Периодические структуры на вiльних носiях в полупроводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ РГб ОД ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

2 7 ШИ 1994 .

На правах рукопису

ЛЕВШИН ОЛЕКСІЙ ЄВГЕНОВИЧ

ПЕРІОДИЧНІ СТРУКТУРИ НА ВІЛЬНИХ носіях В НАПІВПРОВІДНИКАХ

01.04.07-ф1 зика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук .

Київ - 1994

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики АН України

Науковий керівник: доктор Фізико-математичних наук, професор Томчук Петро Михайлович Офіційні опоненти: доктор Фізико-математичних наук Іванов Михайло Олексійович, доктор фізико-математичних наук Щедрій Анатолій Іванович Провідна організація: Інститут хімії поверхні АН України, м.Київ

Захист відбудеться "¿1" 1994р. в А?‘"‘гопни--

на засіданні спеціалізованої Вченої ради К 016.04.0t при Інституті фізики АН України .

(252650, м.КнІв-22, проспект Науки.46)

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Інституту Фізики АН України. .

Автореферат розіслано 1994р.

Вчений секретар спеціалізованої Ради кандидат Фізико-математичних наук

Пржонська О.В.

Актузльність^еми. Вивчення ябіеі в напівпровідниках і конденсованих середовиаах зяймзе важливо місце в фізиці твердого тіла. )дним з таких явна є утворення пзріодкчніх структур (супергра-гок) на вільних носіях в напівпровідниках. Періодичні структури можуть суттєво змінювати властивості напівпровідника. Супер-■’ратки можна утворювати модульованим просторовим розподілом домі-іюк, сполучанням напівпровідникових шарів з різниш властивостями. Періодичні структури на вільних носіях можна тако* отримувати за допомогою звукоєих чи світлових пучків. В роботах Дикмана і "омчука впорав було запропоновано новий механізм утворення супер-'раток на вільних носіях в полі стоячої лазерної хвилі. Такі суте ргратки на вільних носіях, утворені когерентними світловими іроменями, мають дуже маленький час релаксації і е досить доско-іалими.

Одним з цікзеих об'єктів досліджень в Феромагнітні напів-іровідники, в яких одночасно поєднуються напівпровідникові та магнітні властивості. Наявність сильної в-<1 обмінної взаємодії міх »лектронною та магнітною підсистемами веде до того, 150 в зовніп-«іх полях, в Фзромагнітних напівпровідниках реалізуються умови іля розігріву не тільки носіїв заряду, а 8 спінових хвиль. Це приводить до зміни фізичних властивостей напівпровідника. Внявляеть-:я цікавім вивчення періодичних структур на вільних носіях, утво-юних когерентними світловими пучкачи, 1 їх валяв на властивості феромагнітного напівпровідника. У цьому випадку можлива поява нових закономірностей у взаємодії вільних- носіїв з магнітною ¡ідсистемом, що може привести до зміни властивостей останньої, ’акок, для динамічної семодифракції, має інтерес псзук середовищ ! малим часом релаксації і достатньо великою глибиною модуляції іаписаної супергратки. Одним з можлівих засобів реалізації цих (имог є самодифракція на супергратках на вільних носіях. В зви-іайних напівпровідниках запис супарграток на вільних носіях су-гроводкується появою великих полів просторового заряду, що сут-'єво обмекуе глибину модуляції- Викликає інтерес розгляд енер-•ообміну між когерентними світловими пучками в багатодолинних на-іівпровідниках. В них перерозподіл носіїв заряду відбувається між [олинами з різниш ефективними масами, а не у просторі, том:' амп-іітуда записаної супергратки не обмежується виникненням сильних

