Спектроскопия квантовых точек СaAs, внедренных в нанонити AlGaAs тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Кац, Владимир Наумович

• Кац, Владимир Наумович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Кац, Владимир Наумович

Оглавление

Введение

Глава 1. Актуальные работы, посвященные выращиванию и исследованию нанонитей

1.1. Физические свойства нанонитей

1.1.1. Рост нанонитей на активированных поверхностях

1.1.2. Кристаллическая структура нанонитей

1.1.3 Потенциальный профиль нанонити, содержащей сегменты различной кристаллической структуры

1.2 Исследования свойств нанонитей оптическими методами

1.2.1 Фотолюминесценция и микрофотолюминесценция

1.2.2 Квантовые точки, встроенные в нанонити во внешнем электрическом поле

1.2.3 Галерея шепчущих мод в нанонитях

Глава 2. Фотолюминесценция массива квантовых точек СаАэ в нанонитях АЮаАэ

2.1 Описание эксперимента и исследуемых образцов

2.2 Влияние неоднородности массива нанонитей на спектры фотолюминесценции

2.3 Однородный массив нанонитей

2.4 Кристаллическая структура квантовых точек в нанонитях

Выводы к главе 2

Глава 3. Спектры возбуждения фотолюминесценции от одиночной квантовой точки

3.1 Описание экспериментальной установки

3.2 Учет механических напряжений в структуре квантовая точка/нанонить

3.3 Расчет положения возбужденных состояний дырки в квантовой точке

Выводы к главе 3

Глава 4. Оптические свойства одиночных ОаАз квантовых точек внедренных в АЮаАв нанонити

4.1.1 Исследование микро фотолюминесценции из одиночной точки в нанонити в продольном магнитном поле

4.1.2 Оптические свойства квантовых точек в продольном магнитном поле

4.2.1 Явление спектральной диффузии

4.2.2 Динамическое уширение спектра одиночной КТ ОаАв в нанонити АЮаАв

Глава 5. Поляризованная фотолюминесценция одиночной квантовой точки и нанонити

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спектроскопия квантовых точек СaAs, внедренных в нанонити AlGaAs»

Введение

Долгое время считалось, что понижение размерности физической системы не приводит к проявлению новых явлений. Напротив, существовало мнение, что понижение размерности, уменьшает число степеней свободы и соответственно уменьшает разнообразие возможных явлений.

В 1980-м году был открыт квантовый эффект Холла в двумерных полупроводниковых структурах. Это открытие резко изменило представление о двумерных структурах, как о малоперспективных объектах. Оказалось, что приуменьшении размерности от объемных материалов к двумерным наблюдаются совершенно новые, неожиданные явления, не имеющие аналогов в объемном кристалле. В последние десятилетия главным объектом исследования в области физики полупроводников стали именно системы с пониженной размерностью: квантовые ямы, квантовые нити и квантовые точки (КТ).

К настоящему времени накоплен большой объем знаний о свойствах квазидвумерных систем, таких как квантовые ямы (хотя и здесь обнаруживаются «белые пятна», например, графен). Технология изготовления квантовых ям хорошо разработана. Метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МВБ), предложенный в конце 60-х годов Дж. Р. Артуром и Альфредом Чо, позволяет создавать высококачественные квазидвумерные (квантовые ямы и сверхрешетки) и квазинульмерные (КТ) полупроводниковые структуры. Многочисленные исследования привели к обнаружению в них ряда новых физических явлений, уже нашедших применение в оптоэлектронных приборах. Однако, возможность создания квазиодномерных структур приемлемого качества появилась только в последние несколько лет. Интерес исследователей во всем мире сейчас постепенно перемещается в сторону исследования именно квазиодномерных кристаллов - квантовых нитей.

Несмотря на то, что квантовые нити занимают промежуточное положение между квантовыми ямами и квантовыми точками (КТ), которые уже достаточно

детально изучены, свойства нитей известны в гораздо меньшей степени. Были попытки выращивания нитей на фасетированных поверхностях [1, 2], в V-образных канавках [3 - 5], на Т-образных структурах с квантовыми ямами [6, 7], однако все эти попытки окончились неудачей. Структуры приемлемого качества с хорошей воспроизводимостью вырастить так и не удалось. Совсем недавно, появились идеи выращивания квантовых нитей с помощью катализатора методом МВБ. В основе этой технологии выращивания полупроводниковых квантовых нитей лежит вертикальный эпитаксиальный рост на поверхности полупроводника, покрытой металлическими каплями нанометрового размера, играющими роль катализатора роста. Скорость роста материала, находящегося под каплей, в десятки раз превосходит скорость роста па остальной поверхности подложки. В результате этого на поверхности подложки возникают столбики нанометрового диаметра высотой порядка микрометра.

