Тонкая структура и динамика спиновых состояний в самоорганизованных InP квантовых точках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Тонкая структура и спиновая динамика экситонных состояний в полупроводниковых гетероструктурах.(Обзор литературы.)

1.1 Теория тонкой структуры экситонов.

1.2 Экспериментальные методы исследования тонкой структуры

1.3 Исследование состояний тонкой структуры квантовых точек с помощью метода квантовых биений.

1.4 Заряженные квантовые точки.

Глава 2. Условия эксперимента.

2.1 Образец.

2.2 Экспериментальная установка и методы исследования.

Глава 3. Тонкая структура экситонных состояний.

3.1 Результаты экспериментов.

3.1.1 Зависимость от электрического смещения.

3.1.2 Зависимость от Стоксова сдвига.

3.1.3 Поляризационные характеристики.

3.1.4 Зависимость осцилляции от величины и направления магнитного поля.

3.2 Модель тонкой структуры. Спин-Гамильтониан.

3.3 Квантовые биения и тонкая структура.

3.3.1 Биения между светлыми и темными подуровнями

3.3.2 Расщепление светлого дублета.

3.4 Выводы

Глава 4. Спиновая динамика нейтральных и заряженных

InP квантовых точек.

4.1 Квантовые биения. Амплитуда осцилляции.

4.2 Спиновая релаксация в нейтральных квантовых точках.

4.2.1 Затухание биений в линейной поляризации.

4.2.2 Кинетика степени циркулярной поляризации.

4.3 Спиновая релаксация в заряженных квантовых точках.

4.3.1 Релаксация в отсутствии магнитного поля.

4.3.2 Спиновая динамика заряженных точек в магнитном поле.

4.3.3 Влияние температуры на спиновую динамику.

4.4 Выводы 93 Заключение 94 Литература

В последнее время резко возрос интерес к спиновой динамике носителей и экситонов в полупроводниковых гетероструктурах. Активно обсуждаются перспективы создания элементов спиновой памяти [1] и спиновых транзисторов [2] на таких структурах. Рассматривается также возможность использования спиновой когерентности для производства квантовых вычислений [3]. К настоящему моменту имеется большое количество публикаций [4-9], посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию процессов спиновой релаксации в квазидвумерных гетероструктурах -квантовых ямах и сверхрешетках. В то же время спиновая динамика квазинульмерных структур - квантовых точек, являющихся одним из наиболее перспективных объектов для приборных применений изучена явно недостаточно. Известно, что спиновые состояния в квантовых точках отличаются рекордно высокой стабильностью, поскольку в них ряд механизмов релаксации, существующих в объемном материале, оказывается неэффективным [10]. Отсюда совершенно очевидной становится актуальность исследования спиновой динамики в квантовых точках.

Среди различных типов квантовых точек одними из наиболее активно исследуемых являются самоорганизованные InP квантовые точки [11-13]. Структуры с этими квантовыми точками выращиваются методами молекулярно-пучковой эпитаксии и характеризуются высоким кристаллическим совершенством. В связи с этим InP точки являются привлекательным объектом для различных приборных применений. В частности, они уже используются для генерации лазерного излучения[14]. InP точки очень удобны для научного исследования, поскольку спектр их излучения лежит в удобной спектральной области - в ближнем ИК диапазоне. Это позволяет использовать для экспериментального исследования спиновой динамики методы, характеризующиеся рекордными параметрами по временному разрешению и чувствительности. К настоящему моменту накоплена достаточно обширная информация об энергетической структуре и оптической динамике InP квантовых точек, однако о свойствах спиновых состояний в этих системах известно пока еще явно недостаточно. В связи с этим в данной работе была поставлена задача исследования тонкой структуры и динамики спиновых состояний полупроводниковых структур с InP квантовыми точками. Экспериментальные исследования проведены в Японии. Основным содержанием настоящей работы является интерпретация полученных экспериментальных данных и их количественный анализ с использованием соответствующих теоретических моделей. Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения.

