Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 1998, том 40, № 5 Оптическая ориентация и выстраивание экситонов в квантовых точках й Р.И. Джиоев, Б.П. Захарченя, Е.Л. Ивченко, В.Л. Коренев, Ю.Г. Кусраев, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, А.Е. Жуков, А.Ф. Цацульников Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Теоретически и экспериментально исследованы оптическая ориентация и выстраивание экситонов в квантовых точках InAlAs в матрице AlGaAs. В продольном магнитном поле (геометрия Фарадея) обнаружены эффекты преобразования оптической ориентации в выстраивание и выстраивания в ориентацию, обусловленные обменным расщеплением дипольно-активного экситонного дублета и допускаемые низкой симметрией квантовой точки. Сравнение теории с экспериментом, проведенное с учетом анизотропии генерации и рекомбинации экситонов в осях [110] и [110], позволяет выяснить характер распределения по направлениям диполей для резонансных оптических переходов в исследованном самоорганизованном ансамбле квантовых точек.

Энергетические уровни экситонов в полупроводни- процессе самоорганизованного роста при температуре ках даже в случае простых зон вырождены с учетом 485C осаждением InxAl1-xAs с эффективной толщиной спиновых состояний электронов и дырок. В частности, 1.6 nm (x = 0.45) [6]. Рост остальной части структуры основной уровень e1-hh1(1s) экситона с тяжелой дыр- проводился при температуре 700C в условиях обогакой в квантовых ямах с решеткой цинковой обманки щения мышьяком. Активная область в образце состоит четырехкратно вырожден и характеризуется проекцииз трех рядов квантовых точек, разделенных слоями ей углового момента M = s + j = 1, 2, где Al0.3Ga0.7As толщиной 5 nm. Она ограничена со стороны спин электрона s = 1/2 и угловой момент дырки подложки и поверхности 50-периодными сверхрешетj = 3/2. Обменное взаимодействие расщепляет этот ками Al0.45Ga0.55As (2nm)/ GaAs (1nm), за которыми уровень на радиационный дублет | 1 и два близко следуют слои AlxGa1-xAs (x = 0.45-0.6) и Al0.6Ga0.4As расположенных и оптически неактивных синглета. При толщиной 0.15 и 0.1 m, соответственно. Переход от локализации экситона на анизотропном острове или в двумерного однородного к трехмерному неоднородному анизотропной квантовой точке симметрия системы порежиму роста InAlAs контролировался по изменению нижается и радиационный дублет должен расщепляться дифракции быстрых электронов на отражение от поверхна два подуровня, поляризованных линейно в двух ортоности растущей пленки.

гональных направлениях, ориентация которых задается Образец помещался в криостат с жидким гелием.

формой локализующего потенциала [1]. При исследоГелий откачивался до температуры T = 2K. Осущевании фотолюминесценции локализованных экситонов в ствлялось квазирезонансное (Kr+ лазер, ex = 6764 ) квантовых ямах GaAs/AlGaAs(001) в режиме ближнего фотовозбуждение. Луч лазера направлялся на образец поля (optical near-field regime) Гаммон и др. [2] обнарупод малым углом к оси роста z, вдоль которой в жили обменное расщепление дублета e1-hh1(1s) на две геометрии Фна отражениеФ регистрировалось рекомбина компоненты, поляризованные вдоль осей [110] и [110]. В ционное излучение. Магнитное поле, параллельное оси z, сверхрешетках GaAs/AlGaAs(001) типа II аналогичное создавалось сверхпроводящим соленоидом. Поляризация расщепление, связанное с локализацией экситона на отлюминесценции анализировалась в геометрии Фарадея.

дельном интерфейсе и низкой симметрией C2v одиночноВ экспериментах мы применяли модуляционную метого интерфейса [3], изучалось методами поляризованной дику, в которой либо поляризатор фиксирован и модуфотолюминесценции [4,5]. Показано, что наблюдение лируется пропускание анализатора, либо фиксировано преобразования Фоптическая ориентацияЦоптическое выположение анализатора, а образец возбуждается светом с страиваниеФ или ФвыстраиваниеЦориентацияФ в магнитпеременным знаком круговой или линейной поляризации ном поле B z, т. е. наблюдение линейной (циркулярна частоте 26.61 kHz фотоупругого модулятора [5]. В ной) поляризации фотолюминесценции при циркулярно первом случае измерялись степени поляризации излуче(линейно) поляризованном возбуждении, позволяет нания дежно определять величину расщепления и направле ния поляризации оптически активных подуровней, не I+ - I- I110 - II100 - I Pc =, Pl =, Pl =, (1) разрешая спектрально тонкой структуры. В настоящей I+ + I- I110 + I110 I100 + I работе исследована тонкая структура локализованных экситонов в самоорганизованной системе квантовых тоа во втором Ч эффективные степени поляризации чек InAlAs/AlGaAs.