Актуальность проблемы

Исследования квазидвумерных полупроводниковых гетероструктур началось в начале 80-х годов. К настоящему времени планарные структуры с квантовыми ямами исследованы достаточно детально. Квазинульмерные структуры с КТ появились только 15 лет назад и исследованы не столь подробно, хотя и довольно широко. Несмотря па возрастающий интерес к квазиодномерным структурам с квантовыми нитями, в этом направлении все еще остается много неразрешенных вопросов. До последнего времени удовлетворительной технологии получения таких структур не существовало. Совсем недавно, менее 7 лет назад, на основе МВБ появился метод выращивания структур с квантовыми нитями с использованием металлического катализатора. За несколько лет технология изготовления таких структур была значительно усовершенствована, и появилась возможность получать такие структуры приемлемого качества для фундаментальных исследований. В настоящее время изготовление и исследование

структур с квантовыми нитями является быстро развивающейся областью физики полупроводниковых наноструктур. Наблюдается «взрывной» характер роста числа публикаций на эту тему. На международных конференциях появились отдельные секции, посвященные физике полупроводниковых квантовых нитей.

Квазиодномерные нанонити на основе йаАз обладают уникальными оптическими свойствами. Современный уровень развития метода каталитического МВЕ-роста, который продолжает активно развиваться, позволяет получать образцы высокого качества. В частности, отработана методика формирования внутри одиночных нанонитей одной или несколько КТ геометрически правильной формы (правильная шестиугольная призма). КТ, выращенные внутри нанонитей, имеют ряд преимуществ перед самоорганизованными КТ - это значительно больший квантовый выход ФЛ и наличие естественных электрических контактов. Последнее свойство позволяет исследовать электрооптические свойства КТ. Такая система способна стать источником, так называемых запутанных фотонов, что может быть использовано в криптографии и квантовых вычислениях. По этой причине оптические исследования нанонитей со встроенными в них КТ актуальны как с точки зрения фундаментальной науки, так и для технических приложений.

Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование методами оптической спектроскопии квазиодномерных систем - квантовых нитей и гибридных наноструктур на их основе, а также их оптическая характеризация с целью усовершенствования технологии изготовления. Наряду с характеризацией структур с квантовыми нитями задачей работы является поиск новых физических явлений и закономерностей, характерных для таких структур, исследование экситонных состояний в КТ.

Защищаемые научные положения

1. Оптимальная температура подложки для получения однородного по размерам и кристаллической структуре массива квантовых нитей на основе Alo.3Gao.7As, лежит в окрестности значения 580С.

2. КТ GaAs, выращенные при температуре 580С внутри нанонитей AlGaAs, содержащих сегменты со структурой вюрцита и цинковой обманки, как правило, имеют структуру цинковой обманки, при этом окружающие точку барьеры имеют структуру вюрцита.

3. Линии, наблюдаемые в спектрах возбуждения фотолюминесценции КТ, встроенной в одиночную нанонить, соответствуют переходам между основным состоянием размерного квантования электрона и возбужденными состояниями размерного квантования дырки в плоскости (111).

4. Фактор спектроскопического расщепления экситонного уровня (g-фактор) в КТ GaAs, встроенных в нанонить, по модулю равен единице.

5. Аномально большая (2.5 мэВ) наблюдаемая ширина линии излучения экситона из одиночной КТ объясняется тем, что энергетическое положение узкой (0.2 мэВ) линии излучения экситона меняется скачкообразно во времени. Эти скачки объясняются изменениями в состоянии «окружающей точку среды».

6. Причиной значительной линейной поляризации излучения в спектрах фотолюминесценции одиночной КТ, встроенной в нанонить, в направлении [111] является неаксиальное расположение КТ внутри нанонити.

Научная новизна и практическая ценность

Новизна и практическая значимость определяются новизной результатов, полученных в данной работе. Перечислим некоторые из них:

1). По результатам анализа спектров фотолюминесценции большого набора образцов, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии, удалось определить оптимальные параметры роста, при которых удается получить однородный массив нанонитей AlGaAs.

2). Установлено, что нанонити, выращенные в направлении (111), могут кристаллизоваться как в структуре цинковой обманки, так и в структуре вюрцита, причем условия образования той или иной структуры для GaAs и AlGaAs не совпадают. В результате анализа спектров фотолюминесценции определена кристаллическая структура КТ GaAs, находящейся внутри нанонити AlGaAs, и кристаллическая структура окружающих ее барьеров.

