WWW.OS.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Научные публикации
 

«Кузнецов Владимир Альбертович Плазменные состояния в спектрах люминесценции неравновесных двумерных электронных систем ...»

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)

Факультет общей и прикладной физики

кафедра физики и технологии наноструктур

Кузнецов Владимир Альбертович

Плазменные состояния в спектрах люминесценции неравновесных

двумерных электронных систем

Специальность 03.03.01 —

«прикладные физика и математика»

Выпускная квалификационная работа на степень бакалавра

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук ведущий научный сотрудник ИФТТ РАН Кулик Леонид Викторович г. Черноголовка — 2015 Оглавление 1 Трионы в двумерном холловском изоляторе................... 3

1.1 Обзор литературы................................... 3 1.1.1 Спин-флип экситоны............................. 4

1.2 Экспериментальная методика............................ 5

1.3 Экспериментальные результаты........................... 5 Заключение......................................... 12 Список литературы.................................... 13 Глава 1 Трионы в двумерном холловском изоляторе



1.1 Обзор литературы Плазмарон — это связанное состояние плазмонов в коротковолновом пределе и заряженной частицы, то есть частный случай триона.

Впервые такие экзотические состояния как плазмароны были теоретически рассмотрены Хедином в 1967 году [1]. Плазмаронные состояния наблюдались в фотоэмиссионных спектрах графена [2]. Также особенности, связанные с плазмаронами, были обнаруженны в исследованиях квантовых ям на основе гетероперехода GaAs/AlGaAs с помощью импульсной туннельной спектроскопии [3]. Существуют наблюдения в пользу наличия плазмаронов в трёхмерных металлах [4]. Достаточные доказательства существования плазмаронных состояний в полупроводниках получены Шеем и Шилдсом [5, 6].

Прямое наблюдение рождения и уничтожения трионов и плазмаронов в спектрах люминесцении двумерных электронных систем невозможно согласно оптическим правилам отбора и сохранением общего «вращательного момента» системы, как это было показано в [7]. Тем не менее, возможно наблюдать внутритрионные переходы, связанные с испусканием фотона.

Прежде чем обсуждать возможность наблюдения свободных трионов и плазмаронов, важно отметить проблему создания свободных (т. е. трансляционно инвариантных электроннодырочных пар) с достаточно большим временем жизни, чтобы к ним могла присоединиться ещё заряженная частица. В графене [2] большое время жизни экситона обеспечивается исключительно малой массой электронов и дырок около точки Дирака. В случае более массивных электронных систем создание трёхчастичных трансляционно инвариантных состояний становится намного более сложным [8]. Даже если такое состояние получено, возникает вопрос, как именно оно должно проявляться в оптическом спектре. Невозможно создать заряженное трёхчастичное состояние с помощью поглощения фотона, также трёхчастичное состояние неспособно распасться с испускание только фотона. В этом случае влияние третьей частицы на плотность состояний двухчастичного комплекса может быть наблюдаемо в оптике только с помощью внутренних переходов в трионе [7]. Единственный способ создать такое состояние — присоединить третью частицу к долгоживущему экситону. Переход внутри триона является дипольно разрешённым. Кроме того, энергия испущенного фотона должна быть в наблюдаемом диапазоне. Такие условия достижимы в высокоподвижном электронном газе внутри гетероперехода GaAs/AlGaAs.

1.1.1 Спин-флип экситоны Экситоны не являются стабильными в такой системе, как двумерный электронный газ.

Однако, в квантующем магнитом поле при температуре меньшей, чем циклотронная энергия, двумерный металл становится изолятором для целочисленных факторов заполнения [9].

Двухчастичные возбуждения холловском изоляторе называют магнитоэкситонами, по аналогии с магнитоэкситонами в обычных полупроводниках [10]. Одним из самых простых случаев является магнитоэкситон, образованный электроном на первом уровне Ландау и дыркой на нулевом уровне Ландау (в зоне проводимости) при факторе заполнения = 2. В спектре возбуждений такой системы видны 2 типа внутризонных экситонов: спин-синглетный с суммарным спином = 0 и спин-триплетный с суммарным спином = 1. При этом спин-триплетный экситон имеет может иметь проекции спина -1, 0, +1 относительно направления магнитного поля [11]. Синглетный экситон удовлетворяет теореме Кона [12], так как он имеет нулевой импульс и нулевой суммарный спин. Это означает, что его энергия в точности равна циклотронной = =. Его распад является дипольно разрешённым переходом, что очевидно из его строения и было показано экспериментально [13]. Другими словами, спин-синглетный магнитоэкситон (магнитоплазмон) это «светлый» экситон. Напротив, распад спин-триплетного экситона запрещён спиновыми правилами отбора, а значит он является «тёмным» экситоном. Кроме того, он не удовлетворяет условиям теоремы Кона, а значит, его энергия может уменьшается из-за многочастичного кулоновского взаимодействия. Действительно, именно спин-триплетный экситон имеет наименьшую энергию при факторе заполнения = 2 [14].