Первая глава представляет собой обзор статей, посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию тонкой структуры электрон-дырочной пары в полупроводниковых соединения типа АЗВ5. Сделан вывод о преимуществе использования метода квантовых биений для экспериментального определения параметров тонкой структуры. Обсуждаются затруднения, связанные с реализацией этого метода при исследовании квантовых точек. Рассмотрены причины, не позволившие до настоящего времени наблюдать квантовые биения на Зеемановских подуровнях тонкой структуры экситона в квантовых точках.

Вторая глава посвящена описанию гетероструктур с InP квантовыми точками, исследованными в данной работе. Приводится краткое описание основных экспериментальных методов, использованных для изучения спиновой динамики в реальном времени.

В третьей главе представлены результаты исследования, направленного на определение энергетических параметров тонкой структуры электрон-дырочной пары в InP квантовых точках. -Приводятся результаты экспериментальных исследований кинетики поляризованной ФЛ квантовых точек, возбуждаемой коротким лазерным импульсом. Основной особенностью кинетики является наличие квантовых биений, впервые обнаруженных для InP квантовых точек в магнитном поле. Проводится подробный теоретический анализ полученных зависимостей частот и амплитуд биений от условий эксперимента в рамках модельного спин-гамильтониана. Описываются полученные в результате анализа характеристики тонкой структуры уровней электронно-дырочной пары в InP точках.

В четвертой главе рассмотрены процессы спиновой релаксации в нейтральных и заряженных квантовых точках. Подробно анализируются экспериментальные данные по затуханию степени циркулярной поляризации фотолюминесценции и затуханию квантовых биений. Описывается модель формирования долгоживущей спиновой ориентации в заряженных точках. Приводятся основные характеристики релаксационных процессов.

В работе впервые:

1. Зарегистрированы квантовые биения в фотолюминесценции самоорганизованных InP квантовых точек и установлены основные закономерности их поведения в зависимости от условий экспериментов.

2. Построена теоретическая модель формирования осциллирующего сигнала фотолюминесценции в результате интерференции состояний тонкой структуры квантовых точек.

3. Получены совокупные количественные данные об энергии обменного расщепления и величинах продольных и поперечных компонент электронного и дырочного g-факторов в InP квантовых точках.

4. Идентифицированы основные процессы спиновой релаксации в InP квантовых точках.

5. Проведен анализ спиновой динамики InP квантовых точек, содержащих избыточные заряды.

Положения, выносимые на защиту:

1. Интерференция состояний тонкой структуры приводит к появлению отчетливо выраженных квантовых биений в фотолюминесценции InP квантовых точек.

2. Наблюдению биений препятствует наличие в InP квантовых точках неконтролируемого количества избыточных зарядов. Удаление избыточных зарядов с помощью внешнего электрического поля приводит к появлению интенсивного сигнала биений.

3. В зависимости от ориентации магнитного поля по отношению к оси роста структуры наблюдаются биения двух типов. В продольном магнитном поле наблюдаются биения, обусловленные интерференцией зеемановских компонент светлого экситонного дублета. При наличии поперечной компоненты магнитного поля возникают биения, обусловленные интерференцией темных и светлых экситонных состояний.

4. Наблюдаемые закономерности и форма сигнала квантовых биений хорошо описываются с помощью теоретической модели спин-гамильтониана, учитывающей как обменное электрон-дырочное взаимодействие, так и расщепление компонент экситонной тонкой структуры внешним магнитным полем.

5. Сопоставление теории и эксперимента позволяет определить значения продольной и поперечной компонент электронного g-фактора, ge;Z=0.53 и ge;x~ 1.43, и приблизительно оценить энергию обменного взаимодействия.

6. Неоднородность ансамбля квантовых точек приводит к тому, что в исследуемой структуре разброс величин дырочного g-фактора оказывается сопоставимым с его средним значением (gh ~ 0.5) . При этом дырочный g-фактор имеет небольшую поперечную компоненту (gh;X «0.1).