полів просторового заряду. Також має інтерес дослідження мишву іктвр^й[ібнціШіОї картини, утвореної когерентними світловими пучками, на процес утворення структур у напівпровідниках з негативною ДИі^реііЦІЙІЮЮ провідністю. Відомо, що в напівпровідниках з негативною диференціалом провідністю при прикладанні постійного електричного поля виникають домени сильного поля - домени Гана, з періодом обумовленим довжиною кристала. Викликне інтерес вивчонші іюведінки структур в таких напівпровідниках під д!,;ю інтерференційного ПОЛЯ когерентних СВІТЛОВИХ пучків. ОсобЛИБИЯ ІНТербС МЯС випадок сіііЬБіімірності Періодів інтерференційної г.чрііііі.і і структур утворених в серодовшді, ОСКІЛЬКИ Обидва ЦІ ёфеКТИ обумовлені механізмами розігріву носіїв заряду.

Таким чином, все вище згадане і обумовлює актуальність теми досліджень проведених у дисертації.

■ Матою роботи і:;

-Вивчення впливу інтерференційної картини, утвореної високочастотним поле когерентних світлових пучків, на процес утьоренші суперграток у феромагнітних напівпровідниках,

-дослідження і розрахунок характеристик енергообміну (при динамічній самодифракції) між когерентними світловими пучками на су-нергратці на вільних носіях у багатодолицних напівпровідниках, -дослідження впливу інтерїйронційної картини, утвореної когерентними світловими пучками, на процес утворення структур в напівпровідниках з негативною даференційною провідністю.

Ш!ї!$оь§_новизна: В дисертації досліджені процеси утворення і вза^моперетворення періодичних структур на вільних носіях у напівпровідниках. Вперше показано, що в феромагнітних напівпровідниках р. полі когерентних світлових пучків в системі нерівноважніїх електронів і магнонів утворюються супергратки по кількох параметрах, £ тому числі 1 супергратка магнітного момента.

Вивчено умови виникнення і розраховано параметри описаних су-пнрграток.як з урахуванням переходів електронів між спіновими під-зонами, так і без них. Дослідившій енергообмін між когерентними світловими пучками на сулергратках на вільних Іюсіях у Оагато-доліших наиівнроьідниках. Показано, що точне урахування температурної залежності первросподілу носіїв мік долинами з різними е.£еі;тиькими масами призводить не до степенцої (як було відомо раніш), а до ексгюненціШюі залежності сьітлоіндуковацного додатку

до діелектричної проникливості від інтенсивності поля когерентних світлових пучків. Вивчено вплив інте{4>ер9кцШюго поля когерентних світлових пучків на процес утворення структур в напівпровідниках з негативною диференційною провідністю.

Практична цінність;

Отримані в роботі нові дані о властивостях періодичних структур на вільних носіях становлять як науковий так І практичний інтерес. Так, супергрзтки, утворені когерентними світлосилі лучками у феромагнітних напівпровідниках, завдяки їх однорідності і без-інврційності можуть використовуватись при вгачені властивостей напівпровідників оптичними методами. Утворення супергратки намагніченості у Феромагнітних напівпровідниках може використовуватись для аналізу та керування пучка\га ультрахолодних нейтронів. Динамічна самодифракція на супергратках на вільних носіях у багатодо- ' линних напівпровідниках мав інтерес для динамічної голографії. З'явились перші експериментальні дані, до свідчать о перспективності суперграток на вільних носіях у багатодолшшх напівпровідниках для нелінійної оптики.

Положення що виносяться на захист; •

1. В феромагнітних напівпровідниках під впливом когерентних світ-

лових пучків, внаслідок сильної електрон-магноної взаємодії, утворюються супергратки не тільки на електронах провідності, а й на магнонах, що призводить до утворення супергратки магнітного моменту. ■ '

2. Урахування переходів електронів міх спіновими підзонами у феромагнітному напівпровіднику веде до можливості утворення просторово-неоднорідного розподілу магнонів навіть при однорідному розподілу електронів.

3. Можливість керування розсіянням ультрахолодних нейтронів на

супергратці магнітного моменту в феромагнітних напівпровідниках шляхом зміни параметрів інтерференційного поля когерентних світлових пучків. .