Недавно была разработана экспериментальная методика для создания и регистрации «тёмных» экситонов [15]. Более того, было обнаружено, что время жизни спин-триплетных экситонов достигает сотен микросекунд. Техника резонансного оптического возбуждения позволяет создание ансамблей долгоживущих «тёмных» экситонов, а допольнительная нерезонансная «накачка» позволяет возбудить допольнительные высокоэнергетические электронно-дырочные пары. В процессе релаксации последние могут распасться и вернуться в равновесное состояние. Но, некоторая часть валентных дырок может присоединиться к свободным «тёмным» экситонам с образованием положительно заряженных трионов. Формирование отрицательно заряженных трионов также возможно, но их наблюдение в видимом спектре невозможно, так как все частицы начального состояния находятся в зоне проводимости.





1.2 Экспериментальная методика см Были изучены две группы образцов с темновой подвижностью 520 106 и симметВс рично легированными ямами шириной 17 и 35 нм.

С помощью резинового клея образец закреплялся на держателе образца и к нему подводились «накачивающий» и «собирающий» световоды. Диаметр кварцевых световодов составляет 400 мкм, что позволяет собирать свет от образца без специальных оптических приборов.

В поляризационных измерениях перед собирающим световодом наклеивался линейный поляризатор и пластинка /4 так, чтобы в световод проходил только свет одной круговой поляризации. Отношение сигнала нужной поляризации к общему сигналу проходящему через световод было лучше, чем 0,99. Первоначально поляризаторы были наклеены и перед накачивающим световодом, но впоследствии выяснилось, что спектры люминисценции существенно зависели от поляризации накачки и от этой методики пришлось отказаться.

Исследуемый образец помещался в откачиваемую вставку с 3 He, которая, в свою очередь помещалась в полутораградусную вставку криостата Oxford с сверхпроводящим соленоидом, что позволяет прикладывать к образцу поля величиной до 14 Т. Откачка 3 He позволяет понизить температруру вплоть до 0,45 К. Измерение температуры производилось с помощью калиброванного RuO2 резистора.

В качестве источника резонансной накачки использовался непрерывный твердотельный лазер Matisse с перестраиваемой длиной волны (725-860 нм) со спектральной шириной излучения 20 МГц.

Фактор заполнения = 2 (уровень Ферми точно посередине между 0 и 1 уровнем Ландау) достигался в поле от 4,2 Т до 5,6 Т в зависимости от концетрации двумерных электронов в яме. При этом происходила перезарядка барьерных комплексов, что отражалось в виде характерных изломов в спектре фотолюминесценции.

1.3 Экспериментальные результаты При температуре выше 2 К, «тёмные» магнитоэкситоны ионизованы [15], в спектре фотолюминесцении наблюдаемы две линии связанные с переходами тяжёлых дырок из нулевого уровня Ландау валентной зоны в нулевой уровень Ландау зоны проводимости (Рис. 1.1.

Расстояние между линиями — в точности энергия спинового расщепления. С понижением температуры формируются «тёмные» магнитоэкситоны, и в спектре появляются две новые линии с интенсивностями, сопоставимыми с ранее наблюдаемыми. Логично предположить, что все эти линии связаны с переходами между нулевым уровнем Ландау в валентной зоне Рисунок 1.1: Внизу спектр фотолюминесцении при температуре 2,6 К, где все «тёмные»

экситоны ионизированны. Во врезке схематически представлены разрешённые переходы.

Вверху спектры фотолюминесценции при различных температурах и резонансной накачке 5 мВт / см2 Рисунок 1.2: На верхней схеме изображены разрешённые оптические переходы в и + поляризациях. Заглавная буква «H» или «T» означает на одночастичное или трионное состояние. Надстрочный знак «+» или «» — общий заряд комплекса, стрелки — проекция спинов дырок на ось z. Внизу изображён спектр фотолюминесценции в и + поляризациях.

