Взаимодействие мощного электромагнитного излучения с неравновесными носителями в германии при низких температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Современное состояние исследований конденсации экситонов в германии.Ю

§ I. Электронно-дырочная жидкость в германии.

§ 2. Взаимодействие ЭДК с электромагнитным излучением.

1. Взаимодействие системы СН-СЭ-ЭДС с электромагнитными волнами СВЧ.

2. Взаимодействие ЭДК с субмиллиметровыми волнами.

3. Размерный резонанс.

4. Взаимодействие с излучением ЙК диапазона.

§ 3. Электрон-фононное взаимодействие.Фононный ветер. выводы.

ГЛАВА 2. Методика и экспериментальные установки.

§ I. Общие требования к методике экспериментов.

§ 2. Установка для измерения СВЧ проводимости.

1. Установка для измерения проводимости на частоте

10 МГц.

2. Установка для измерения проводимости на частоте

1190 МГц.

3. Установка для измерения проводимости на частоте

10 ООО МГц.

§ 3. Установка для исследования взаимодействия излучения с длиной волны 10,6 мкм с электронно-дырочными каплями в бе. швода.

ГЛАВА 3 .Исследование проводимости электронно-дырочных капель.

§ 1. Проводимость на частоте 10 МГц.

§ 2. Проводимость на частоте 10 ГГц.

§ 3. Оценка проводимости о(- ЭДС вбб.

§ 4. Разогрев ЭДК СВЧ излучением. швода.

ГЛАВА. 4. Исследование взаимодействия мощного излучения с длиной волны 'А = 10,6 мкм с электронно-дырочными каплями.

§ I. Поглощение излучения с 10,6 мкм носителями тока в электронно-дырочных каплях в германии.

§ 2. Взаимодействие ЭДО в(т6 с мощным импульсным излучением СО2 лазера.

1. Зависимость люминесценции <Х- ЭДК от интенсивности

С0г> лазера.

2. Зависимость подавления люминесценции 0(- ЭДК от интенсивности накачки и времени задержки разрушающего импульса СО2 лазера относительно импульса лаз ера.

3. Изменения спектра люминесценции ОС- ЭДК при воздействии импульсного излучения СО2 лазера.

4. Воздействие импульсного излучения СО^ лазера на у - эде в&е.

А. Исследования люминесценции.

Б. Исследования СВЧ проводимости.

§ 3. Модель взаимодействия мощного импульсного излучения с ^ = 10,6 мкм•с ЭДК в бе. Сопоставление теории и эксперимента.

1. Нагрев ЭДК излучением СО2 лазера.

2. Движение носителей под действием фоноиного ветра.

3. Нагрев образца.

4. Действие импульсного излучения на экситонный газ. вывода.

В последние годы большое внимание уделяется исследованию неравновесных процессов в полупроводниках при сильном лазерном возбуждении, главным образом, с точки зрения изучения коллективных эффектов в системе неравновесных носителей заряда» Одним из интереснейших проявлений коллективных взаимодействий является фазовый переход экситонов в полуметаллическую электронно-дырочную жидкость (ЭДК). Это явление, предсказанное Л •В.Келдышем /I/ и наблюдавшееся вначале в Gré и Si , обнаружено теперь и в других полупроводниках /2-10/•

В германии при Т ^ 6,7 К в системе экситонов наблюдается разделение на фазы: плотную, с концентрацией 7}0 = 2.10*7см3 - электронно-дырочные кашш (ЭДК) и разреженную - газ свободных экситонов (СЭ). В газовом облаке кроме экситонов имеется значительное количество свободных электронов и дырок, которые находятся в квазитермодинамическом равновесии с экситонами и каплями. ЭДК в б-е имеют размеры I * 15 мкм и конечное время жизни Т0^40 же; в неоднородно деформированном (хб можно подучить капли размером до I мм с временем жизни до I мс.

Основные свойства ЭД1 и методы их исследования подробно описаны в I главе диссертации. К началу работы над диссертацией не были однозначно определены многие важные электрические и оптические свойства ЭДК, в частности, не был решен вопрос о проводимости ЭДК, который является ключевым для всей проблемы конденсации экситонов (КЭ). Не было данных о поглощении излучения с длиной волны 10,6 мкм носителями в ЭДК. Кроме того, представляло интерес исследовать цроцессы нагрева системы электромагнитным излучением, изучить процессы релаксации энергии, взаимодействие носителей с неравновесными фононами, генерируемыми при остывании горячих носителей и т.п.

Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию эффектов взаимодействия сильного электромагнитного поля в СВЧ и ИК диапазонах с неравновесными носителями в германии в условиях конденсации, а также измерению параметров, определяющих это взаимодействие: проводимости ЭДК и сечения поглощения на длине волны 10,6 мкм*

Актуальность теш связана с тем, что такого рода исследования дают важную Информацию как о природе явления конденсации неравновесных носителей, что цредставляет цринципиальное значение для физики твердого тела, так и о неравновесных процессах, сопровождающих взаимодействие неравновесных носителей с сильным электромагнитным полем, в частности, о возбуждении неравновесных фоно-нов.