4.Можливість ефективного енергообміну між когерентними СВІТЛОВИМИ

пучками на супергратці на вільних носіях у багатодолинних напівпровідниках. Можливість компенсації енергообміну між когерентними світловими пучками у багатодолинних напівпровідниках при порушенні квазінейтральності. '

З

5.Вплив інтерференційної картини, утвореної когерентними СВІТЛОВИМИ пучками, на напівпровідник з негативною диференційною провідністю вадо до зсуву хвильового вектора моди, що першою генерується, та до неспівьимірності періодів утворених структур як з періодом інтерференційної картини поля когерентних світлових пучків, так і з періодом структур що були раніш.

Апробація роботи; Основні матеріали дисертації доповідались на 5 Всесоюзній конференції по голографи Рига, 1985;

XIX Нараді з теорії напівпровідників Ташкент, і9вЬі и також на наукових семінарах АН України.

Пубдікаціт; По темі дисертації опубліковано 7 друкованих праць, перелік яких наведено в кінці автореферата.

Об*ем і структура дисертації¡Дисертаційна робота складається з введеня, чотирьох глав, трьох додатків, заключеня та списку цитованої літератури. Работа викладена на 98 сторінках машинописного тексту, включає 3 малинка та список цитованої літератури з 73 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі зроблено огляд літератури, що має безпосереднє відношення до данної проблеми, обгрунтована актуальність теми

дисертації, сформульовані цілі та коротко викладено зміст дисертації.

В першій главі досліджується кінетика нерівноважних електронів 1 магнонів у феромагнітному напівпровіднику під дією постійного електричного поля їо та інтенференційного поля когерентних світлових пучків, вектор-потенціал котрих у матеріалі задається у

ВИГЛЯДІ . .

' Ґть ' £ Лсоі(иІ-Ц?*у,

/>« • _ _

а частота Ь) задовольняв умові £^>А'с*>»£ ' де, £ -середня

енергія носіїв, -ширина забороненої зони. При цій умові Інтерференційне поле когерентних світлових пучків, не змінюючи

повної концентрації носіїв в зоні провідності, може привести до просторого перерозподілу концентрації. Електрони вважаються

ЕвБиролсснимл, пола Е ке дукз волинки, так йо а середня

енергія еязктрона у полі когерентних світлових пучків ( ? -кінематичний Імпульс електронп, ¿*$ -рогіцеїшзння спіновій, підзон). ЦІ нерівності дають мозкгаїсть оЗмегзгагсь розглядом підзони, в якій електроні мають спін "вгору". Езрівноваянка етап олектрон-магноішої система Ферсксгнітного напівпровідника під дією зовнішнього постійного е/ектра'стого поля Л 1 поля когерентних світлові« пучків, викликається як розігрівом електронів полем /7 , так і шляхом поглинання квантів світла віяншиа посіяна з подальшою пзродзчоп енергії зід електронів катконги. Фонона виконують роль термостату.

Поведінку електронів та нзгеонів за ушв, їкмз поле когерентних світлових пучків Бюзяміс кз акт зіткнзея електронів з мзгпона-шї, немокна описувати системо» звичайних кітетшк рівнянь. Для роз’бязку цієї задача необхідно користуватись відповідники квантовими кінетичний! рівнянтая для елзктрояїв та кзгнонів у Формі, що має координатну залекіісї-ь в явзоку екгязді. Будемо виходити з квантових аналогів класичних, мікроскопічних «йгнкаїа розподілу електронів } та капронів /К у ві^нерівськоедг податі. З рівнянь руху для операторів / і Л/ отримується систекз кінетичних _р1енянь для знаходження звичайних функцій розподілу електронів /(г, V, і) та мвгнонів Уї?,г;і) • Отримана система кінетичних ріенянь для середніх по періоду я/ео ашлітуд /7^ 1*) та Л^г

