Przejścia optyczne w strukturach niskowymiarowych

Podobne dokumenty
Wprowadzenie do struktur niskowymiarowych

Wprowadzenie do ekscytonów

Krawędź absorpcji podstawowej

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Absorpcja związana z defektami kryształu

Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych

Przejścia promieniste

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Spektroskopia modulacyjna

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

Podczerwień bliska: cm -1 (0,7-2,5 µm) Podczerwień właściwa: cm -1 (2,5-14,3 µm) Podczerwień daleka: cm -1 (14,3-50 µm)

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

Kwantowa natura promieniowania

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

II. WYBRANE LASERY. BERNARD ZIĘTEK IF UMK /~bezet

Metody symulacji w nanotechnologii

Własności jąder w stanie podstawowym

Modele kp wprowadzenie

Repeta z wykładu nr 11. Detekcja światła. Fluorescencja. Eksperyment optyczny. Sebastian Maćkowski

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego i Fermiego

Teoria pasmowa ciał stałych

Atomy w zewnętrznym polu magnetycznym i elektrycznym

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

na dnie (lub w szczycie) pasma pasmo jest paraboliczne, ale masa wyznaczona z krzywizny niekoniecznie = m 0

Studnia kwantowa. Optyka nanostruktur. Studnia kwantowa. Gęstość stanów. Sebastian Maćkowski

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

Numeryczne rozwiązanie równania Schrodingera

Informacje wstępne. Witamy serdecznie wszystkich uczestników na pierwszym etapie konkursu.

Studnia skończona. Heterostruktury półprzewodnikowe studnie kwantowe (cd) Heterostruktury mogą mieć różne masy efektywne w różnych obszarach:

Stara i nowa teoria kwantowa

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Pomiary widm fotoluminescencji

Atomowa budowa materii

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.2, Optyka, termodynamika, fale / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7. Warszawa, 2014.

Model oscylatorów tłumionych

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Stany skupienia materii

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

gęstością prawdopodobieństwa

Co to jest kropka kwantowa? Kropki kwantowe - część I otrzymywanie. Co to jest ekscyton? Co to jest ekscyton? e πε. E = n. Sebastian Maćkowski

WYKŁAD NR 3 OPIS DRGAŃ NORMALNYCH UJĘCIE KLASYCZNE I KWANTOWE.

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

WYKŁAD 15. Gęstość stanów Zastosowanie: oscylatory kwantowe (ª bosony bezmasowe) Formalizm dla nieoddziaływujących cząstek Bosego lub Fermiego

WYKŁAD 2 Podstawy spektroskopii wibracyjnej, model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego. Częstość oscylacji a struktura molekuły Prof. dr hab.

Nanostruktury i nanotechnologie

Zespolona funkcja dielektryczna metalu

Rezonatory ze zwierciadłem Bragga

Równanie falowe Schrödingera ( ) ( ) Prostokątna studnia potencjału o skończonej głębokości. i 2 =-1 jednostka urojona. Ψ t. V x.

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

VI. Elementy techniki, lasery

obrotów. Funkcje falowe cząstki ze spinem - spinory. Wykład II.3 29 Pierwsza konwencja Condona-Shortley a

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

Wykład Budowa atomu 2

Elektryczne własności ciał stałych

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Liczby kwantowe elektronu w atomie wodoru

II.6 Atomy w zewnętrznym polu magnetycznym

Model uogólniony jądra atomowego

Podstawowe własności jąder atomowych

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

III.1 Atom helu i zakaz Pauliego. Atomy wieloelektronowe. Układ okresowy

Promieniowanie rentgenowskie. Podstawowe pojęcia krystalograficzne

Spis treści. Przedmowa redaktora do wydania czwartego 11

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

Wykład Atom o wielu elektronach Laser Rezonans magnetyczny

Wykład Budowa atomu 3

UMO-2011/01/B/ST7/06234

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

ĆWICZENIE Nr 4 LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników POLITECHNIKA ŁÓDZKA