3). Обнаружено, что ширина линии фотолюминесценции экситона из одиночной КТ необычно велика и проанализированы причины этого. Обнаружен новый вид динамического уширения линии люминесценции, связанный с ее скачкообразными сдвигами между несколькими дискретными состояниями.

4). Впервые наблюдались спектры возбуждения фотолюминесценции от одиночной КТ, встроенной в одиночную нанонить. Объяснено происхождение

всех наблюдаемых в спектрах линий. Эти линии связаны с переходами между возбужденными состояниями дырки и основным состоянием размерного квантования электрона.

5). Обнаружено, что сигнал фотолюминесценции от одиночной KT в направлении (111) линейно поляризован. Это объяснено неаксиальным расположением точки внутри нанонити.

Работа над диссертацией была поддержана:

1). Грантом Отделения Физических Наук РАН: «Электронные корреляции в системах с сильным взаимодействием» Проект: «Многоэлектронные эффекты в полупроводниковых ианонитях»

2). Грантом СПбГУ № 11.37.646.2013 «Квантовые нити и структуры на их основе - новый материал для физики полупроводников и твердотельной электроники»

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались на многочисленных международных конференциях (XVI Международный симпозиум «Нанофизика и Наноэлектроника», 2012, Нижний Новгород, Россия; 7th International Conference on Quantum Dots ,2012, Santa Fe, New Mexico, USA; ICPS 2012 - 31st International Conference on the Physics of Semiconductors, 2012, Zurich, Switzerland; XI российская конференция по физике полупроводников 2013 Санкт-Петербург, Россия; The 16th International Conference on II-VI Compound and Related Materials (II-VI 2013), Нагахама, Япония; Международная конференция ICON 2013, Аннеси, Франция; 8th International Conference on Quantum Dots, 2014, Пиза, Италия), на научных семинарах кафедры физики твердого тела СПбГУ, на семинарах лаборатории Спектроскопии Твердого Тела и лаборатории Физики Ферроиков Физико-Технического Института им. А.Ф. Иоффе РАН.

Публикации

По теме работы опубликовано б статей в рецензируемых журналах из списка ВАК, список статей приведен в конце диссертации. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы из 50 наименований, она содержит 89 страниц текста, включая 31 рисунок.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность и новизна темы исследования, сформулированы основные цели работы и положения, выносимые на защиту, обоснована практическая ценность работы и кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава посвящена обзору существующих методов выращивания панонитей, показано влияние основных параметров роста на кристаллические свойства нанопитей. Во второй части представлены наиболее перспективные направления исследований панонитей.

Во второй главе рассматриваются оптические свойства массивов нанонитей с внедренными в них КТ. Оптическими методами установлена кристаллическая структура КТ, находящейся в полиморфной нанонити.

В третьей главе представлены результаты исследований одиночных нанонитей с помощью спектров возбуждения ФЛ. Приведены расчеты энергетических состояний экситона, произведено сравнение с экспериментом. Четвертая глава посвящена описанию оптических и магнитооптических свойств нанонитей, определен g-фaктop экситона в КТ. Во второй части главы описано и интерпретировано динамическое уширение линии в спектре ФЛ экситонов в КТ. Пятая глава содержит исследование линейной поляризации ФЛ экситона из КТ, встроенной в нанонить.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

Глава 1. Актуальные работы, посвященные выращиванию и

исследованию нанонитей

1.1. Физические свойства нанонитей

В первой части данной главы дано описание исследуемого класса одномерных нанокристаллов, кратко изложена технология их выращивания, а также показано существенное влияние параметров роста на кристаллическую структуру нанонити. Вторая часть главы посвящена описанию некоторых современных работ, в которых используются оптические свойства нанонитей, а также квантовых точек, внедренных в нанонити. Эти работы демонстрируют, что нанонити являются перспективным объектом исследований и представляют интерес для самых различных приложений. Также здесь дано представление об основном методе исследования нанонитей, использовавшимся в настоящей диссертации.

1.1.1. Рост нанонитей на активированных поверхностях

Впервые каталитический рост был использован Вагнером и Эллисом в 1964 году при получении нитевидных кристаллов кремния. Характерный диаметр нитей составлял несколько микрон. В этих работах в качестве катализатора использовалось золото [8]. Процедуру роста нитей можно было разбить на четыре этапа [8, 9], эти этапы имеют место и при выращивании современных нанонитей. На первом этапе происходит нанесение буферного слоя материала (например, или ваАз) на поверхность для выравнивания ее возможных неоднородностей. На

втором этапе на буферный слой наносится катализатор роста, обычно это золото, индий или кремний. Для образцов, исследуемых в данной работе, наносился слой золота толщиной I им. На третьем этапе поверхность разогревают до температуры выше точки эвтектики, при которой возможно образование капель жидкого раствора материала нитей и катализатора (Аи-81, Аи-ва), на четвертом этапе производят нанесение материала самих нитей методом газофазной эпитаксии или молекулярно-пучковой эпитаксии. Благодаря наличию катализатора, рост под каплей происходит во много раз быстрее, чем на свободной части поверхности.