ВІДПОВІДНО. Вплив Інтерференційного поля когерентних світлових

пучків на електрон-магноную систему феромагнітного напівпровідника проявляється двояким чином. По-перше, як можна бачити з рівняння (2), виникає . додатковий тиск на електрони, обумовлений Інтерференційною картиною когерентних світлових пучків. По-друге, електрон-магноні та магнон-електроні інтеграли зіткненя стають періодичними Функціями координат. Просторово-періодичні залежності імовірності електрон-магноного розсіюваня та додаткового тиску світла на електрони спричиняють появу у феромагнітних напівпровідниках, окрім суперграток напруженості постійного електричного поля, концентрації та температури електронів, також характерної тільки для Феромагнітних напівпровідників супергратки магноної температури. 8а умов ¡'/¿¿о/»отримані аналітичні вирази для параметрів суперграток напрукешюсті постійного електричного поля, концентрації електронів, електронної та магноної температур. Оцінки показують, що при концентрації електронів По «1015-1016см~3,температурі термостату 0.5*10"14 ерг поле когерентних світлових пучків з частотою ^=б*Ю14с-1 та напругою В - ісЛ/см викликає модуляцію магнонної температури порядку 6-Ю*.

В другій главі досліджується кінетика нерівновахних електронів 1 магнонів у феромагнітному напівпровіднику з урахуванням переходів електронів між спіновими підзонами під дією постійного електричного поля та інтевїеренційного поля когерентних світлових пучків (1). Частота світлового поля задовольняє нерівності <*2»Ьи»]$>£ . Прі цій умові не модна обмежуватись розглядом електронів тільки впідзоні з спіном "вгору", а треба враховувати переходи електронів між спіновими підзонами під дією інтерференційного поля когерентних світлових пучків. Як 1 у пер-першій главі,роль термостату виконують фонони. Виходячи з квантових аналогів югасичних мікроскопічних, функцій розподілу електронів та магнонів Му.ЦА) ((^-спінові Індекси

) у вігнерівському поданні та записуючи рівняння руху для цих операторів, отримана система кінетичних рівнянь для Функцій розподілу електронів та магнонів, що має вягляд

б

де Ві=В%іі8у циркулярні складові магнітної Індукції, -

розщеплення підзон, <} -гіромагнітне співвідношення. Вплив Інтерференційного поля когерентних світлових пучків на електрон-маг-нонну систему Феромагнітного напівпровідника проявляється слідуючім чином. По-перше, як можна бачити з рівняння (3) виникав додатковий тиск на електрони, обумовлений: Інтерференційною картиною когерентних світлових пучків. По-друге, електрон-магнонні Інтеграли зіткнення, що описують процеси переходу електронів між спіновими підзонами з поглинанням (випромінюванням) магнояу,та магаон-електроний Інтеграл зіткнення стають періодичними функціями координат. Просторово-періодичні залежності імовірності електрон-магнонного розсіювання та додаткового тиску світла на електрони спричиняють появу у Феромагнітних напівпровідниках (як було зазначено раніш) суперграток напруженості постійного електричного поля, концентрації та температури електронів, супергратки магнонної температури. За умов модульованого перерозподілу електронів між спіновими підзонами стає можливим утворення просторово-неоднорідного розподілу магнонів навіть при відсутності модуляції повної концентрації електронів. За цих умов став можливим більш глибока модуляція магнонної підсистеми, так як перерозподіл електронів між спіновими підзонами не супроводжуеть-

ся появою великих культівських полів, що сбмеад'вть модуляцію як електронної, так 1 малинної підсистем. Обчислено параметри ста-їичпих суперграток постійного електричного поля, електронної та магноішої температур, концентрацій електронів у підзонах. Оцінки показують, ідо при напрузі поля когерентних світлових пучків £= 103 В/см, частоті 5*Ю14с-1 для напівпровідника ЕиО відношення концентрація у спінових підзонах стає 0,3, що суттєво впливає

на намагиічешіїсть напівпровідника. Такок отримано вираз для високочастотного струму. Розглянуто розсіяння ультрахолодних нейтронів на супергратці магнітного моменту, утворено;., когерентними світловими пучками у феромагнітною напівпровіднику. Показано, що шляхом зміни параметрів Інтерференційного поля когерентних світ-світлових пучків можливо управління розсіянням ультрахолодних нейтронів.

