Особенности спектров резонансного вторичного излучения в полярных полупроводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

диссертации

ГЛАВА. II.многофононное резонансное комбинационное рассеяние света в полярных полупроводниках в сильном магнитном поле.

1. Введение.

2. Амллитуда двухфононного РКРС в сильном магнитном поле. Приближение бесконечной массы дьгоки.

3. Сечение IvlPKPC в произвольном сильном магнитном поле.

4. Интерференционные эффекты в двухфононном

РКРС в сильном магнитном поле ( —* 00) 3~

5. РКРС второго порядка в случае произвольного соотношения между/?rie и Tfl^

0. Положение интерференционных резонансов в спектре РКРС второго порядка в зависимости от величины магнитного поля.

ГЛАВА Ш. Резонансное межзонное электронное и элек-трон-фононное комбинационное рассеяние света.

1. Введение.

2. Сечение резонансного межзонного электронного КРС. Форма, резонансной линии.

С Т Р.

3. Различие между резонансным рассеянием и горячей люминесценцией.SI

4. Электрон-фононное комбинационное рассеяние света.

ГЛАВА. ТУ. Осцилляции сечения резонансного электр он-гТюн онн о г о к омбинаци онн о г о гас с ея

X А 1 О. ния света в длинноволновой области спектра.S

1. Введение.

2. Вычисление сечения рассеяния.

3. Обсуждение результатов. Осцилляции сечения Б'ЖгРС.

Явление комбинационного рассеяния света (КРС) было открыто Лаццсбергом, Мандельштамом и Раманом 56 лет назад. Вскоре стало ясно, что открытый эффект представляет собой превосходный метод для исследования возбуждений молекул и молекулярной структуры. С 1940-х годов начались систематические исследования рассеяния света в монокристаллах с целью получения сведений о динамике решетки. Эти эксперименты были достаточно сложными, поскольку сечение рассеяния мало, а имевшиеся в распоряжении физиков источники света были слишком несовершенны. В первых исследованиях спектров КРС в полупроводниках с целью получения информации о спектре возбуждений электронной подсистемы возможности эксперимента ограничивались облучением кристаллов светом с частотой в области их прозрачности. При этом удавалось получить сведения лишь об электронных возбуждениях вблизи дна зоны проводимости.

Создание в 1960-х годах и быстрое развитие лазерной техники коренным образом изменило ситуацию, неизмеримо увеличив возможности эксперимента. Налаженное производство и доступность перестраиваемых лазеров на красителях, а также приборов для регистрации спектров КРС, привели к тому, что в течение последних десяти-пятнадцати лет число исследований по рассеянию света в конденсированной среде резко возросло. Тематика этих исследований широка и разнообразна (см., например, [l-б^ )• Методы рассеяния света стали мощным инструментом исследования качественно новых объектов: легированных полупроводников, гетеро- и слоистых структур, аморфных веществ, магнитных кристаллов, а также сверхрешёток, поверхности кристаллов, границ раздела, квазичастиц. Разнообразие получаемой с помощью рассеяния света информации привело к тому, что в наши дни спектроскопия рассеяния используется во многих областях естественных наук - от биофизики до химической технологии и экологии.

Одним из актуальных и перспективных направлений экспериментального и теоретического исследования твердого тела является изучение спектров вторичного излучения полупроволников. Зто объясняется не только широчайшим применением полупроводниковых кристаллов в современном приборостроении, но и богатством и разнообразием физических явлений в них. Изучение этих явлений ведет к пониманию фундаментальных свойств материи. Необходимость глубокого теоретического исследования элементарных возбуждений в полупроводниках, механизмов релаксации энергии возбужденного состояния, параметров электрон-фононного взаимодействия диктуется не только потребностями в объяснении уже имеющихся экспериментальных данных, но и возможностью предсказания новых эффектов и свойств, что, в свою очередь, направляет экспериментальные исследования.

Если в процессе рассеяния света, идущем через несколько промежуточных состояний (например, при рассеянии с испусканием нескольких фононов), частота первичного излучения лежит в области собственного поглощения полупроводника, то один или несколько энергетических знаменателей в выражении для амплитуды рассеяния могут обратиться в ноль. При этом процесс рассеяния становится резонансным. Обзор экспериментальных и теоретических работ по резонансному КРС в полупроводниках имеется в Везде далее мы будем говорить только о процессах резонансного КРС.

Успехи последних лет в изучении резонансного КРС в полупроводниках с различной шириной запрещенной зоны достигнуты в основном благодаря непрерывному усовершенствованию перестраиваемых лазеров на красителях, причём диапазон их перестройки быстро расширяется. Эти лазеры становятся стандартными источниками в экспериментах по рассеянию света.