Для объяснения механизма формирования нитевидных кристаллов на активированных поверхностях Вагнером и Эллисом был предложен механизм роста «пар - жидкос ть - кристалл». Важным параметром такого роста является то, что естественный эпитаксиальный рост должен быть достаточно медленным. Для этого папонити растят на поверхности, для которой естественный рост наименее эффективен, например, для ОаАэ это поверхность [111В]. Важно также и то, что в этом направлении кристаллы ОаАэ растут перпендикулярно подложке.

Увеличение концентрации вещества материала на поверхности капли после начала МВЕ-роста приводит к тому, что раствор становится пересыщенным и кристаллизуется на поверхности подложки под каплей. Таким образом, под каплей формируется кристаллический столбик с латеральным размером, равным диаметру капли, сама капля при этом движется вверх. Рост нанонити по механизму «пар - жидкость - кристалл» схематично изображен на рисунке 1.1.

В 1970-х годах удавалось выращивать нити только с характерным диаметром в несколько микрон, сейчас же, благодаря развитию технологий роста, нанонити являются одномерными квантово-размерными объектами, диаметром порядка десяти нанометров, обладающими уникальными транспортными и оптическими свойствами [9, 10-13]. Структурные параметры нанонитей, обладающих малым латеральным размером, меньше 50 нм, большими (10-100) отношениями высоты к диаметру, высокой поверхностной плотностью

электронных состояний (до 1010см~2) позволяют использовать их, например, в качестве многоострийных катодов, зондов для атомно-силовых микроскопов, для химического анализа газов и жидкостей, в биосенсорах детектирующих вирусы и т.д. [14].

Морфология ансамбля нанонитей зависит от начального распределения капель по размерам и от условий роста. Например, в методе молекулярно-иучковой эпитаксии, на поверхности, активированной слоем золота, структурные свойства нанонитей определяются толщиной слоя золота (ёли) и методом его разогрева, температурой поверхности при эпитаксиальном росте (Т), скоростью осаждения (V) и эффективной толщиной осаждения (Н) (рисунок 1.2). Два примера ансамблей нанонитей на основе ОзАб, выращенных на поверхности ваАз (111)В, активированной золотом, приведены на рисунках 1.2 и 1.3. Чем больше диаметр нити, тем быстрее происходит се рост.

а

нанонити

12 3 4

б

Рисунок 1.1 а) Схема формирования нанонитей каталитическим МВЕ-методом

1 - нанесение буферного слоя

2 - нанесение металлической пленки (Аи или ва)

3 - формирование капель катализатора из материала пленки и буферного слоя

4 - МВЕ-рост нанонитей

б)-ОаАБ нанонить, выращенная методом молекулярно-пучковой эпитаксии на поверхности ОаА8(111)В, активированной Аи

Рисунок 1.2. Изображение СаАз нанонитей на поверхности СаАз(1П)В, полученное методом электронной микроскопии. Рост производился методом молекулярно - пучковой эпитаксии при с1Аи = 2 нм (толщина слоя золота), Т=5500С (температура поверхности при эпитаксиальном росте), У=0.5 МС/сек (скорость осаждения) и Н0=500 нм (эффективная толщина осаждения).

Рисунок 1.3. То же, что и на Рис.2 при ёАи=0.6 нм, Т=585°С, У=1 МС/сек и Н=1500 нм.

(В.Г. Дубровский, Теория эгштаксиальных систем)

1.1.2. Кристаллическая структура нанонитей.

Как известно, объемный полупроводник ваАБ имеет структуру цинковой обманки (2В), однако нанонити зачастую формируются в гексагональной фазе вюрцита (WZ). Такое поведение наблюдалось для большинства соединений Ш-У и различных технологий роста. Несмотря на доминирование гексагональной структуры, в полупроводниках часто наблюдаются сегменты со структурой цинковой обманки. Сосуществование двух фаз усложняет изучение нанонитей, и возникает задача понять причины возникновения той или иной фазы, чтобы в дальнейшем научиться контролировать симметрию нанонити.

