важкою діркою від ширини ями L та розщеплення станів екситона з різними проекціями спінів електрона і дірки у магнітному полі. Для гетеропереходу (Cd,Mn)Te/CdTe/(Cd,Mn)Te, в якому магнітні домішки містяться в бар'єрних шарах, розщеплення енергій - і - переходів у магнітному полі зменшується з ростом L, оскільки при цьому хвильова функція екситона все менше проникає у зовнішні магнітні шари гетеропереходу, і розщеплення енергії, викликане взаємодією екситона з іонами домішки, зменшується. Якщо ж магнітні домішки містяться в шарі квантової ями (система Cd_1-yZn_yTe/Cd_1-xMn_xTe/Cd_1-yZn_yTe, x=0.2, y=0.2), величина розщеплення енергій - і - переходів у магнітному полі збільшується з ростом L, виходячи на постійне значення, характерне для Cd_0.8Mn_0.2Te.

Були також розраховані енергії 1s- та 2s- переходів для екситонів з важкою діркою в квантовій ямі Cd_1-xMn_xTe/CdТе/Cd_1-xMn_xTe шириною 72 ? (x=0.075, T=2K) та проведене порівняння з експериментальними даними.

Для оцінки меж застосування пробної функції (5) розглядався також випадок дуже вузької квантової ями, коли в області квантової ями може відбуватись локалізація екситона як цілого. Розглядалась, зокрема, пробна функція екситона у вигляді:

Для розрахунку енергії зв'язку екситона Ваньє в напівмагнітних квантових дротах також використовувався гамільтоніан в наближеннях ефективної маси та середнього поля. Зокрема розглядався циліндричний квантовий дріт CdTe, оточений напівмагнітним напівпровідником Cd_1-xMn_xTe.

Розкладаючи хвильову функцію екситона по одночастинковим хвильовим функціям підзон електрона (дірки) в потенціалі квантового дроту, одержимо рівняння для функцій, що описують відносний рух частинок вздовж осі дроту z:

Були розраховані енергії зв'язку основного та першого збудженого станів екситона в квантовому дроті як функція діаметра дроту. В квантових дротах з напівмагнітними бар'єрами, як і в квантових ямах, обмінна взаємодія носіїв і магнітних домішок приводить до сильного розщеплення - і - компонент екситонного переходу в зовнішньому магнітному полі. На рис.1 приведене розщеплення лінії екситона з важкою діркою в квантовому дроті CdТе/Cd_1-xMn_xTe, x=0.15, як функція напруженості магнітного поля та аналогічне розщеплення у двовимірній квантовій ямі Cd_1-xMn_xTe/CdТе/Cd_1-xMn_xTe (ширина ями дорівнює діаметру дроту D_wire=L_well=50?). Розрахунки показують, що як для квантового дроту, так і для квантової ями розщеплення першого збудженого стану дещо перевищує аналогічне розщеплення основного стану. Розщеплення екситонних рівнів в квантовому дроті приблизно вдвічі більше, ніж у квантовій ямі і для основного, і для збудженого станів. У випадку квантового дроту, тобто квазі-одновимірної системи, енергетичні рівні електрона та дірки у квантовій ямі розташовані ближче до краю потенціального бар'єра порівняно з двовимірною потенціальною ямою. Відповідні хвильові функції в квантовому дроті глибше проникають в бар'єри, де містяться магнітні іони, тобто електрон та дірка сильніше взаємодіють з домішками.

Таким чином, квантові дроти на основі напівмагнітних напівпровідників більш чутливі до впливу магнітного поля, ніж відповідні квантові ями.