В третій главі розглянуто енергообмін мік когерентними соіт-ловими пучками на супергратці на вільних носіях у багатодолиіших напівпровідниках. У багатодолинних напівпровідішках носії розподілені між долинна*.« з різними ефективними масами. Долини можуть бути рознесені або у імпульсному просторі (атомарні' напівпровідники, наприклад п-Єе), або по енергії (іонні напівпрозідники, на приклад Аейа). під дією інтерференційної картини, утвореної, когерентними світловими пучками, внаслідок розігріву носіїв заряду, відбувається перерозподіл носіїв між долинами з різними ефективними масами. Енергообмін між когерентними світловими пучками на супергратці на вільних носіях у багатодолинних напівпровідниках пов’язан з модуляцією світлоіндукованої складової діелектричної проникливості внаслідок перерозподілу носіїв між долинами з різними ефективними масами; зсув записано/гратки відносно Інтерференційні картини, виникає внаслідок дії постійного електричного поля орієнтованого вздов* записаної гратки. У випадку слабого ( в порівнянні з енергією мівдолиеного фонона розігріву

носіїв заряду —г3 &Г «1 (де %Т- модуляція температури пов'язана з полем когерентних світлових пучків) світлоіндукована складова . діелектричної проникливості має стандартну - степеневу залешість від інтенсивності світлового поля. Коефіцієнт енергообміну Г у цьому випадку має вигляд

де 9 -кут сходження світлозих пучків, у -коефіцієнт модуляції рухливості носіїв. Оцінки вказують, що для лазера на С02 (Д =10 мкм), при/о =4'107Вт/см2. Р=105в/см, п=3 Ю^см-3.^ =з Ю3см2/Вс у п-Се коефіцієнт підсилешія Г, у багатодолинних напівпровідниках з долинами, рознесеїптми по енергії косії розподілені міх долинами за згоном . У Цьому випадку вже не

можна вважати ф~г «1 і необхідно точно враховувати залежність перерозподілі' носіїв між долгаиі.я внаслідок розігріву. За умов що і .це спричиняє не степеневій, а експоненційній залежності світлоіндукованної складової від інтенсивності поля когерентних світлових пучків. Ця обставина суттсво змінює функційну залежність коефіцієнта підсилення. Також вказано на можливість компенсації енергообміну у багатодолинних напівпровідниках5пов'язану з компенсацією просторово-модульованягс перерозподілу носіїв між долинами з різними ефективними масами просторовою модуляцією концентрації всій зони провідності, що має місце при порушені умови квазіяейт-ральності.

В четвертій главі розглянут вплив інтерференційної картини поля когерентних світлових пучків на процес утворення структур в напівпровідниках з негативною диференційною провідністю^ Відомо, що при прикладанні до напівпровідника з негативною диференційною провідністю постійного електричного поля у кристалі виникають домени сильного поля - домени Гана, з періодом, обумовленим, довжиною зразка. У дисертації розглядається вплив Інтерференційної картини, створено/ когерентними світловими пучками на довжину хвильового вектора моди, що першою виходить в генерацію. Показано, що Інтерференційна гратка когерентних світлових пучків спричиняє зсув хвильового вектора моди, що першою виходить у генерацію. Отриман узагальнений.’ термодинамічний функціонал, що описує поведінку системи за (але около) порога нестійкості. Показано, що при виконанні деяких умов період структур, що виникають у напівпровідниках з негативною диференційною провідністю під дією інтерференційного поля когерентних світлових пучків, е неспіввимірним ні з періодом інтерференційного поля когерентних світлових пучків, ні з періодом структур що мали місце раніш.