и нулевым уровнем Ландау в зоне проводимости. В этом случае возможно только 2 перехода в каждой из поляризаций. Первый связан с переходом дырки из валентной зоны в зону проводимости. Второй переход происходит внутри триона сформированного из дырки в валетной зоне и «тёмного» экситона. Такие переходы разрешены, в случае, если они не изменяют внутренних квантов чисел триона [7]. Конечным результатом в поляризации будет спин-синглетный по дыркам магнитотрион, а в + будет спин-триплетный по дыркам магнитотрион. Рекомбинация электрона в спин-триплетном трионе с любой из дырок запрещена спиновыми правилами отбора. В тоже время в спин-синглетном трионе возбуждённый электрон может занять вакансию на нижайшем спиновом уровне Ландау с испусканием фотона с энергией. Если бы не дополнительная связанная дырка на высшем по энергии спиновом подуровне Ландау, то данная квазичастица соотвествовала бы магнитоплазмону [16].

При наличии этой дополнительной дырки эта частица отвечает плазмарону в присутствии магнитного поля, то есть является магнитоплазмароном.

Ожидаемые переходы наблюдаются в спектрах в «правильных» поляризациях (Рис. 1.2).

Энергия внутритрионного перехода спин-триплетного триона почти совпадает с энергией Рисунок 1.3: Вверху спектр фотолюминесценции узкой квантовой ямы шириной 18 нм (красная кривая) и широкой квантовой ямы шириной 35 нм (красная кривая) в поле 4,2 и 5,6 Т соотвественно. В правой врезке изображена упрощённая схема оптических переходов, которая использовалась для теоретических расчётов. В левой врезке показана теоретически рассчитанная дисперсионная кривая экситона (1 или = 0, = 1 в нотации [17]) и магнитоплазмона. Зелёная стрелка указывает на наиболее вероятный оптический переход.

перехода в отсутствии «тёмного» магнитоэкситона. Небольшая разница в энергиях между оптическими переходами в + поляризации может быть объяснена обменной энергией при переходе дырки из валентной зоны в зону проводимости. Энергия магнитоплазмарона отличается от энергии одночастичного перехода на величину плазменной энергии. Точное вычисление энергии магнитоплазмарона затруднено [7]. Несмотря на это, для оценки плазменного вклада можно воспользоваться упрощённой моделью, то есть рассмотреть магнитоплазмон (Рис. 1.3). Энегии начального и конеченого состояния можно определить с помощью первого порядка теории возмущений по отношению кулоновской энергии к циклотронной [16, 17].

В начальном состоянии имеется магнитоэкситон p-типа. Электрон в таком магнитоэкситоне находится на первом уровне Ландау в зоне проводимости, а дырка на нулевом уровне Ландау в валентной зоне. В дисперсионной кривой данного магнитоэкситона имеется минимум при импульсе 1/, где = / — магнитная длина. Так как фотон по сравнению с экситоном обладает близким к нулю импульсом, то можно считать, что импульсы до и после дипольного перехода равны. В конечном состоянии основной вклад в энергию вносят плазменные колебания ( ).

–  –  –

Рисунок 1.4: Внизу представлен спектр фотолюминесцении при мощность накачивающего лазера 7.

5 мВт / см2. Вверху набор спектров люминесцении плазмарона при различной накачке. На врезке справа построено отношение интегральной интенсивности плазмаронной линии к линии одночастичной рекомбинации. В левой нижней врезке построена зависимость энергетического сдвига плазмаронной линии отностительно одночастичной линии и энергетического сдвига плазмонной линии от двумерной электронной плотности при ширине ямы в 18 нм.

С увеличением плотности накачки, а следовательно, и числа «тёмных» магнитоэкситонов спин-триплетный канал рекомбинации возрастает и почти достигает интенсивности одночастичной рекомбинации. Это может быть связано с взаимодействием «тёмных» экситонов и является темой для дальнейшего исследования.

Заключение Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Обнаружены ранее неисследованные линии в спектрах люминесценции неравновесного двумерного электронного газа при факторе заполнения = 2

2. Предложено объяснение новых линий как внутритрионных переходов

3. Теоретически и экспериментально доказано наличие плазменного вклада в сдвиг линии в поляризации По результатам данной работы готовится к публикации статья в международный журнал, а также результаты данной работы будут представлены на XII Российской конференции по физике полупроводников.

Список литературы

1. Hedin L., Lundqvist B. I., Lundqvist S. New structure in the single-particle spectrum of an electron gas // Solid State Commun. — 1967. — Vol. 5. — Pp. 237–239.