III.3 Emisja wymuszona. Lasery

IX. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE Janusz Adamowski

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

II.3 Atom helu i zakaz Pauliego. Atomy wieloelektronowe. Układ okresowy

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

Podstawowe właściwości fizyczne półprzewodników WYKŁAD 1 SMK J. Hennel: Podstawy elektroniki półprzewodnikowej, WNT, W-wa 2003

Atomy mają moment pędu

Statystyki kwantowe. P. F. Góra

II.4 Kwantowy moment pędu i kwantowy moment magnetyczny w modelu wektorowym

Niższy wiersz tabeli służy do wpisywania odpowiedzi poprawionych; odpowiedź błędną należy skreślić. a b c d a b c d a b c d a b c d

Metody analizy pierwiastków z zastosowaniem wtórnego promieniowania rentgenowskiego. XRF, SRIXE, PIXE, SEM (EPMA)

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Nieskończona jednowymiarowa studnia potencjału

Wzrost pseudomorficzny. Optyka nanostruktur. Mody wzrostu. Ekscyton. Sebastian Maćkowski

Transkrypt:

Współczynnik absorpcji w układzie dwuwymiarowym można opisać wyrażeniem: E E gdzie i oraz f są energiami stanu początkowego i końcowego elektronu, zapełnienie tych stanów opisane jest funkcją rozkładu f 0 E, natomiast jest wektorem polaryzacji światła o częstości. ε Prawdopodobieństwo przejścia optycznego w przybliżeniu dipolowym, można opisać za pomocą elementu macierzowego operatora pędu: gdzie stan początkowy i końcowy w układzie dwuwymiarowym opisany jest funkcją falową postaci: u r gdzie jest funkcją falową Blocha, a jest funkcją obwiedni elektronu w kierunku. z f z

W układach niskowymiarowych mogą zachodzić przejścia optyczne w obrębie tego samego pasma (między skwantowanymi podpasmami pasma przewodnictwa lub walencyjnego). Gdy funkcje Blocha stanu początkowego i końcowego są identyczne (to samo pasmo), przejścia (wewnątrzpasmowe) dozwolone są jedynie, gdy składowa polaryzacji z jest różna od zera, tzn. promieniowanie nie pada w kierunku normalnym do powierzchni struktury (studni kwantowej). Wówczas ta składowa polaryzacji opisana jest za pomocą: W strukturach symetrycznych funkcje obwiedni mają określoną parzystość:, zatem całka będzie różna od zera jedynie dla przejść wewnątrzpasmowych o przeciwnej parzystości. W strukturach asymetrycznych występują przejścia między wszystkimi podpasmami.

Dla przejść międzypasmowych funkcje Blocha stanu początkowego i końcowego są różne - wówczas: Analiza elementu macierzowego pozwala na otrzymanie polaryzacyjnych reguł wyboru dla przejść międzypasmowych (QW, ): k 0

Intensywność przejść ciężkodziurowych (HH n E m ) jest większa od intensywności przejść lekkodziurowych (LH n E m ). Przejścia ciężkodziurowe wywoływane są jedynie przez składowe fali elektromagnetycznej drgające w płaszczyźnie studni. Dla większych wartości wektora falowego, dozwolone mogą stać się przejścia zabronione dla. k 0 Z obecności w wyrażeniu na całki przekrycia: wynikają kolejne reguły wyboru. Jest ona różna od zera jedynie dla jednakowych parzystości funkcji oraz. Zatem w układach symetrycznych dozwolone są tylko przejścia, dla których suma n i m jest liczbą parzystą.

Dla studni prostokątnych najsilniejsze będą przejścia, dla których n = m. Schemat poziomów w studni kwantowej z zaznaczonymi głównymi przejściami optycznymi:

Obok: schemat wielokrotnej studni kwantowej I typu oraz II typu. W studniach kwantowych I typu (elektrony i dziury związane są w tej samej warstwie) całka przekrycia osiąga największe wartości. W studniach kwantowych II typu dozwolone są przejścia między dowolnymi podpasmami (struktura asymetryczna), ale przestrzenna separacja nośników zmniejsza istotnie całkę przekrycia (znacznie mniejsza intensywność przejść). Na skutek kwantowania poziomów, przejście podstawowe w studni ma zawsze większą energię od materiału, z którego wykonana jest studnia.