+ - 1 110 100 Исследуемые структуры были выращены методом I - I I10 - I l I - I c l =, =1 110, =100 010. (2) + молекулярно-пучковой эпитаксии с твердотельным исI + I I + I I10 + I точником As4 в установке RIBER 32P на полуизоли рующих подложках GaAs, ориентированных в плоско- Здесь символ I обозначает интенсивность рекомбинацисти (100). Массив квантовых точек формировался в онного излучения в конфигурации (, ) поляризатора и Оптическая ориентация и выстраивание экситонов в квантовых точках Оптическое выстраивание экситонов вдоль осей 110 и [110] (a) и вдоль осей [100] и [010] (b), оптическая ориентация экситонов (c) и преобразование оптического выстраивания вдоль осей [110], [110] в ориентацию (d). Сплошными линиями показаны результаты расчета по формулам (5), (6), (11) с учетом распределения (12).

анализатора, а индекс или принимает одно из шести твертьволновая фазовая пластинка и линейный поляризначений: линейной поляризации вдоль осей [100], [010], затор (анализатор круговой поляризации).

Из рисунка, a видно, что оптическое выстраивание [110], [110] или циркулярной поляризации +, -.

экситонов в осях [110]/[110] не разрушается ниже 12.5%.

При квазирезонансном возбуждении ( = 1.832 eV) Как показали отдельные эксперименты, это связано с в спектре излучения появляются пики, отстоящие от модуляцией интенсивности люминесценции при модувозбуждающей линии на величину энергии оптических ляции поляризации возбуждающего света. В свою очефононов GaAs (35 meV) и AlAs (48 meV), а также редь, модуляция интенсивности обусловлена разницей слабо выраженная структура [7,8]. Приведенные ниже коэффициентов поглощения для света, поляризованного экспериментальные данные получены на фононном пи вдоль осей [110] и [110] (эффект линейного дихроизма) ке, отстоящем от лазерной линии на 35 meV. Похожие и не зависит от поля B. При измерении линейного дирезультаты получаются и на другой фононной линии.

хроизма поглощения возбуждение производилось также, На рисунке приведены зависимости степени полярикак и в измерениях по выстраиванию экситонов, а в канал зации люминесценции от продольного магнитного поля.

юминесценции ставился деполяризатор для устранения Выстраивание экситонов в осях [110]/[110] и [100]/[010] влияния поляризующего действия дифракционных решепоказано на рисунке, a и b соответственно. При изток и зеркал спектрометра.

мерении эффективной степени линейной поляризации Оптическое выстраивание экситонов наблюдается при люминесценции (выстраивание экситонов) возбуждение возбуждении светом, поляризованным как вдоль оси осуществлялось линейно поляризованным светом, меня[110], так и вдоль [100] (см. рисунок, a и b). В продольющим направление колебаний электрического вектора ном магнитном поле линейная поляризация подавляется от параллельного оси [110] до перпендикулярного ей в том же характерном диапазоне полей, в котором (или от [100] к [010]) на частоте 26.61 kHz, а в канал наблюдается рост циркулярной поляризации (см. рисулюминесценции ставился линейный поляризатор с осью нок, c). Отметим, что эффект подавления выстраивания пропускания вдоль [110] (или [100]).

вдоль [110] определяется разностью значений степени Измерение степени эффективной круговой полярилинейной поляризации в нулевом и сильном магнитных зации экситонов (ориентация экситонов) производи- полях, поскольку на измеряемую степень эффективной l лось при возбуждении циркулярно поляризованным све- линейной поляризации 110 накладывается эффект моду том, меняющим знак поляризации на той же частоте ляции интенсивности. При возбуждении вдоль осей [100], (26.61 kHz), а в канал люминесценции ставились че- [010] линейный дихроизм незначителен.

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 860 Р.И. Джиоев, Б.П. Захарченя, Е.Л. Ивченко, В.Л. Коренев, Ю.Г. Кусраев, Н.Н. Леденцов...

Как указывалось выше, комбинация анизотропного и время спиновой релаксации s, для нахождения обменного взаимодействия и эффекта Зеемана в экси- среднего вектора псевдоспина S достаточно спроектиротоне приводит к взаимосвязи оптической ориентации и вать вектор S0 на направление, т. е. S =(S0)/||2.