В результате проведенных в диссертации исследований удалось оценить верхний предел проводимости ЭДК в недеформированном германии, который оказался существенно ниже предполагавшейся ранее величины» Столь малая проводимость обуславливает и слабое взаимодействие ЭДК с СВЧ полем, что объясняет отсутствие значительных эффектов их прямого нагрева вплоть до плотности падающей СВЧ мощности порядка 100 кВт/аЛ

Эксперименты по измерению сечения поглощения излучения 10,6 мкм (С02 лазер)э - д каплями показали, что сечение поглощения оказалось большим и по порядку величины не сильно отличающимся от сечения поглощения неравновесных электронов и дырок при комнатной температуре. Это обстоятельство предопределило применение излучения С02 лазера для прямого нагрева и разрушения ЭДК в б-е . В результате был обнаружен эффект разрушения капель излучением импульсного СС>2 лазера при интенсивностях ^ Ю5 Вт/см2 . Изучение этого эффекта разрушения позволило выяснить характер взаимодействия мощного ИК излучения с ЭДЕ, обнаружить возникнове

- б ние потока неравновесных фононов (фононный ветер) и его взаимодействие с неравновесными носителями, изучить процесс реконденса-ции носителей после разрушения ЭДК.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Проведены измерения СВЧ поглощения на частотах 10 МГц и 10 ГГц неравновесными носителями в бе при низких температурах в условиях конденсации. Показано, что основной вклад в поглощение вносят свободные носители, а не сконденсировавшиеся в ЭДК.

2. Впервые получена оценка сверху СВЧ проводимости электронно-дырочной жидкости на частоте 10 ГГц р * ^ Ю*5 Показано, что в силу малой проводимости капель разогрев их СВЧ полем на I К выше температуры кристаллической решетки возможен при плотности потока энергии СВЧ поля не менее 100 кВт/см2.'

3. Впервые проведены измерения сечения поглощения излучения 10,6 мкм неравновесными носителями в ЭДК в цри гелиевых температурах.' Оценено сечение поглощения в расчете на электронно-дырочную пару & сг 2.ДГ16 см2 .

4. Обнаружен эффект разрушения электронно-дырочных капель в ffe излучением С02 лазера (по исследованиям люминесценции и СВЧ проводимости). Показано, что после импульса С02 лазера интенсивностью 1С0 < 5 л О5 Bt/cn? происходит реконденсация неравновесных носителей, а при 1С0 >1,5.105 Вт/см2 существенное влияние на динамику неравновесных носителей оказывает поток неравновесных фо-нонов (фононный ветер),

5, Проведен теоретический анализ взаимодействия мощного излучения с длиной волны 10,6 мкм с неравновесными носителями в бе . Из сопоставления экспериментальных данных по кинетике реконденса-ции с теоретической моделью взаимодействия неравновесных фононов с электронно-дырочной плазмой оценен параметр эффективности этого взаимодействия. Сделаны выводы о характере термализации неравновесных носителей, нагретых излучением С02 лазера (с излучением каскада оптических фононов),

БЛАГОДАРНОСТИ

Считаю приятным долгом выразить глубокую благодарность своим научным руководителям профессору A.A. Маненкову и старшему научному сотруднику Г.Н. Михайловой за постановку задачи и неоценимую помощь и подцержку в её решении.

Я глубоко признателен академику A.M. Прохорову и академику JI.B. Келдышу за проявленный постоянный интерес к моей работе и её многократные обсуждения.

Хочу поблагодарить соавторов статей по теме диссертации сотрудников лаборатории колебаний Института общей физики С.П. Смолинг С.Г. Тиходеева, A.B. Сидорина и В.П. Калинушкина, совместная работа с которыми оказалась столь плодотворной.

Выражаю благодарность В.А. Миляеву, В.А. Саниной, A.C. Сеферову, H.H. Сибельдину за многочисленные и полезные дискуссии в ходе работы, а также благодарю Б.И. Кокорева за помощь в проведении экспериментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа преследовала цель исследовать взаимодействие мощного электромагнитного излучения с неравновесными носителями в условиях конденсации, в результате которой получена новая информация о взаимодействии электромагнитного излучения СВЧ и ИК диапазона с электронно-дырочной жидкостью в германии, а так/зке обнаружены' и изучены эффекты воздействия на нее ИК лазерного излучения, связанные с разрушением ЭДК. Эти результаты представляют интерес для физики неравновесных процессов в полупроводниках при сильном возбуждении, в частности, для определения механизма поглощения излучения носителями и их термализации, а так/же открывают новые возможности в исследовании процессов генерации и распространения неравновесных фононов в полупроводниках.