Гетероструктуры на основе халькогенидов европия и свинца

• Автор: Никольская, Людмила Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 119 с. : ил.

ОГ ДАВЛЕНИЕ

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Зонная структура и экситонный ферромагнетизм Ей

1.2. Электронные состояния и проводимость в РЬ8

1.3. Экситоны в системах пониженной размерности

1.4. Обзор современных теоретических методов расчета в квантовой теории полупроводников

1.4.1. Особенности метода огибающей функции в сверхрешетках

1.4.2. Вариационный метод в задачах физики твердого тела

Глава 2. Анализ гетероперехода РЬЗ-ЕиБ

2.1. Построение энергетической диаграммы гетероперехода РЬБ-ЕиБ

2.2. Влияние ферромагнитного порядка на энергетическую диаграмму гетероперехода РЬБ-ЕиБ
Глава 3. Расчет энергетического спектра (минизонной структуры)
сверхрешетки РЬ8-Еи8
3.1. Расчет энергетического спектра сверхрешетки РЬ8-Еи8 в рамках метода огибающей функции в приближении эффективной массы
3.2. Расчет минизонной структуры «закрытых квантовых ям» в сверхрешетке РЬ8-Еи8
Глава 4. Экситоны в сверхрешетках РЬ8-Еи8
4.1. Прямые и межъямные экситоны в сверхрешетках РЬ8-Еи8
4.2. О конденсации экситонного газа в сверхрешетках на основе халькогенидов европия и свинца
Заключение
Основные выводы
Библиографический список использованной литературы

Последнее десятилетие развития физики полупроводников характеризуется тем, что основными объектами исследования становятся не массивные кристаллы, а гетеросистемы. В них, изменяя размерность и регулируя величину квантового ограничения гетероструктуры, можно радикальным образом изменять энергетический спектр системы. Появился даже термин «зонная инженерия» для обозначения попытки искусственного синтезирования новых материалов с заданными магнитными, оптическими и проводящими свойствами [1].
Специфические электронные свойства низкоразмерных систем открывают широкую перспективу для создания на их основе новых типов полупроводниковых приборов, таких как лазеры на квантовых ямах и квантовых точках, оптические модуляторы, фотоприемники, лавинные фотодиоды, транзисторы с высокой подвижностью носителей и др. Поэтому полупроводниковые гетероструктуры сегодня являются предметом изучения большинства исследовательских групп, работающих в данной области [2].
Изготовление квантово-размерных структур требует создания полупроводниковых гетеропереходов с необходимыми свойствами. Для этого прежде всего нужно найти подходящую пару материалов. В работе [3] обосновывалась необходимость подбора гетероструктуры для создания «идеального» гетероперехода с бездефектной границей и хорошо согласующимися постоянными решетками, расхождение которых не должно превышать 0,5%. При данных условиях рассеяние связанное с примесями и дислокациями практически отсутствует и отражение от гетерограницы будет «зеркальным», что будет способствовать сохранению когерентности потока и не влиять на длину свободного пробега электрона.
Первые «идеальные» гетеропереходы для различных полупроводников были приведены в патенте Г. Кремера [4]. Примерно в тоже время была составлена «карта мира» гетероструктур с «идеальным» решеточным

согласованием. При этом исследуемые в данной работе материалы в нее не вошли, однако попытки создать и использовать для получения экситонного газа гетеросистему на основе халькогенида свинца и европия уже предпринимались, но не были исследованы теоретически, что и будет проделано в данной работе.
Ферромагнитный моносульфид европия и парамагнитный моносульфид свинца характеризуются простыми кристаллическими структурами (типа №С1), рассогласованием постоянных решеток менее 0,17% и общим анионом 8, что, как говорилось выше, является необходимым при создании «идеальных» гетероструктур. Обладая большой разницей ширин запрещенных зон, данные материалы реализуют на гетеропереходе скачек дна зоны проводимости порядка 2,9 эВ, что позволяет в гетеросистемах на их основе создавать глубокие квантовые ямы. Поэтому уже сейчас с большой долей уверенности можно сказать, что указанные системы будут использоваться в каскадных лазерах, в которых излучение возникает в результате внутризонных переходов электронов между уровнями квантовых ям [5-7], фотоприемниках далекого инфракрасного излучения, работающих на эффекте фотопроводимости, обусловленной фотопереходами электронов из квантовых ям сверхрешетки в непрерывный спектр [8], детекторах, транзисторах и эмиттерах ИК-диапазона.
Интерес к халькогениду европия впервые возник в связи с открытием в нем ферромагнетизма в 60-х годах XX века. Более того, ЕиБ обладает полупроводниковой проводимостью зонного типа. При низких температурах локализованные магнитные ионы Еи2+ обладают полностью ферромагнитно упорядоченной структурой, что приводит к спиновой поляризации носителей тока.
Из экспериментов по рентгеноструктурному анализу была установлена пространственная группа симметрии и тип кристаллической решетки. В то же время рядом исследовательских групп была определена зонная структура ЕиБ. Основные параметры зонной структуры (ширина Бзоны, величина

1.4.2 Вариационный метод в задачах физики твердого тела
Довольно часто в гетеросистемах возникает необходимость решить задачи по определению концентрации электронов в области гетероперехода или зависимости их распределения от внешних воздействий (магнитного, электрического полей), где использование вышеперечисленных методов малоэффективно или вообще невозможно. В этих случаях, например, теория эффективной массы нарушается, т.к. и пространственное изменение волновой функции, и локализация возмущающего потенциала слишком велики, а вариационные методы более гибки и не имеют таких ограничений, хотя и в них встречаются некоторые затруднения [120].
В сверхрешетках при анализе распределения электронов по минизонам или на гетеропереходе сталкиваются с проблемой вычисления возмущенных собственных функций и возмущенных собственных значений второго и более высоких приближений при помощи общей теории возмущений. Это связано с необходимостью знать все собственные функции и собственные значения невозмущенной системы, что возможно лишь в редких случаях. На основе вариационного метода может быть развит более простой способ теории возмущений.
Рассмотрим гетеропереход, где N электронов находится в потенциальном поле ионных остовов. Оператор гамильтониана невозмущенной системы обозначим через Я0, а потенциальную энергию электронов - и. Пусть цгх,ц/г ц/п - собственные функции невозмущенной системы, соответствующие собственным значениям Е(}, Е/, Еп. Считаем, что возмущение мало и потенциальная энергия изменяется на величину и. Гамильтониан возмущенной системы имеет вид Н = Н0 + и. Тогда для возмущенной собственной функции л/о и возмущенного собственного значения получим
Хо-П (1.4.10)
и=1 Еп