2. Observation of Plasmarons in Quasi-Freestanding Doped Graphene / Aaron Bostwick, Florian Speck, Thomas Seyller et al. // Science. — 2010. — May. — Vol. 328. — Pp. 999–1002.

3. Observations of plasmarons in a two-dimensional system: Tunneling measurements using timedomain capacitance spectroscopy / O. E. Dial, R. C. Ashoori, L. N. Pfeiffer, K. W. West // Phys. Rev. B. — 2012. — Vol. 85. — P. 081306.

4. Charge Carrier Interaction with a Purely Electronic Collective Mode: Plasmarons and the Infrared Response of Elemental Bismuth / Riccardo Tediosi, N. P. Armitage, E. Giannini, D. van der Marel // Phys. Rev. Lett. — 2007. — July. — Vol. 99. — P. 016406.

5. Plasmaron Coupling and Laser Emission in Ag-Doped CdSnP2 / J. L. Shay, Jr W. D. Johnston, E. Buehler, J. H. Wernick // Phys. Rev. Lett. — 1971. — Sep. — Vol. 27, no. 11. — Pp. 711–714.

6. Influence of excess electrons and magnetic fields on Mott-Wannier excitons in GaAs quantum wells / A. J. Shields, M. Pepper, D. A. Ritchie, M. Y. Simmons // Adv. Phys. — 1995. — Vol. 44, no. 1. — Pp. 47–72.

7. Dzyubenko A. B., Sivachenko A. Yu. Charged Magnetoexcitons in Two-Dimensions: Magnetic Translations and Families of Dark States // Phys. Rev. Lett. — 2000. — May. — Vol. 84, no. 19. — P. 4429(4).

8. Chis V., Silkin V. M., Hellsing B. Plasmaron excitations in p(2 x 2)-K/graphite // Phys. Rev.

B. — 2014. — May. — Vol. 89, no. 20. — P. 205429(6).

9. v. Klitzing K., Dorda G., Pepper M. New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance // Phys. Rev. Lett. — 1980. — Aug. — Vol. 45, no. 6. — P. 494(4).

–  –  –

11. Cyclotron spin-flip mode as the lowest-energy excitation of unpolarized integer quantum Hall states / L. V. Kulik, I. V. Kukushin, S. Dickmann et al. // Phys. Rev. B. — 2005. — Aug. — Vol. 72, no. 7. — P. 073304(4).

12. Kohn W. Cyclotron Resonance and de Haas-van Alphen Oscillation of an interacting elector gas // Phys. Rev. — 1961. — Aug. — Vol. 123, no. 4. — P. 1242(3).

13. Superradiant Decay of Cyclotron Resonance of Two-Dimensional Electron Gases / Qi Zhang, Takashi Arikawa, Eiji Kato et al. // Phys. Rev. Lett. — 2014. — July. — Vol. 113, no. 4. — P. 047601(6).

14. Antiphased cyclotron-magnetoplasma mode in a quantum Hall system / L. V. Kulik, S. Dickmann, I. K. Drozdov et al. // Phys. Rev. B. — 2009. — March. — Vol. 79, no. 12. — P. 21310(4).

15. Super-long life time for 2D cyclotron spin-flip excitons / L. V. Kulik, A. V. Gorbunov, A. S. Zhuravlev et al. // Sci. Rep. — 2015. — no. 5. — P. 10354.

16. Kallin C., Halperin B. I. Excitations from a filled Landau level in the two-dimentional elector gas // Phys. Rev. B. — 1984. — Nov. — Vol. 30, no. 10. — P. 5655(14).

17. Lerner I. V., Lozovik Yu. E. Mott exciton in a quasi-two-dimensional semiconductor in a strong magnetic field // Sov. Phys. JETP. — 1980. — Vol. 51, no. 3. — P. 588(5).

18. Ваньков А. Циклотронные спин-флип возбуждения в двумерных электронных системах в режиме квантового эффекта Холла: кандидатская диссертация / ИФТТ РАН. — 2009.

19. Low-Magnetic-Field Divergence of the Electronic g Factor Obtained from the Cyclotron Spin-Flip Mode of the = 1 Quantum Hall Ferromagnet / A. B. Van’kov, L. V. Kulik, I. V. Kukushin et al. // Phys. Rev. Lett. — 2006. — Dec. — Vol. 97, no. 24. — P. 246801(4).