Следуя работе Ф. Гласа, опубликованной в 2007 году [15], рассмотрим формирование гексагональной кристаллической фазы при росте нанонити на основе кубического полупроводника. В этой работе рассматривается каталитический рост вертикальных нанонитей на основе полупроводников со структурой цинковой обманки, и объясняются причины образования в них вюрцитной фазы или фазы цинковой обманки.

Было показано, что чем меньше диаметр нити, тем менее вероятно формирование ее со структурой цинковой обманки за счет относительно большого вклада в общую энергию боковых поверхностей (в симметрии WZ такой вклад значительно меньше чем в 7Ж). В результате должен существовать критический радиус, выше которого предпочтительным становится формирование фазы цинковой обманки. Однако наблюдаются нанонити в вюрцитной фазе даже с диаметром до 100 нм.

Авторы заметили, что, несмотря на предпочтительность ^ИЪ фазы в ОаАэ нанонитях, в двух стадиях роста систематически образуется фаза ZB. Изображения, полученные на сканирующем электронном микроскопе, показывают, что любая нанонить на начальной стадии роста имеет симметрию цинковой обманки. Затем, в процессе роста, фаза резко меняется на гексагональную (рисунок 1.4).

Второй стадией, на которой систематически наблюдалось формирование фазы цинковой обманки, являлся финальный этап роста, когда выключался источник йа при поддержании потока мышьяка. Этот эффект особенно отчетливо наблюдался при выращивании ваАз нитей методом химической эпитаксии.

Обе эти ситуации являются переходными фазами роста, когда перенасыщение Оа в жидкости ва-Аи меньше, чем во время стационарного роста. Перед началом роста, капли золота помещаются на подложку и растворяют в себе частицы ва до установления равновесия, в этом случае перенасыщение равно нулю. Когда начинается рост, растет и перенасыщение до выхода на стационарный режим. Аналогично, когда рост заканчивается, перенасыщение ва в капле падает, так как частицы, использованные для формирования нанонити, не восстанавливаются. Эти наблюдения доказывают, что фаза цинковой обманки систематически формируется, когда перенасыщение в капле меньше некоторого критического значения и, следовательно, вюрцитная фаза требует большего перенасыщения.

Рисунок 1.4. Изображение в сканирующем электронном микроскопе короткой нанонити с высоким разрешением крупным планом зоны перехода между двумя фазами

1.1.3 Потенциальный профиль нанонити, содержащей сегменты различной

кристаллической структуры

В данной части главы рассмотрены оптические свойства полиморфной нанонити на примере работы У. Джапа [16], в которой исследуются ваАз нанонити, содержащие сегменты вюрцитной фазы (\У2) и фазы цинковой обманки (ЪВ). Два массива наионитей, выращенных при различных условиях (при различных соотношениях потоков ба и Аз в методе молекулярно-пучковой эпитаксии), исследовались с помощью микрофотолюминесценции и катодолюминесценции.

Как известно, равновесной модификацией объемного арсенида галлия является фаза Т№>. Однако, при росте в виде нанонити, эти материалы кристаллизуются, частично или преимущественно, в структуре вюрцита. Причины образования вюрцитной фазы заключаются в превышении перенасыщения ва в капле катализатора некоего критического значения и подробно рассмотрены в предыдущей части дайной главы.

В отсутствии контроля над перенасыщением в процессе роста нанонити часто представляют собой смешанные структуры с сегментами 2В и фаз, меняющихся вдоль оси нанонити. Так как эти фазы отличаются друг от друга по ширине запрещенной зоны, то нанонить представляет собой гетероструктуру со сложными оптическими свойствами, интерпретация которых в настоящий момент активно обсуждается.

Из теоретических расчетов известно, что [17, 18], гетерограница \VZ-ZB в ваАэ образует структуру второго типа, в которой валентная зона и зона проводимости в WZ подрешетке выше, чем в ZB. Так как длина диффузии в ваАз относительно велика (порядка 1 мкм), электроны довольно эффективно захватываются в гв - сегментах. Следовательно, наличие в нити даже небольшого числа сегментов ZB симметрии с высокой вероятностью приводит возникновению ФЛ при энергиях ниже ширины запрещенной зоны объемного ОаАБ (гВ).

В работе [16] исследовались образцы с различными параметрами роста, влияющими на перенасыщение йа в капле катализатора. Эксперименты по микрофотолюминесценции и катодолюминесценции позволили обнаружить свидетельства присутствия вюрцитной фазы и фазы цинковой обманки внутри нанонитей. При этом вюрцитная часть напонити, обнаруженная с помощью рамановской спектроскопии, рассредоточена по нанонити сегментами. Количество сегментов с вюрцитной фазой зависело от перенасыщения.