В третьому розділі досліджується вплив флуктуацій концентрації та проекції спінів магнітних домішок на екситонні спектри та оптичні властивості напівмагнітних напівпровідників з квантовими ямами. Для цього враховується член в формулі (2), що враховує відхилення гамільтоніана системи від гамільтоніана в наближенні середнього поля:

Розглядається пружне розсіяння екситона на флуктуаціях розподілу і орієнтації спінів домішки. В даній системі енергія взаємодії екситона з домішками значно менша, ніж ширина екситонної зони, тому розсіяння можна вивчати в борнівському наближенні за теорією збурень з гамільтоніаном збурення. В нульовому наближенні стани екситона визначаються гамільтоніаном в наближенні середнього поля; використовується варіаційна хвильова функція 1s-стану екситона в квантовій ямі (5, 6). Обернений час релаксації одержимо після сумування імовірностей розсіяння по кінцевим станам:

Знайдений час релаксації усереднювався по розподілам концентрації домішок і орієнтації їх спінів. При малих концентраціях домішок ці розподіли можна вважати незалежними.

Тоді кореляційні функції мають вигляд:

Розрахунки часу релаксації були виконані чисельно для гетероструктури Cd_1-xMn_xTe/CdТе/Cd_1-xMn_xTe при =0.05 і температурі Т=2К. Отримана залежність оберненого часу релаксації від кінетичної енергії руху екситона в площині шару. На відміну від об'ємного кристала, обернений час релаксації екситона в квантовій ямі при розсіянні на домішках залишається скінченним при. Оскільки у відбитті світла, що падає нормально на гетероперехід, приймають участь екситони з , даний механізм розсіяння може приводити до відмінностей у розширенні екситонних ліній в гетероструктурах та об'ємних кристалах.

На рис. 2 показана залежність від магнітного поля при. Імовірність розсіяння для різних переходів має різну залежність від магнітного поля: для - перехода росте з ростом поля, для - перехода - спадає. Різна залежність пов'язана з тим, що при одній орієнтації спінів необмінна і обмінна частини взаємодії екситона з домішкою додаються, а при іншій - віднімаються. Обернений час релаксації росте із зменшенням ширини квантової ями, оскільки при цьому стає більшою імовірність проникнення екситона в глибину бар'єрів, де і знаходяться домішки, на яких розсіюється екситон.

Для підтвердження впливу флуктуацій концентрації та проекції спінів домішок на екситонні спектри розглядається відбиття світла квантовою ямою з напівмагнітними бар'єрами у випадку, коли ширина квантової ями значно менша, ніж довжина хвилі та при нормальному падінні світла. Розраховується коефіцієнт відбиття світла з урахуванням частотної залежності затухання хвилі за рахунок розсіяння екситонів на флуктуаціях концентрації та проекції спінів домішок. Для врахування впливу квантової ями вводиться поверхневий струм поляризації і відповідна комплексна провідність:

Для визначення коефіцієнту відбиття від шару квантової ями записуються граничні умови до рівнянь Максвелла за умови наявності поверхневої провідності.

Результати розрахунків відбиття світла від квантової ями Cd_1-xMn_xTe/CdТе/Cd_1-xMn_xTe шириною, х=0.05, розташованої на відстані від поверхні кристала (рис. 3) показують, що даний механізм розсіяння приводить до зміни ширини спектральних ліній і до зсуву резонансної частоти, що залежать від зовнішнього магнітного поля.

З ростом напруженості магнітного поля відбувається розширення смуг -переходу і звуження смуг -переходу.

В четвертому розділі досліджується вплив меж поділу між напівмагнітним та немагнітним напівпровідниками на екситонні спектри в напівмагнітних квантових ямах, зокрема в структурах Cd_1-xMn_xTe/CdTe/Cd_1-xMn_xTe. Розглядається збільшення розщеплення екситонних ліній в магнітному полі в даних системах, пов'язане з магнітними властивостями інтерфейсів. Запропонована модель для розрахунку енергійекситонних переходів, яка враховує a) зменшення біля гетерограниці числа найближчих сусідніх антиферомагнітно спарених магнітних домішок і б) розмиття гетерограниць, тобто, по-перше, появи в бар'єрі мікрошару, в якому значення x, а отже і число антиферомагнітних зв'язків зменшені, і, по-друге, проникнення частини магнітних іонів в об'єм квантової ями.Оскільки зсув екситонних рівнів, обумовлений наявністю приповерхневих ефектів, набагато менший, ніж відстань між екситонними рівнями, додаткова енергія екситона, обумовлена неоднорідністю розподілу домішок розраховується в наближенні теорії збурень:

Для врахування зменшення біля гетерограниці числа найближчих сусідніх антиферомагнітно спарених магнітних домішок були використані результати роботи [Phys.Rev.B.-1994.-49.-N.15.-P.10341-0344], в якій методом чисельного моделювання антиферомагнітного спарювання спінів найближчих сусідніх магнітних іонів були проведені розрахунки ефективного спіна іонів Mn²⁺ поблизу границі розділу напівмагнітного та немагнітного матеріалів. Спираючись на результати даної роботи, ми вважали, що в одному моношарі Сd_xMn_{1_x}Te поблизу границі ефективний спін Mn²⁺ дорівнює =1.4S₀ для відносної концентрації домішок у бар'єрах х=0.25, де S₀ - відповідне значення для об'ємного кристала. Для моделювання розмиття гетерограниць вводився розподіл концентрації домішок

X(z) поблизу границі:

Проведені розрахунки та порівняння з експериментальними результатами для системи квантових ям Cd_1-xMn_xTe/CdTe/Cd_1-xMn_xTe з ширинами L_w=12Е, 28Е, 60Е та 120A (рис.4). Параметр підгонки вибирався з умови узгодження розрахованих та експериментальних значень розщеплення екситонних ліній. Таким чином, перехідний шар становить близько 2 моношарів кристала. Порівняння з експериментальними результатами показує, що модель, яка враховує лише посилення парамагнетизма за рахунок зменшення числа антиферомагнітних зв'язків іонів на границях недостатня для пояснення експериментальних результатів. Таким чином, парамагнітне посилення гігантського спінового розщеплення рівнів обумовлено, перш за все, проникненням іонів домішок в немагнітні шари CdTe, що формують квантову яму і, відповідно, збідненням приповерхневих шарів бар'єра.

Відносна величина ефекта парамагнітного посилення розщеплення екситонних ліній в магнітному полі збільшується з ростом ширини ями, в той час як абсолютне значення ефекта зменшується. Це пояснюється тим, що глибина проникнення хвильових функцій електрона і дірки в бар'єрні шари різко падає з ростом L_w, і все більша частина області проникнення функцій приходиться на моношари, що прилягають до границі. В результаті зміна величини розщеплення за рахунок зміни вкладу приграничних областей Cd_1-xMn_xTe стає в відносному значенні більш істотною (в той час як абсолютне значення розщеплення зменшується).

ВИСНОВКИ

1) Розраховано магнітну залежність основного та першого збудженого екситонних рівнів в квантових ямах та квантових дротах на основі напівмагнітних напівпровідників. Показано, що розщеплення екситонних рівнів в зовнішньому магнітному полі в квантовому дроті значно перевищує відповідне розщеплення у квантовій ямі і для основного, і для збудженого станів внаслідок квазі-одновимірного характеру руху екситона в квантовому дроті.

2) Показано, що в квантових ямах на основі напівмагнітних напівпровідників розсіяння екситонів на флуктуаціях концентрації та проекції спінів магнітних домішок приводить до значного розширення екситонних смуг. Величина ефекта досить значна і залежить від ширини квантової ями: ширина смуги зростає при зменшенні ширини квантової ями. Енергетична залежність та кінетичні характеристики розсіяння екситонів відрізняються від відповідних залежностей об'ємного кристала. Розглянутий механізм розсіяння екситонів проявляється у зміні форми смуги екситонного відбиття.

3) Встановлено, що обмінна взаємодія екситонів з магнітними домішками зумовлює сильну залежність ширини смуг від зовнішнього магнітного поля, причому характер залежності різний для - та - компонент екситонного переходу. Зростання напруженості поля приводить до розширення смуг - переходу та звуження смуг - переходу. Даний ефект пояснюється тим, що при одній орієнтації спінів необмінна і обмінна частини взаємодії екситона з домішкою додаються, а при іншій - віднімаються.

