Współczesna fizyka ciała stałego

Transkrypt

1 Współczesna fizyka ciała stałego Struktury półprzewodnikowe o obniżonej wymiarowości studnie kwantowe, druty kwantowe, kropki kwantowe.. fulereny, nanorurki, grafen.

2 Kwantowe efekty rozmiarowe Ograniczenie ruchu w jednym wymiarze Zasada nieoznaczoności: h p x ~ x Dodatkowa energia kinetyczna związana z ograniczeniem przestrzennym elektronu E = ( p) 2 2 h ~ 2 m 2 m x ( ) 2 Dodatkowa energia powinna być większa niż energia termiczna 2m h 2 ( x) 2 > 1 2 k B T x ~ h mk 2 B T Typowy półprzewodnik: m * =0.1m 0 w T=300 K x ~ 5 nm Warunek ten jest równoważny Przyjęciu, że ograniczenie obszaru ruchu jest rzędu długości fali de Broglie x ~ λ = deb h p x Nanotechnologia

3 Studnie kwantowe Przykład struktury III-V (rodzina GaAs) AlGaAs Al x Ga 1-x As E g Γ Substrat GaAs GaAlAs GaAs GaAlAs 0 0,3 X x p.p. Przejścia dozwolone: n e = 2 e2 E g (GaAs) E g (AlGaAs) n e = 1 n h = 1 e1 h1 n=0 n e =n h Z czego wynikają takie reguły wyboru? p.w. n h = 2 h1

4 Niebieska optoelektronika

5 Niebieski laser

6 Reguły wyboru dla przejść w studni kwantowej Przybliżenie dipolowe, badamy element macierzowy przejścia typu M rr =< f ere i amplituda pola elektrycznego światła Rozważamy padanie światła wzdłuż osi z, prostopadłe do płaszczyzny studni (x,y) Wektor polaryzacji światła znajduje się zatem w płaszczyźnie studni, stąd > * M~ < f x i > = ψ xψ d 1 r r r r 1 r r r ψ ( ) ( )exp( ) ( ) ( )exp( ' ' i = uv ϕhn ikxy xy ψ f = uc ϕ ik en V V W przypadku studni kwantowej kierunki x, y są równoważne, a kierunek z jest inny!!! < f x i > =< f y i > < f z i Rozważmy przejście ze stanu dziurowego n h do stanu elektronowego n r e Podobnie jak w przypadku 3D, dla przejść prostych ' Dzięki temu możemy napisać M cv M= M M ' cv nn = * 3 ucxuvd r * M ϕ dz ' nn = ϕ en en f i 3 r > E r r k xy= k xy ' n = n n = 0 ' Decyduje przekrycie funkcji falowych elektronu i dziury!!! Czyli przejścia dozwolone pomiędzy stanami o tej samej symetrii!!! xy r xy )

7 Metody badania struktur kwantowych absorpcja fotoprzewodnictwo luminescencja pobudzanie luminescencji odbicie fotoodbicie, elektroodbicie.

8 Przekład: Kondensacja polaritonów Mikrownęka zwiększenie sprzężenia ekscyton-foton J. Kasprzak et al. Nature 443, 409 (2006)

9 Polaryzacja w stanie nieskondensowanym i skondensowanym J. Kasprzak et al. Nature 443, 409 (2006)

10 Struktury kwantowe II typu nadzieja na realizację kondensatu ekscytonowego

11 Podwójne studnie kwantowe GaAs/AlAs typu-ii 10 nm TA GaAs Γ GaAlAs 2.4 nm AlAs X GaAlAs (arb. units) Intensity LO AlAS TO GaAS X AlAs - Γ GaAs GaAs/AlAs T = 4.2 K B = 0 T Γ GaAs - Γ GaAs Γ GaAs przestrzennie rozdzielone nośniki (długie czasy zaniku) wzbronienie pędowe (elektrony typu X, dziury typu Γ) Energy (ev) Czasy zaniku ~ 2 ms

12 60 Dyfuzja nośników studniach typu II Spatial dimension (µm) a) 720µW Długie czasy życia ekscytony mają czas na wędrówkę Energy (ev) A. Lesiak, et al.

13 Jak zbadać stany wzbudzone układu? Widmo pobudzania luminescencji! Pobudzamy próbkę przy użyciu lasera strojonego. Mierzymy intensywność luminescencji odpowiadającą danej energii pobudzania TA GaAs B = 0 T T =4.2 K Intensity (arb. units) LO AlAS TO GaAS GaAs/AlAs T = 4.2 K B = 0 T X AlAs - Γ GaAs Intensity (a arb. units) 1.743eV eV Γ GaAs - Γ GaAs eV 1.705eV HH LH Energy (ev) Energy (ev) Intensywność świecenia zależy silnie od współczynnika absorpcji dla danej energii pobudzania metoda badania struktury energetycznej systemu!