На рисунке 1.5 представлена качественная модель зонной структуры такой нанонити. Из этой схемы видно, что максимально возможное значение энергии люминесценции соответствует и достигается при бесконечно узких

сегментах ЪЪ.

гв гв гв

ш учг \л/г ччг

Рисунок 1.5. Модель зонной структуры полиморфной нанонити. Сверхрешетка второго типа, где электрон локализуется в слое со структурой цинковой обманки, а дырка в слое со структурой вюрцита. Ширина слоев может спонтанно меняться вдоль оси роста нити.

1.2 Исследования свойств нанонитей оптическими методами

1.2.1 Фотолюминесценция и микрофотолюминесценция

Фотолюминесценция (ФЛ) является "холодным" свечением, поэтому за время между возбуждением электрона в зону проводимости и рекомбинацией, при низких температурах, электроны и дырки успевают отрелаксировать по энергии и образовать экситоны. Свободные экситоны - это связанные состояния электронов и дырок, которые являются устойчивыми благодаря кулоновскому взаимодействию и могут свободно перемещаться по кристаллу. Экситон можно рассматривать как квазиатом водорода, при этом, как и в атоме, определенные значения радиусов экситона соответствуют стационарным орбитам частиц.

Излучательная рекомбинация электрона и дырки в экситоне происходит в основном из нижнего по энергии состояния. Таким образом, в ФЛ полупроводников при низких температурах должна наблюдаться линия излучения свободных экситонов, смещенная относительно Её на энергию связи электрона и дырки Е).

При большой концентрации экситоны взаимодействуют друг с другом, и в спектре ФЛ при увеличении оптического возбуждения полупроводника появляются новые линии, соответствующие связанным состояниям двух экситонов (биэкситоны). Образованию биэкситонов в некоторых прямозонных полупроводниках благоприятствует большое различие эффективных масс электронов и дырок, что похоже на ситуацию с образованием Н2 (легкий электрон и тяжелое "ядро" - дырка). Энергия фотона, образующегося при рекомбинации биэкситона, меньше чем при рекомбинации свободных экситонов. Соединению двух экситонов в биэкситон соответствует энергия связи Еь. Когда один экситон в биэкситоне аннигилирует, излучается фотон с энергией Ее - Е1 - Еь и измерение

разности энергий линий свободного экситона и биэкситона позволяет определить

Еь [19].

Для исследования оптических свойств отдельных низкоразмерных объектов, таких как КТ и нанонити необходимо сфокусировать падающий луч в пятно порядка нескольких микрон. Методы, позволяющие этого достигнуть, называются методами микро-фотолюминесценции (микро-ФЛ).

1.2.2 Квантовые точки, встроенные в нанонити во внешнем электрическом

поле

Структура нанонити со встроенной в нее КТ позволяет изучать электрооптические свойства одиночной КТ, используя нанонить в качестве естественных электрических контактов. Это свойство нанонити было использовано в работе М.Ремьера [20].

Данная статья посвящена изучению возможности создания источника "запутанных" фотонов на основе КТ внутри нанонити. Как известно, полупроводниковые КТ способны стать источником "запутанных" фотонных пар, испускаемых биэкситон-экси гонным каскадом из этой точки (рисунок 1.6).

Возможны два пути рекомбинации из состояния биэкситона XX через промежуточные экситонные состояния в основное состояние 0. В общем случае все четыре фотона, излучающиеся в каскаде, имеют разные энергии, энергия анизотропного расщепления промежуточных экситонных состояний в излучательном каскаде передает информацию о пути, по которому излучился фотон, что уничтожает предпосылки для запутывания. Эту проблему можно обойти несколькими способами [21, 22], в том числе устранением анизотропного расщепления или уменьшением энергии связи биэкситона до нуля. В данной работе рассматривается последний метод.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кац, Владимир Наумович, 2015 год

Список литературы

1. R. Notzel. Semiconductor quantum-wire structures directly grown on high-index surfaces. Phys. Rev. B 45, 1992. 3507

2. M. A. Kaliteevski. Exciton polaritons in a cylindrical microcavity with an embedded quantum wire Phys. Rev. B 61, 2000. 13791

3. R. Rinaldi. Exciton binding energy in GaAs V-Shaped quantum wires. Phys. Rev. Lett. 73, 1994. 2899

4. W. Langbein. Optimization of the confinement energy of quantum-wire states in T-shaped GaAs/AlxGal-xAs structures. Phys. Rev. B 54, 1996. 14595

5. E.L. Ivchenko. Quasi-ID electron states in a double quantum well with an H-shaped bridge. Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 58, 1993. 31

6. E.L. Ivchenko. Chirality effects in carbon nanotubes. Phys. Rev. B 66, 2002. 155404

7. C.L. Kane. Size, Shape, and Low Energy Electronic Structure of Carbon Nanotubes. Phys. Rev. Lett. 78, 1997. 1932

8. R.S.Wagner. The vapor-liquid-solid mechanism of crystal growth and its application to silicon. Appl.Phys.Lett. 4, 1964. 89.