4) Запропонована модель, яка дозволяє досліджувати вплив меж поділу на величину розщеплення екситонних рівнів в магнітному полі в квантових ямах на основі напівмагнітних напівпровідників. Модель враховує поправки до розщеплення рівнів за рахунок а) зменшення числа найближчих сусідніх магнітних іонів з сильним антиферомагнітним спарюванням на границях немагнітного та напівмагнітного напівпровідників та б) змішування матеріалів поблизу гетерограниць. Показано, що відносна роль парамагнітного посилення розщеплення екситонних рівнів зростає із збільшенням ширини квантової ями. Шляхом порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними для набору квантових ям Cd_1-xMn_xTe/CdTe/Cd_1-xMn_xTe різної ширини знайдено ширину перехідного шару, утвореного розмиттям гетерограниць.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНІ В НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Науменко (Верцімаха) Г. В., Сугаков В. Й. Магнітна залежність екситонних спектрів в квантових ямах в напівмагнітних напівпровідниках // УФЖ.-1996.- Т.41.-№.2.-С. 228-232.

2. Верцимаха А.В., Сугаков В.И. Рассеяние экситонов на флуктуациях концентрации и проекции спинов магнитных примесей в квантовых ямах в полумагнитных полупроводниках // ФТП.-1997.-Т.31.- вып. 5.-С. 632-634.

3. Abramishvili V. A., Komarov A. V., Ryabchenko S. M., Sugakov V. I., VertsimakhaA.V. Magneto-reflectance study of interfaces in (Cd,Mn)Te/CdTe/(Cd,Mn)Te structures // SPIE.-1997.-Vol.3182.-P.408-411.

4. Абрамішвілі В. Г., Комаров А. В., Рябченко С. М., Сугаков В. Й., Верцімаха Г.В. Вплив меж поділу в гетероструктурах на парамагнітне підсилення гігантського спінового розщеплення екситонних рівнів// УФЖ.- 1998.- T. 43.- №10 .-C. 1306-1309.

5. Sugakov V. I, Vertsimakha A. V. “Effect of magnetic impurity concentration and spin projection fluctuations on optical properties in excitonic region in diluted magnetic semiconductor quantum wells” // phys. stat. sol. (b).- 1998.- 209.- P. 49- 54.

6.Sugakov V. I, Vertsimakha A. V. “Magnetic field dependence of exciton levels in diluted magnetic semiconductor quantum wires” // phys. stat. sol. (b).-2000.-V.217.- N2.-P. 841-846.

7. Верцімаха Г.В., Сугаков В.Й. Вплив неоднорідності розподілу та флуктуацій концентрації магнітних домішок на екситонні спектри в квантових ямах в напівмагнітних напівпровідниках // Матеріали щорічної наукової конференції Інституту ядерних досліджень НАНУ. -Київ.- 1997.- C. 208-212.

8.Naumenko (Vertsimakha) A.V., Sugakov V. I. Magnetic dependence of exciton levels in diluted magnetic semiconductor heterostructures.-Kiev, 1994.-10 p.-(Prepr./National Academy of Sciences of Ukraine. Institute for Nuclear research; KINR-94-19).

9. Abramishvili V. A., Komarov A. V., Ryabchenko S. M., Sugakov V. I., Vertsimakha A. V. Magneto-Reflectance study of interfaces in (Cd,Mn)Te/CdTe/(Cd,Mn)Te structures // International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics, 30 September-2 October-Uzhgorod (Ukraine).-1996.-Abstract CP-27.-P.175.

10. Sugakov V. I., Vertsimakha A. V. Effect of magnetic impurity concentration fluctuations on excitonic spectra in diluted magnetic semiconductor quantum wells // International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics, 30 September-2 October.- Uzhgorod (Ukraine).-1996.- Abstract CP-28.- P.176.

11. Sugakov V. I., Vertsimakha A. V. Suppression of magnetic impurity concentration and spin projection fluctuations in diluted magnetic semiconductors induced by magnetic field// IV International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics, 29 September-02 October.-Kyiv (Ukraine).- 1998.- Abstract BP-45.- P.106.

Размещено на Allbest.ru