14 A w polu magnetycznym T = 4.2K Pexc = 2 mw/cm 2 Spot size ~ 1mm 22 T Intensity (ar rb. units) B = 0 T Energy (ev)

15 µpl setup SPECTROMETER CCD L 1 L 2 BEAM SPLITTER L 3 LASER REFLECTING OBJECTIVE SAMPLE CRIOSTAT

16 Widma mikroluminescencji (µ - PL) GaAs/AlAs GaAs/GaAlAs µ-pl µ-pl T = 4.2K B = 0T XX XX X Γ Γ PL Inten nsity (arb. units) Bulk GaAs XX X X XX X LO GaAs LOAlAs TA GaAs X AlAs -Γ GaAs XX X Energy (ev) Kompleksy ekscytonowe B. Piętka, Praca Doktorska (2007)

17 Mapowanie µ -PL Widma mierzone w różnych miejscach na próbce y (µm) exciton - X X-XX x (µm) µ - PL Intensity XX X X-XX : meV Y (µm) biexciton - XX Energy (ev) P exc ~0.2µW W próbce uformowały się kropki kwantowe! X (µm)

18 Jak hodujemy kropki kwantowe?

19 Samorganizujące się kropki kwantowe a GaAs InAs d GaAs GaAs 50 nm GaAs bgaas Kropki kwantowe powstają z materiału o stałej sieci różniącej się od stałej sieci matrycy e InGaAs QDs GaAs 20 nm GaAs c 20 nm GaAs InGaAs GaAs InGaAs QDs GaAs f GaAs 50 nm GaAs InGaAs 5 nm GaAs 5 nm

20 Fotoluminescencja Ec Ev & 0T p d s WL Energy [ev] #2138RTA900 Kropki kwantowe sztuczne atomy? PL- Adam Babiński et al.

21 s-shell p-shell d-shell 193 W/cm 2 x0.5 Lumine escence x W/cm 2 x W/cm 2 52 W/cm 2 x0.5 5X* 1 5X1 105 W/cm 2 3X 1s 38 W/cm 2 4X 1 16 W/cm 2 x10 1 W/cm 2 x10 2X* 1 3X X 0 2X 1 X 1 Energy [ev] µpl- Adam Babiński et al.

22 Pole magnetyczne modyfikuje funkcje falowe -daje możliwość identyfikacji stanów (efekty orbitalne, efekty spinowe) Energy [ev] Magnetic Field [T] µpl- Adam Babiński et al.

23 Żeby badać pojedyncze kropki mesy, maski, struktury z niską gęstością kropek kwantowych

24 Kropki kwantowe GaN/AlGaN Wzrost K. Pakuła, AFM - Rafał Bożek, IFD UW

25 GaN/AlGaN QDs T = 4.2K macro-luminescence x 10 PL Intensity micro-luminescence 3,20 3,25 3,30 3,35 3,40 3,45 3,50 3,55 Energy (ev) PL, µpl- Barbara Chwalisz et al.

26

27 Katarzyna Surowiecka, Uni. Ulm

28 Katodoluminescencja można wybrać bardzo małe obiekty i oglądać widma świecenia 80 góra krystalitu bok krystalitu (arb. units) CL Intensity podłoże obok krystalitu 0 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 Energy (ev)

29 Zmiany intensywności i energii emisji E= 7meV time 100 X 16s PL intensity (arb. units) time E=7meV Energy (ev) time 100 X 16s K. Surowiecka (2005) Lokalne fluktuacje pola Elektrycznego powodują fluktuacje Intensywności i energii emisji kropek!

30 Nanotechnologia może sprawić, że węgiel zaświeci? Nanorurki. J. Lefebvre et al. PRL, 90, (2003)

31 Lampy elektronowe

32 Pierwsze tranzystory Julius Edgar Lilienfeld (ur. we Lwowie) tranzystor polowy Kanada, 1925 Pierwszy tranzystor, ostrzowy germanowy był wielkości dłoni John Bardeen, William Shockley, Walter Brattain (grudzień1947 r. ) Bell Labs, 1948 r. (Nobel 1956)

33 Tranzystor polowy

34 Nanotechnologia Core i7-9xx Extreme Edition (2010) tranzystorów, 2, 4, 8 rdzeni technologia 45 nm 32 nm Zegar max 3,33 GHz 9 warstw Moc ok. 65 W AMD Athlon II X2 B24 (2010) tranzystorów; 2,3,4 rdzenie technologia 45 nm. Zegar max 2,8 3,1 GHz 11 warstw Moc 65 W -140 W

35 Granice miniaturyzacji? Myślimy, że tranzystor jest zbudowany tak. Asen Asenov, Glasgow 25 nm MOSFET Produkcja od 2008 David Williams Hitachi-Cambridge 4,2 nm MOSFET Produkcja???