9. K.Hiruma. Growth and optical properties of nanometer-scale GaAs and InAs whiskers Appl.Phys. 77, 1995. 447.

10. M.P.Persson. Electronic structure of nanometer-scale GaAs whiskers. Appl.Phys.Lett. 81,2002. 1309.

11. M.T.Bjurk. Optical properties of ultrarough silver films on silicon. Appl.Phys.Lett. 80, 2002. 1058.

12. Y.Arakawa. Tight-binding analysis of energy-band structures in quantum wires. Phys.Rev.B 43, 1991.4732.

13. J.-B.Xia. Quantum confinement effect in thin quantum wires. Phys.Rev.В 55, 1997.15688.

14. V. Dubrovskii. Nucleation theory and growth of nanostructures. - NanoScience and Technology, 2014

15. F. Glas. Why does wurtzite form in nanowires of III-V zinc blende semiconductors? PRL. 2007. 99, 146101

16. U.Jahn Luminescence of GaAs nanowires consisting of wurtzite and zincblende segments Phys. Rev. B, 2012. 85. 045323

17. M. Murayama, Chemical trend of band offsets at wurtzite/zinc-blende heterocrystalline semiconductor interfaces, Phys. Rev. В 49, 4710, 1994.

18. A. De, Predicted band structures of III-V semiconductors in the wurtzite phase, Phys. Rev. В 81, 155210, 2010

19. Агекян В.Ф. Фотолюминесценция полупроводниковых кристаллов, Физика, 2000

20. М. Е. Remier. Electric field induced removal of the biexciton binding energy in a single quantum dot.Nano Lett. 2011, 11, 645-650

21. N. Gisin. Quantum communication technology. Nat. Photonics, 2007, 1, 165-171.

22. O. Benson, Regulated and Entangled Photons from a Single Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 2513-2516.

23. A. Trichet. One-dimensional ZnO exciton polaritons with negligible thermal broadening at room temperature. PHYSICAL REVIEW B, 2011. 83, 041302(R)

24. T. Akiyama. Role of the Au/GaAs(lll) interface on the wurtzite-structure formation during GaAs nanowire growth by a vapor-liquid-solid mechanism. PHYSICAL REVIEW B, 2009. 79, 153406

25. X. Peng, Origination of the direct-indirect band gap transition in strained wurtzite and zinc-blende GaAs nanowires: A first principles study. PHYSICAL REVIEW В 87. 2013, 115308.

26. E. Grilli, High-precision determination of the temperature dependence of the fundamental energy gap in gallium arsenide. Phys. Rev. В 45. 1992, 1638.

27. Jl. Ландау. Квантовая механика, часть 1-я. Москва, ОГИЗ, 1948

28. Y. Benny. Two-photon photoluminescence excitation spectroscopy of single quantum dots. PHYSICAL REVIEW В 84, 2011. 075473.

29. D. Hessman. Excited states of individual quantum dots studied by photoluminescence spectroscopy. Applied Physics Letters 69, 1996. 749.

30. C. Kammerer. Line narrowing in single semiconductor quantum dots: Toward the control of environment effects. PHYSICAL REVIEW В 66, 2002. 041306(R).

31. V. A. Fonoberov, Excitonic properties of strained wurtzite and zinc-blende GaN/AlxGal-xN quantum dots J. Appl. Phys, 2003. 94, 7178

32. I. Vurgaftman, Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys, J. Appl. Phys. 66, 11, 2001. p. 5815-5874

33. R. M. Martin, Relation between Elastic Tensors of Wurtzite and Zinc-Blende Structure Materials Phys. Rev. В 6, 1972, 4546.

34. A. F. Wright, Elastic properties of zinc-blende and wurtzite A1N, GaN, and InN, J. Appl. Phys. 1997. 82, 6.

35. D. Barettin. Model of a GaAs Quantum Dot Embedded in a Polymorph AlGaAs Nanowire. Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of PP. 2013, 19,5.

36. D. Barettin, Computational Methods for Electromechanical Fields in Self-Assembled Quantum Dots , Commun. Comput.Phys., 11, 2012. 797-830.