Вследствие резонанса в процесс непосредственным образом вводится хорошо определенное возбужденное состояние материальной системы, в частности полупроводника, и, таким образом, изучаются его свойства. Следовательно, резонансное комбинационное рассеяние света позволяет исследовать спектр вещества в диапазоне энергий порядка энергии самих фотонов, то есть I - 3 эВ для экспериментов в видимой области спектра.

При облучении полярных полупроводников светом с частотой в области собственного поглощения было открыто новое интересное явление - в спектре вторичного излучения наблюдалась серия линий с частотами сс^ = а)^ , где cJ^q - частота продольных оптических колебаний решётки, N - целое число, достигающее 7-9. При этом интенсивность пиков фононных повторений с ростом порядка рассеяния /V не только остается большой, но может и возрастать, чего никогда не наблюдалось при облучении светом в области прозрачности. Это явление получило название многофононного резонансного комбинационного рассеяния света (МРКРС). МРКРС наблюдалось в ряде полупроводников группы /1 „ , а также в некоторых других соединениях [9-20] . Исследованию этого интересного явления посвящены и многочисленные теоретические работы [16, 20-41]. В [31] выдвинуто предположение, что описанная серия линий вторичного излучения является результатом испускания кванта вторичного излучения при аннигиляции электрон-дырочной пары на последнем этапе процесса, в ходе которого электрон и дырка, рожденные квантом tu)^ первичного излучения, сбрасывают LO -фононы, каскадируя по зоне промежуточных состояний. В процессе рассеяния участвуют две энергетические зоны, причем в конечном состоянии имеется квант вторичного излучения, несколько LO - фононов, а электронная подсистема кристалла не возбуждена (см. рис.1 и рис.5). В [14] высказана идея об участии в каскадном процессе горячих экситонов.

Объяснение особенностей явления МРКРС было невозможно в рамках традиционных понятий КРС или люминесценции. Зто, а также ряд других проблем (например, разделение резонансного вторичного излучения на резонансное рассеяние и горячую люминесценцию или описание формы линии вторичного излучения), привело к необходимости создания общей теории вторичного излучения света, описывающей все виды вторичного излучения, как известные ранее, так и вновь открытые .

При построении теории МРКРС в [23-25] было предложено связать сечение рассеяния света с фундаментальной интенсивной характеристикой вещества, несущей в себе полную информацию о свойствах среды в отношении взаимодействия со светом по каналу вторичного излучения. Эта характеристика была названа тензором рассеяния света (четвертого ранга) S^y^X и для неё получено общее выражение ^23-25,42,43] типа формулы Нубо. Тензор рассеяния света

S^X , как и тензор электропроводности ^^^ > является фундаментальной характеристикой вещества. Подобно тому, как микроскопическая теория Кубо привела к выражению для б^р» , содержащему точное описание среды, так и выражение для тензора рассеяния света S^y^X , включающее в себя полный гамильтониан среды, дало возможность универсального теоретического подхода к изучению взаимодействия света с конденсированной средой по каналу вторичного излучения.

1. JLifffch SsMcH&uvOj <Сп %olicU> ^ со/. М.ptin^Jt- 1j~en/cuj) дЛ Y.j m^S (перевод: "Рассеяние света в твёрдых телах",вып.I,под ред.М.Кардоны,Ы.,"Мир", 1973,с.332?)

2. Ргос. ьгляпА S^fx „ ШхА^&ш^iM. %c£<cU>'\ ScLi-ted iJ.L. вл'иншь^ H. L. Сильны tib }К.К. (Ыъш.) NX <vacK &cwdons РАишгь Pm&j 437-Э.

3. Спектроскопия комбинационного рассеяния света, материалы II Всесоюзной конференции,М.,1973,с.312.

4. Современные проблемы спектроскопии комбинационного рассеяния света.Ы.,"Неука",1973,с.304.

5. Мартин P.M., валиков Л.М. Резонансное комбинационное рассеяние света. В {I.,с.101-173.

6. Кердона М. Резонансные явления. В 2.,с.35-237.

7. Огьо ss P&cmo^owir ФЪоъоЗгепЛсорЩь. §«e. (Ь), уэ.15. fbcJdt-Vb W.} CojiMMJCO Wf.Аалпоиь, AWvHz&Lmj^ XVL HH /э.

8. P. Ъыьоп; tf.M., 6оЛкоиллЛл^ M. CcVxtad Иолкст, ууьосш&ь ш 6rq.Se.СmJjjVtQMJSA; rjj- VLjrfSfcP, V. 45, yo.

9. Кпочихин А.А., Пермогоров С.А., Резницкий A.M. Многофононные процессы в резонансном рассеянии и экситонной люминесценции кристаллов.чт'гмтпж ТГ'.г-"'' гг. г~Т Г г. ООО п оог;тji-сЫ, /о, Т . /j. j В.о, С.ССоО-ССО! .