36 Najszybszy tranzystor na grafenie 300-GHz bramka 140nm Measured small-signal current gain h 21 as a function of frequency f at V ds = 1V. L Liao et al. Nature 467, 305 (2010)

37 IBM pierwszy układ scalony w oparciu o tranzystor z grafenu A) Schemat ideowy układu mieszacza częstotliwości radiowej 10 GHz B) Schemat montażowy Yu-Ming Lin et al., Wafer-Scale Graphene Integrated Circuit 10 JUNE 2011 VOL 332 SCIENCE Brak przerwy energetycznej problem dla grafenowej elektroniki cyfrowej

38 Inne materiały warstwowe Pojedyncze warstwy NbSe 2 on Si/SiO 2 graphite on Si/SiO 2 graphene "big flake" MoS 2 on Si/SiO 2 Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O x on carbon K.S. Novoselov, et al., Two-dimensional atomic crystals, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 102, (2005) K.S. Novoselov and A.K. Geim, The rise of graphene, Nature Materials, 6, 183, (2007)

39 Konkurencję dla grafenu wykujemy ze skał? Tak, jeśli... Prace nad MoS 2 prowadzone są również na Wydziale Fizyki UW

40 MoS 2 - konkurencja dla grafenu Metoda taśmy klejącej dziala! B. Radisavljevic et al., Nature naotechnology (2011)

41 Epitaksja z wiązek molekularnych MBE Molecular beam epitaxy Alfred Yi Cho ojciec MBE

42 MBE zasadnicze elementy źródła wycelowane w podłoże przesłony źródeł niezależne grzałki źródeł i podłoża wysoka próżnia

43 MBE zasadnicze elementy

44 MBE zasadnicze elementy Dyfrakcja elektronów Frank Tsui, University of North Carolina

45 Oscylacje RHEED pascal-co-ltd.co.jp

46 Istotne cechy techniki MBE - stosunkowo niskie temperatury wzrostu - możliwości kontroli wzrostu przy pomocy RHEED, próżniomierzy, spektroskopii optycznej - ultra wysoka próżnia (UHV) T. Słupiński

47 Po co UHV -ultra wysoka próżnia? UHV: p < 10-9 Tr 760 Torów (Tr, mmhg) to 1 atmosfera 1 Tr = 1 mmhg = 133,32 Pa Droga swobodna atomów od źródła do podłoża (ale dla p = 10-9 Tr droga swobodna to aż 50 km) Czystość warstw to jest zasadniczy powód pompowania

48 MBE historia podwyższania ruchliwości elektronów L. Pfeiffer, K.W. West / Physica E 20 (2003) 57

49 Hodowanie próżni Wielostopniowe wprowadzanie podłoży do komory wzrostu Wygrzewanie

50 Warstwy epitaksjalne - supersieci Struktury: J.G. Rouset, W. Pacuski, Uniwersytet Warszawski Zdjęcia: Magdalena Parlinska-Wojtan Uniwersytet Rzeszowski

51 Solotronika -elektronika oparta na pojedynczych atomach Kropka kwantowa z pojedynczym jonem magnetycznym Laboratorium Epitaksji z Wiązek Molekularnych (MBE)

52 Cele solotroniki: Zapis Przetwarzanie Przesyłanie Odczyt informacji przy użyciu pojedynczych domieszek i defektów w półprzewodnikach. Tranzystory i pamięci na jednym atomie, oraz elementy komputera kwantowego. Sterowanie właściwościami Elektrycznymi Optycznymi Magnetycznymi pojedynczych domieszek

53 Nasza tegoroczna praca Pierwsza optyczna obserwacja pojedynczego jonu kobaltu w kropce kwantowej Wydłużenie czasu pamięci opartej na pojedynczym jonie magnetycznym

54 Wzrost kropek kwantowych CdTe + Co lub Mn Nowe MBE na Wydziale Fizyki UW (w budynku warsztatów IFD)

55 Wzrost kropek kwantowych ZnSe CdSe + Mn ZnSe Nowe MBE na Wydziale Fizyki UW (w budynku warsztatów IFD)

56 Kropki kwantowe ZnTe Zdjęcie TEM - J. Borysiuk CdTe CdTe 1 cm 4.5 cm 2.5 cm Rozdzielczość przestrzenna mikroskopu <1µm

57 Widma fotoluminescencji kropki kwantowa z pojedynczym jonem magnetycznym e + h = X a) X Bez jonu magnety cznego PL (arb b. units) b) X+Co c) X+Mn Relative energy (mev) Co 2+ Kobak et al., Nature Communications (2014) Mn 2+ Besombes et al., PRL (2004) Kobak et al., Nature Communications (2014)

58 Mikrostruktura i kropka z 1 jonem Mn