37. E.L. Ivchenlco, Superlatices and Other Heterostructures. Symmetry and Optical Phenomena. Springer series in solid state sciences; 110. 1997. PP 60-62

38. E.L. Ivchenlco. Superlatices and Other Heterostructures. Symmetry and Optical Phenomena. Springer series in solid state sciences; 110. 1997. PP 86, 87

39. B.M. Галицкий, Задачи по квантовой механике М: Наука, 1981, с.212

40. A.A. Kiselev. Electron g factor in one- and zero-dimensional semiconductor, nanostructures. Phys. Rev. B 58, 16353, 1998.

41. M. J. Snelling. Magnetic g factor of electrons in GaAs/AlxGal-xAs quantum wells. Phys. Rev. B. 45, 7, 1992.

42. R. G. Neuhauser, Correlation between Fluorescence Intermittency and Spectral Diffusion in Single Semiconductor Quantum Dots VOLUME 85, NUMBER 15 PHYSICAL REVIEW LETTERS vol.85 15, 2000.

43. H. D. Robinson, Light-induced spectral diffusion in single self-assembled quantum Phys. Rev. B 61, 2000, R5086(R)

i X

44. R. Flach. Time-Resolved Fluorescence Line-Narrowing LaF3: Pr . Phys. Rev. Lett. 35.1975. 1034.

45. A. Szabo, Optical hole burning and spectral diffusion in ruby. Phys. Rev. B 44, 12 307. 1991

46. J. Takahashi. Thermally induced spectral diffusion for photoautomerization systems in polymer matrices. Phys. Rev. B 49, 6575 1994

47. S. P. Love. Infrared spectral hole burning of sulfur-hydrogen deep donors in a Si: Ge crystal. Phys. Rev. B 36, 2950(R) 1987

48. S. A. Empedocles. Photoluminescence Spectroscopy of Single CdSe Nanocrystallite Quantum Dots . Phys. Rev. Lett. 77, 3873 1996

49. G. Sallen. Subnanosecond spectral diffusion of a single quantum dot in a nanowire. PHYSICAL REVIEW B 84, 041405(R) (2011)

50. V.N. Kats. Optical study of GaAs quantum dots embedded into AIGaAs nanowires. Semicond. Sci. Technol. 27 (2012) 015009

Список публикаций по теме диссертации:

1А). «Оптические свойства одиночных квантовых точек GaAs, внедренных в квантовые проволоки AlGaAs»

Платонов А.В.; Кочерешко В.П.; Кац В.Н.; Цырлин Г.Э.; Буравлев А.Д.; Самсоненко Ю.Б.; Besombes, L.; Mariette Н. Поверхность, т.7 страницы: 20-24 (2013)

2А) «Optical study of GaAs quantum dotsembedded into AlGaAs nanowires». V.N. Kats, V.P. Kochereshlco, A.V. Platonov, T.V. Chizhova, G.E. Cirlin, A.D. Bouravleuv, Yu.B. Samsonenlco, I.P. Soshnikov, E.V. Ubyivovk, J. Bleuse and H. Mariette. Semicond. Sci. Technol. 27 (2012) 015009 (5pp)

ЗА) «Фотолюминесценция одиночных квантовых нитей и квантовых точек». Кочерешко В.П.; Кац В.Н.; Платонов А.В.; Сурис Р.А.; Цырлин Г.Э.; Буравлев А.Д.; Самсоненко Ю.Б.; Besombes L.; Le_Gal С.; Mariette Н. Поверхность, т.9 страницы: 18-21, (2012)

4А) «Model of a GaAs Quantum Dot Embedded in a Polymorph AlGaAs Nanowire» . D. Barettin, A. Platonov, A. Pecchia, V. Kats, G.E. Cirlin, A.D. Buravlev, Yu.B. Samsonenlco, L.Besombes, and H.Mariette. Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of PP, v. 19, i.5 (2013)

5A) «Modelling of GaAs quantum dot embedded in a polymorph AlGaAs nanowire». Barettin D; Platonov AV; Pecchia A; Kats VN; Cirlin GE; Soshnikov IP; Bouravleuv AD; Besombes L; Mariette H; Der Maur MA; Di Carlo А. В книге (сборнике): 13th international conference on numerical simulation of optoelectronic devices, NUSOD, (2013), страницы: 139-140.

6A) «GaAs single quantum dot embedded into AlGaAs nanowire»

Ç^j Cur r

Kochereshko VP; Kats VN; Platonov AV; Cirlin GE; Bouravleuv AD; Samsonenko YuB; Besombes L; Mariette H. В книге (сборнике): Proceedings of the 31st International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS) 2012Proceedings of the 31st International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS) 2012 AIP Conf. Proc., v.1566 страницы:482-483 (2013)