Nośniki (funkcje falowe) mogą wnikać w barierę wnikanie jest większe dla: - lekkich cząstek (mała masa efektywna) - wyższych stanów (efektywnie niższa bariera) - bardzo wąskich studni kwantowych Nawet w bardzo płytkiej studni kwantowej związany będzie co najmniej jeden stan (jeżeli ponad studnią znajduje się kontinuum stanów). Zmniejszenie symetrii w studni kwantowej (w porównaniu z litym kryształem) powoduje mieszanie pasm ciężkich i lekkich dziur => funkcje falowe stają się kombinacjami liniowymi funkcji o różnej symetrii => zmiana parzystości i reguł wyboru. Pojedyncza studnia kwantowa na pierwszym podpaśmie (poziomie) absorbuje ok. 1 % padającego promieniowania. Zatem do bezpośredniego pomiaru absorpcji konieczne jest wykorzystanie struktury z wieloma studniami kwantowymi.

W celu wzmocnienia absorpcji (lub emisji), wielkorotne studnie muszą być odseparowane od siebie. Zmniejszanie grubości bariery w podwójnej studni kwantowej: Umieszczenie wielu studni kwantowych oddzielonych względnie cienką barierą prowadzi do powstania minipasm i struktury nazywanej supersiecią. Obok: funkcja gęstości stanów supersieci dla pierwszego minipasma. Szerokość minipasm zależy od grubości bariery oraz od czynników wpływających na wnikanie nośników w barierę.

Widma absorpcji studni kwantowej GaAs/AlGaAs o różnej grunbości (T = 2 K): Brak kwantowania poziomów w najszerszej studni.

Widma fotoluminescencji zespołu studni kwantowych InGaAs/InP o różnej grubości warstwy InGaAs (T = 2 K): Znajomość energii stanu podstawowego pozwala określić szerokość studni.

dziury elektrony Przejścia optyczne W przypadku kropek kwantowych szczególnego znaczenia nabiera całka przekrycia, która będzie zależała m.in. od materiału kropki kwantowej oraz od jej geometrii brak ogólnych reguł wyboru. Schemat kropki kwantowej GaN/AlN i obliczone teoretycznie funkcje falowe: s p d

Najprostszym podejściem do obliczeń struktury energetycznej kropki kwantowej jest przybliżenie potencjału wewnątrz kropki potencjałem parabolicznym (kwadratowa zależność od odległości). Dwuwymiarowy anizotropowy oscylator harmoniczny: x y Deformacja opisana jest przez, gdzie oraz. x Obok: wpływ deformacji na stany jednocząstkowe dwuwymiarowego anizotropowego oscylatora harmonicznego Deformacja ( 1) powoduje znoszenie degeneracji. y

Schemat obsadzenia poziomów w kropce kwantowej (oscylator harmoniczny): E 6 4 2 s d p Stan podstawowy: s (X, XX), stany wzbudzone: p, d,... Degeneracja: 2n gdzie n 1, 2, 3,... Podwójna degeneracja w stanie s ze względu na spin. W stanach p, d,... możliwe jest obsadzenie więcej niż dwoma fermionami jednocześnie na skutek dodatkowej degeneracji poprzez moment pędu.

Przykłady kompleksów ekscytonowych w kropce kwantowej: X X - X + XX XX - Schemat energii wiązania ekscytonu: energia wiązania XX 2X XX X 0

Na skutek anizotropowego oddziaływania wymiany stan ekscytonowy ulega rozszczepieniu: XX fss X Obok: emisja ekscytonowa (X) i biekscytonowa (X 2 ) w kropce kwantowej InAs dla struktur o różnym czasie wygrzewania dla dwóch różnych polaryzacji (H pozioma, V pionowa) 0