Похожие работы:

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК В.О. Гладышев НЕОБРАТИМЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЗАДАЧАХ АСТРОФИЗИКИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана УДК 530.1 ББК 22.31 Г52 Рецензенты: академик Академии транспорта РФ, профессор, доктор технических наук Е.Ю. Барзилович; профессор, доктор физико-математических наук А.Н. Морозов Гладышев В.О. Необратимые электромагнитные процессы в задачах Г52 астрофизики: физико-технические проблемы. – М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000....»

«УДК 543.42 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АТОМНО-АБСОРБЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ АНАЛИЗА РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА ВОДЫ В. И. Барсуков, А. В. Краснова Кафедра «Физика», ФГБОУ ВПО «ТГТУ»; phys@nnn.tstu.ru Ключевые слова и фразы: аналитические линии; калибровочный и стандартный растворы; метод атомно-абсорбционной спектроскопии; пламя; режим работы; чувствительность определения; электротермический атомизатор. Аннотация: Методами плазменной атомно-абсорбционной спектроскопии и атомно-абсорбционной спектроскопии с...»

«Заглавие статьи По горячим следам ЕГЭ 2013 г.: задания С1–С4 Сведения об авторах Якименко Мариам Шамилевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры математического анализа и методики обучения математике в вузе ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева», ya-mariam@yandex.ru. Шашкина Мария Борисовна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры математического анализа и методики обучения математике в вузе ФГБОУ ВПО «Красноярский...»

«Известия НАН РА, Науки о Земле, 2012, 65, № 3, 70-77 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ © 2012 г. А. М. Аветисян, В. Ю. Бурмин, А. Г. Манукян Институт геофизики и инженерной сейсмологии им. А. Назарова НАН РА, Армения 3115, г. Гюмри, ул. В. Саргсяна 5, E-mail: Avet.andrey@mail.ru Институт Физики Земли, Российская Федерация, г. Москва, Б. Грузинская 6 E-mail: vburmin@yandex.ru Гюмрийский государственный педагогический институт им. М....»

«WWW.MEDLINE.RU, БИОФИЗИКА ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ МЕДИЦИНСКИЕ ЖУРНАЛЫ В ИНОСТРАННЫХ ТЕМАТИЧЕСКИХ БАЗАХ. Харыбина Татьяна Николаевна, ст.н.с., Центральная библиотека Пущинского научного центра РАН, отдел БЕН РАН Бескаравайная Елена Вячеславовна, ст.н.с., Центральная библиотека Пущинского научного центра РАН, отдел БЕН РАН Аннотация: Целью работы было собрание материалов о Российских медицинских журналах, включенных в зарубежные информационные тематические ресурсы и определение критериев, по которым...»

«МОДЕЛЬ ЭВОЛЮЦИОНИРУЮЩЕЙ МНОГОАГЕНТНОЙ ИНТЕРНЕТ-СИСТЕМЫ * Мосалов О.П.,студ., Московский физико-технический институт, тел. 250-78-02, E-mail: olegmos_@mail.ru Редько В.Г., д.ф.-м.н., Институт оптико-нейронных технологий РАН, тел. 135-78-02, E-mail:vgredko135@mail.ru Бурцев М.С., асп., Митин Н.А.,к.ф.-м.н., Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, тел. 250-78-02,E-mail: mbur@narod.ru, mitin@keldysh.ru АННОТАЦИЯ Предлагается схема модели многоагентной Интернет-системы. Система состоит...»

«ОТЗЫВ ОФИЦИАЛЬНОГО ОППОНЕНТА на диссертационное исследование БЕЛЯЕВОЙ ЖАННЫ ВЛАДИМИРОВНЫ по теме «Обучение учащихся основной школы естественнонаучным методам познания на основе межпредметных связей биологии, химии и физики», представленную на соискание ученой степени кандидата педагогических наук по специальности теория и методика обучения и воспитания 13.00.02 естествознание) Федеральный государственный образовательный стандарт основного общего образования устанавливает общие требования к...»

«Задание 1. Это здание является символом российской науки. Когда оно было построено? 1718 1734 Что находилось в нём раньше? Кунсткамера – первый музей России и Академия наук, в которой работал М. В. Ломоносов. Что находится сейчас? Музей антропологии и этнографии РАН им. Петра Великого. Задание 2. Почему именно в 18 веке зарождаются научные исследования в России? Назовите объективные и субъективные факторы. Объективные: Развитие экономики, потребности, связанные с развитием промышленного...»





Загрузка...


 
2016 www.os.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Научные публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.