7. Основной причиной деполяризация фотолюминесценции и затухания биений в структурах с квантовыми точками является обратимая фазовая релаксация экситонного спина обусловленная разбросом Зеемановских и обменных расщеплений в ансамбле квантовых точек.

8. Наличие в квантовых точках избыточных зарядов приводит к частичному подавлению процессов спиновой релаксации. При определенных условиях время спиновой релаксации в заряженных квантовых точках может превышать время жизни возбуждения

Апробация результатов работы:

Основные результаты работы докладывались на IX и X Международном симпозиумах «Nanostructures: Physics and Technology» (St. Petersburg, Russia) в 2001 г. и в 2002 г., на международной конференции «Optics and Excitons in Confined Systems» (Montpellier, France, September 4-7, 2001), на V Российской Конференции по Физике Полупроводников (Нижний Новгород, 10-14 сентября, 2001 г.), и на международной конференции «14 th Indium Phosphide and Related Materials Conference» (Stockholm, Sweden, May 12-16, 2002).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. Из них 1 статья, 2 тезиса на международной и Российской конференциях и 3 статьи в материалах международных конференций. Еще одна статья подана в печать в журнал Physical Review В.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Экспериментально показано, что приложение электрического поля позволяет управлять зарядовым состоянием InP квантовых точек.

2. Впервые обнаружены квантовые биения между зеемановскими компонентами тонкой структуры электрон-дырочной пары в нейтральных InP квантовых точках.

3. Установлено, что квантовые биения в исследуемой структуре имеют специфические поляризационные характеристики и нетривиальным образом зависят от ориентации магнитного поля.

4. Проведен анализ экспериментальных данных с использованием модели спин- гамильтониана. Анализ позволил непротиворечиво объяснить наблюдаемые закономерности и количественно описать форму сигнала квантовых биений.

5. На основании сопоставления теории и эксперимента определены значения продольной и поперечной компонент электронного g-фактора, ge^O.53 и ge?x-1.43, а таюке получена оценка величины обменного взаимодействия.

6. Сделан вывод о значительном разбросе величин дырочного g-фактора и о наличии у дырочного g-фактора небольшой поперечной компоненты (gh,x ~ 0.1).

7. Сделан вывод о значительном разбросе величин продольного экситонного g-фактора Д^ц ~ 0.5 и анизотропного обменного расщепления A <5;~70jaeV.

8. Показано, что деполяризация ФЛ и затухание биений определяются обратимой фазовой релаксацией экситонного спина вследствие разброса Зеемановских и обменных расщеплений в ансамбле квантовых точек.

9. Измерены времена релаксации экситонного спина в нейтральных и заряженных квантовых точках. Обнаружено, что время спиновой релаксации в заряженных квантовых точках превышает время жизни возбуждения.

В заключении хочу выразить глубокую признательность всем, без участия которых не состоялась бы эта работа:

- Профессору Агекяну Вадиму Фадеевичу - за общее руководство работой.

- Доценту Игнатьеву Ивану Владимировичу - за помощь при постановке задачи, проведение экспериментов, и обсуждение результатов.

- Старшему научному сотруднику Герловину Илье Яковлевичу - за помощь при теоретическом анализе экспериментальных данных и обсуждение содержания диссертации.

- Научному сотруднику Козину Игорю Эдуардовичу и старшему научному сотруднику Вербину Сергею Юрьевичу - за выполнение экспериментов и участие в обсуждении результатов.

Заключение

1. Е. Pazy, 1. D'Amico, P. Zanardi, and F. Rossi, Phys. Rev. В 64, 195320 (2001).

2. G.Prinz, Phys. Today, 48 (4), 58, (1995).

3. D. Loss, D. P. DiVincenzo, Phys. Rev. A 57,120 (1998).

4. C. Gourdon and P Lavallard, Phys. Rev. В 46, 4644, (1992).

5. S. Bar-Ad and I. Bar-Joseph, Rhys. Rev. Lett. 66 ,2491 (1991).

6. P. Heberle, W. W. Ruhle, and K. Ploog, Phys. Rev. Lett. 72, 3887 (1994).

7. T. Amand, X. Marie, P. Le. Jeune, M. Brousseau, D. Robart, J. Barrau andR. Planel, Phys. Rew. Lett. 78 , 1355 (1997).

8. X. Marie, T. Amand, P.Le Jeune, M. Paillard, P. Renucci, L. E. Golub, V. D. Dymnikov, and E. L. Ivchenko Phys. Rev. 60, 5811(1999).