В заклкдашії підбито підсумки проведених в дисертації

досліджень та сформульовано основні результати дисертації.

В додатках наведешії Формули для розрахунку параметрів супергрзток у Феромагнітних та багатодолишшх напівпровідниках.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ

1.Вперше побудована нерівноважна кінетика електронів 1 магнонів в пшрокозоному феромагнітному напівпровіднику під впливом постійного електричного поля та поля когерентних світлових пучків.

2.Отримані Функціональні залежності параметрів структур, виникаючих під дією поля когерентних світлових пучків як без, так 1 з урахуванням переходів електронів між спіновими лідзонами.

3. Показано можливість керування розсіянням ультрахолодних нейтронів на суперграткі намагніченості в Феромагнітних напівпровідниках шляхом зміни параметрів Інтерференційної картини, утвореної когерентними світловими пучками. .

4.Вперше розглянуто енергообмін міх когерентними світловими пучками на супергратках на вільних носіях у багатодолиннйх напівпровідниках. Встановлено, що залежність світло індукованої складової діелектричної проникливості може мати не лише степеневу, а й експонекційну залежність від Інтенсивності поля лазерних хвиль. Вказано на новий механізм компенсації енергообміну між світловими пучками (при порушенні квазінейтральності) в таких напівпровідниках.

5. Розглянуто перетворення структур в напівпровідниках з від'ємною даференційною провідністю під дією когерентних світлових пучків. Встановлено, що накладання Інтерференційного поля когерентних світлових пучків на напівпровідник з негативною даференційною провідністю спричиняє зсув, хвильового вектора моди, що першою генеруеться, та при задовільненні деяких умов, до неспіввимірності періодів виникаючих структур як з періодом інтерференційного поля когерентних світлових пучків, так і з періодом структур, які мали місце раніш.

МАТЕРІАЛИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В СЛІДУЮЧИХ РОБОТАХ.

1. Лввшин A.E., Семчук A.D., Томчук П.M. Сверхрешетки в ферромагнитных полупроводниках, образованные когерентными световыми пучка-ші. - в кн.: Тезисы докладов XII Совещания по теории полупроводников, Ташкент, 1985, ч .11, с. 72-73.

2. Левшин A.E., Семчук A.B., Томчук П.М. Сверхрешетки в ферромаг-

нитных полупроводниках, образованные когерентными световыми пучками. -4ИТ,1986,т.28,Й2,с.412-418. .

3. Винецкий В.Л., Левшин А.Е., Томчук П.М., Чумак A.A. Теория ди-нвмичоского преобразования световых пучков электронами проводимости в многодолшшых полу проводниках.-В кн.: Тезисы докладов S всесоюзной конференции по пш)грофш,Рига.1985,4.2.C.V0'#/.

4. Churak A.A., LeTBhln A.B., Tomchuk P,M..Vlnetakll V.L. Theory oí dynamic transformation of light be ana by conduction electron in semiconductors. -IEEE Journal, v. QE-22,Jt8, p. 1503-1508.

5. Левшин A.E., Томчук П.М. Влияние мекзонных переходов на процесс образования сверхрешеток в ферромагнитных полупроводниках когерентными световыми пучками.-УФІ,1992,т.37,JM,c;533-540.

6. Левшин А.Е. О динамической самодифракции когерентных световых пучков в многодолшшых полупроводниках.-УФЖ, 1993,т.,*10,с.ІЧЗ&- ІЇРІ

7. Лев Б.И..Левшин А.Е. Поведение структур в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимость» под действием когерентных световых пучков.-Киев, 1994.-12с.-Препр./Ин-т фгаики АН Украины;(робота прийнята до друку).