10. Н Ifc&fu^cov V. Ир SrWmxXfu A-V.Оl Ло^ глсЬчМ Миехсы-Уопл XrttexjousMttn at-i&i ^Амш.Р^. Sf+n*. irtye. (b), 51-G1.- lie

11. Ивченко Е.Л., Ланг И.Г., Павлов С.Т.ыногофононкая каскадная теория вторичного излучения в полярных п о лупр о в с ДН1 iksx .

12. Павлов С.Т. Злектрон-фононное взаимодействие в кинетике проводников. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук, ЛГУ им.А.А.Жданова, Ленинград,1979,с.290.

13. Ивченко Е.Л., Ланг И.Г., Павлов С.Т.Теория резонансного вторичного свечения полупроводников. 5ТТ;1977,т.19,в.9,с Л 751-1759.

14. ХтгскюЬо S.L.} Ж&у Роа&г S.T.в кристаллах £о/ S . и 2-п Те, с участием горячих экситоиов. Девятое совещание по теории полупроводников. Тезисы докладов. Новосибирску. II, 1980,156-137'.

15. К.Траллеро Гинер, Ланг И.Г., Павлов С.Т.Теория многофононного резонансного комбинационного рассеяния света в полярных полупроводниках с участием горячих экситоиов. ФТТ,1931,-.23,в.5,с.1265-1275. '

16. AZ&uMudiktv- A.A.; Kloctuilifv АЛ.яи oIjoM<LP^. Srta* Од, -5-0.

17. Гольцев А.В., Ланг И.Г., Павлов С.Т.Роль свободных электрон-дырочных пар в мнсгофононном резонансном, комбинационном рассеянии света. ФТТ,1980,т.22,в.9,с.2766-2771.

18. JCMUiq И.} S<U<ti 0.} Kqyhouu А.ЯяМЖшск kqkdr Ытлгиия&ул&ьZ.pfup. Wi. ^вЯО^пг. MS) лЛГ,

19. Ланг И.Г. Павлов С.Т., Гольцев А.В., Рамос М.Вклад свободных электронно-дырочных пар в резонансное комбинационное рассеяние света третьего порядка. ФТТ,IS825 т.24,в.6,с.I744-1750.

20. К.Траллеро Гинер, Ланг И.Г., Павлов С.Т. Аналитическое выражение для сечения двухфононного резонансного комбинационного рассеяния света.Ji-.OJ-У, , Т . О < , В . й, С . СлЮ-t'UO .

21. Гольцев А.В. ьногофононные каскадные процессы и вторичное излучение в полупроводниках. Диссертация на соискание ученой степени кандидата уиз.-мат. наук,ФТМ им.А.Ф.Иоффе АН СССР,Ленинград,то~п р т~о

22. Ланг 14.Г., Павлов С.Т., Проказников А.В., Гольцев А.З. Общая теория вторичного излучения в конденсированной среде. Препринт Шов, Ш им.А.З.Иоффе АН СССР,Ленинград,1984,с.42.

23. Еелицкий В.И., Гольцев А.З, Ланг И.Г., Павлов С.Т. Усиление линий многофононного резонансного комбинационного рассеяния света при включении сильного магнитного поля.ФТТ,I9S3,т.25,в.4,с.I224-I22S.

24. BelihJcy KX; GvU%w ijMg X-G.} Po^ir 5.T- j&faytWiS ЧЩНЛЛШ^ fc-CtAVUWo ^ШХ^И-^Ш^ cW cjjjuuoufchuvu лм^еп^олым&ъ, ML frotoib л&пл—со^иЖилЖэгь 4ль AA^U jjkeJLdb.РЦъ. Cfyj p. 6~#1-S<9V.

25. Ланг М'.Г., Павлов С.Т., Яшин Г. 10.j.iHoroyoHOHHbifi каскадный процесс и полоса вторичного излучения вполярных полупроводниках.Письма в }Г!ЗТ®, 1977, т.25,в.5,с. 429-433.

26. Гольцев А.В., Ланг И.Г., Павлов С.Т., Яшин Г.Ю.Длинноволновое вторичное излучение в полярных полупроводниках. 3"5ТФ, 1978. т. 75 5 в. I, с. 279-290.

27. О>Ж016 С. T^OcM^jO GritWv.ovr -^ае^Аши^, VLe&HscfajUj KCLCUCOHGWU -UV ^O-CJOJ^ ecMckuEsb сЫ~ Ягш^ысЫы^v. А, р- MS-ISS.

28. Абакумов В.Н., Перель В.И., Яссиевич К.И.Теория захвата злектронов на притягивающие центры в полупроводниках при фэтовозбуздении.1'гг.тл; ТОГ-.-г-' О <"> "плjiiC'i^ , ' < , t . /£ . в . <., с . 3 /'-i-ooo .

29. Гольцэв А.В., Ланг И.Г., Павлов С.Т.Еесфононнсе комбинационное рассеяние света в полупроводниках. ЭТТ Л973,т.20,в.8.с.2542-2545.