9. R. E. Worsley, N. J. Traynor, T. Grevatt, and R. T. Harley, Phys. Rev. Lett. 76, 3224 (1996).

10. M. Paillard, X. Marie, P. Renucci, T. Amand, A. Jbeli, and J. M. Gerard, Phys. Rev. Lett. 86,1634 (2001).

11. M. Vollmer, E. J. Mayer, W. W. Rulle, A. Kurtenbach, K. Eberl, Phys. Rev. В 54, R17292 (1996).

12. С. Pryor, M.-E. Pistol, andL. Samuelson, Phys. Rev. В 56, 10404 (1997).

13. Y. Masumoto, V. Davydov, I. Ignatiev, H. -W. Ren, S. Sugou, Japanies J. Appl. Phys., Part 1 38 , 563 (1999).14.

14. E. L. Ivchenko and A. A. Kiselev, Fiz. Tekh. Poluprovodn. 26 ,1471 (1992) Sov. Phys. Semicond. 26 , 827 (1992).

15. Н. W. van Kesteren, E. C. Cosman, W. A. J. A. van der Poel, С. T. Foxon, Phys. Rev. В 41 , 5283(1990).

16. E. Л. Ивченко, А. Ю. Каминский, И.Л. Алейнер, ЖЭТФ т. 103, в. 4 (10), 3401,(1993).

17. Е. L. Ivchenko and G. Е. Pikus, Superlattices and Other Heterostructures Symmetry and Optical Phenomena , Springer Series in Solid-State Sciences Vol. 110 (Springer, Berlin, 1997).

18. E. Blackwood, M. J. Snelling, R. T. Harley, S. R. Andrews, С. Т. B. Foxon, Phys. Rev. В 50 , 14246, (1994).

19. M. Bayer, O. Stern, A. Kuther, and A. Forchel, Phys. Rev. В 61 , 7273 (2000).

20. M.J Snelling, G.P. Flimi, AS. Plaut, R.T. Harley, AS. Tropper, R. Eccleston, and C.C.Philips, Phys. Rev. В 44, 11345, (1991).

21. V. F. Sapega, T. Ruf, M. Cardona, K. Ploog, E. L. Ivchenko, and D. N. Mirlin, Phys.Rev. В 50, 2510, (1994).

22. V. Mashkov, C. Gourdon, P. Lavallard, and D. Yu Rodichev, Phys. Rev. В 55, 13761, (1997)

23. E. Л. Ивченко, А. А. Киселев, ФТП 26, 1471, (1992)

24. A.A Kiselev, E.L. Ivchenko, U. Rossler, Phys. Rev. В 58, 16353, (1998).

25. V. F. Sapega, M. Cardona, K. Ploog, E. L. Ivchenko, andD. N. Mirlin, Phys.Rev. В 45,4320, (1992).

26. M. J. Snelling, E. Blackwood, C. J. McDonagh, R. T. Harley, and С. T. Foxon, Phys. Rev. В 45,3922, (1992).

27. A. A. Kiselev, and L. V. Moiseev, Phys. Solid State 38, 866, (1996).

28. M. Bayer, A. Kuther, A. Forchel, A. Gorbunov, V. B. Timofeev, F. Schafer, J. P. Reithmaier, T. L. Reinecke, and S. N. Walck, Phys. Rev. Lett. 82 , 1748 (1999).

29. M. Sugisaki, Н. W. Ren, К. Nishi, S. Sugou, T. Okuno, Y. Masumoto, Physika В 256-258 (1998) 169-172.

30. M. Sugisaki, H. W. Ren, S. Nair, K. Nishi, S. Sugou, T. Okuno, Y. Masumoto, Phys. Rev. В 59, R5300.

31. R.T.Harley, M.J.Snelling, Phys. Rev. В 53, 9561 (1996)

32. L. Q. Lambert, A. Compaan, and I. D. Abella, Phys.Rev. A 4, 2022 (1974).

33. J. A. Gupta, D. D. Awschalom, X. Peng, A. P. Alivisatos, Phys. Rev. В 59, R10421, (1999).

34. V. К. Kalevich, M. N. Tkachuk, P. Le Jeune, X. Marie, and T. Amand, Solid State Physics (Russia) 41 , 871 (1999).

35. T. Flissikowski, A. Hundt, M. Lowisch, M. Rabe, F. Henneberger, Phys. Rev. Lett. 86, 3172 (2001).

36. E. Kozin, I. V. Ignatiev, V. G. Davydov, H. W. Ren, M. Sugisaki, K. V. Kavokin, A. V. Kavokin, G. Malpuech and Y. Masumoto, Phys. Rev. В to be published.

37. Dan Hessman, Jonas Persson, Mats-Erik Pistol, Craig Pryor, and Lars Samuelson, Phys. Rew. В 64,233308 (2001).

38. R. J. Warburton, C. S. Durr, K. Karrai, J. P. Kotthaus, G. Medeiros-Ribeiro, and P. M. Petroff, Phys. Rev. Lett. 79, 5282, (1997).

39. M. Bayer, A. Kuther, F. Schafer, J. P. Reithmaier, and A. Forchel, Phys. Rev. B. 60, R8481,(1999).

40. M. Baier, F. Findeis, A. Zrenner, M. Bichler, and G. Abstreiter, Phys. Rev. В 64, 195326,(2001)

41. A. Hartmann, Y. Ducommun, E. Kapon, U. Hohenester, and E. Molinari, Phys. Rev. Lett. 84, 5648, (2000).

42. I. V. Ignatiev, I. E. Kozin, V. G. Davydov, S. V. Nair, J. -S. Lee, H.-W. Ren, S. Sugou, Y. Masumoto, Phys. Rev. В 63, 075316 (2001).

43. Y. Masumoto, I. V. Ignatiev, I. E. Kozin, V. G. Davydov, S. V. Nair, H.-W. Ren, J.-S. Lee, S. Sugou, Jpn. J. Appl. Phys. 40, 1947 (2001).

44. Y. Masumoto, "Semiconductor Quantum Dots Physics, Spectroscopy and Applications", Springer-Yerlag, 2001, in press.

45. V. Davydov, A. V. Fedorov, I. V. Ignatiev, I. E. Kozin, H. W. Ren, M. Sugisaki, S. Sugou, and Y. Masumoto, Phys. stat. sol. (b), No. 2,425-429 (2001).

46. I. Ya. Gerlovin, Yu. K. Dolgikh, S. A. Eliseev, V. V. Ovsyankin, Yu. P. Efimov, V. V. Petrov, I. V. Ignatiev, I. E. Kozin, Y. Masumoto, Phys. Rev. В 65, 035317(2002).

47. H. Nickolaus, H. J. Wunsche, F. Henneberger, Phys. Rev. Lett. 81, 2586 (1998).

48. E. L. Ivchenko, Pure and Appl. Chem. 67,463 (1995)

49. A. Malinowski and R. T. Harley, Phys. Rew. В 62, 2051 (2000).

50. Semiconductors, Intrinsic Properties of Group V Elements and III V, II - VI, and I -VI Compounds , edited by К. -H. Hellwege and O. Madelung, Landolt-Bornstein, New Series, Group III, vol. 22 pt. a, (Springer-Verlag, 1987).

51. S. Cortez, A. Jbeli, X, Marie, O. Krebs. R. Ferreira, T. Amand, P. Voisin, and J-M.Gerard, Proceedings of the MSS10 International Conference on Modulated Semiconductor Structures, 23-27 July 2001, Linz, Austria, to be published in Physica E (2002).