выстраивания. Этот эффект продемонстрирован на ри- В результате получаем связь между поляризацией фотосунке, d: в исследуемой структуре с квантовыми точками люминесценции и возбуждающего света в продольном магнитном поле ориентация экситонных Pi =i jP0 (i, j = l, l, c), (5) j спинов взаимосвязана с выстраиванием осциллирующих дипольных моментов в системе осей [110], [110]. Сле- 2 12 2 2 2. (6) дует особо отметить, что при возбуждении циркулярно ||i j|| = 2 +2 +поляризованным светом в магнитном поле составляющая 1 1 2 линейной поляризации в системе осей [100], [010] не Заметим, что в пренебрежении эффектами антипересевозникала, также как не обнаружен и обратный эффект чения уровней и дихроизма поглощения поляризация Pi преобразования линейной поляризации в осях [100], i совпадает с величинами, введенными в (2).

[010] в циркулярную.

Для учета анизотропии генерации и рекомбинации Исследуемые квантовые точки имеют форму пирами в осях [110], [110] введем концентрацию нуль-мерных ды (возможно, усеченной), высота которой параллельна экситонов N0 и вектор N, проекции которого связаны оси z [001], а прямоугольное основание ориентировано соотношениями Nl = 2N0Sl (l = 1, 2, 3) со среднивдоль осей [100] и [010] [6,9]. Для анализа оптической ми значениями проекций псевдоспина. В стационарных ориентации и выстраивания экситонов удобно рассмаусловиях возбуждения уравнения кинетики для величин тривать дублет | 1 как пару состояний псевдоспина N0 и N можно записать в виде S = 1/2. Тогда гамильтониан, описывающий расщепление дублета в продольном магнитном поле B z, можно N N0 N N+ o2 + N =, + = 0, (7) записать в виде T T 1 1 1 1 1 1 1 = +, = -, (8) H = (11 +22 + 3), (3) 2 110 110 T 2 110 110, 110 Ч время жизни экситона в состояниях |110, где = g 0B, g Ч продольный g-фактор экситона, |110, o2 Ч единичный вектор в направлении оси 2.

0 Ч магнетон Бора, i ЧматрицыПаули в осях 1, 2, Связь между скоростями генерации 0, и поляризаэффективного пространства, в котором вращается псевцией падающего света, а также между N0, N и характедоспин, 1 и 2 Ч два линейно независимых параристиками вторичного излучения имеет вид метра обменного расщепления радиационного дублета.

Квантовые точки с квадратным основанием характеризу0 = AI0(1 + aPl0), j = AI0(jP0 + bj2), (9) j ются точечной симметрией C2v, при которой 1 = 0, I = B(N0 + cN2), IPj = B(Nj + cN0j2). (10) 2 = 0 и в отсутствие магнитного поля компоненты Здесь компоненты I0, I Ч интенсивности первичного дублета поляризованы по осям x [110] и y [110].

и вторичного излучения, компоненты P1, P2, P3 отоВ общем случае прямоугольного основания локальная ждествляются с Pl, Pl, Pc, j j Ч символ Кронекера, симметрия понижается до C2 и величина 1 отлична от коэффициенты j 1 учитывают потери поляризануля. Ясно, что знаки этой величины противоположны ции в процессе нерезонансного или квазирезонансного для квантовых точек с основаниями, вытянутыми вдоль возбуждения, параметр a характеризует относительное [100] и вдоль [010]. Заметим, что при 2 = = 0, различие скоростей генерации полного числа экситонов 1 = 0 компоненты дублета были бы поляризованы по осям x [100], y [010], развернутым на 45 при возбуждении светом, поляризованном вдоль осей [110] и [110], параметр b описывает селективность геотносительно осей x, y. Если пренебречь анизотропией нерации состояний |110, |110 при неполяризованном генерации и рекомбинации экситонов, то средние знаили циркулярно поляризованном возбуждении, анизотрочения проекций псевдоспина Sj ( j = 1, 2, 3) связаны пия излучательной рекомбинации описывается парамесо степенями поляризации излучаемого света простыми тром c. Предполагается, что значения a, b, малы по соотношениями сравнению с единицей. Анализ решения уравнений (7) показывает, что удовлетворительное описание экспериPl = 2S1, Pl = 2S2, Pc = 2S3. (4) ментальных данных достигается при |b - d| |c|, Аналогичные соотношения связывают поляризацию па- где d T/ = (110 - 110)/(110 + 110). Тогда в дающего света Pl0, Pl0, Pc и направление псевдоспина S первом порядке по малым параметрам |i jj|, |a|, |b| в момент генерации экситона, если в процессе возбу- получаем ждения не происходит частичной потери поляризации.

j P = j P a=b=0+cj2, = P a=b=0+aj2, (11) j j j Согласно (3) псевдоспин прецессирует вокруг вектора =(1, 2, ) с частотой ||. Если эта частота суще- где (P)a=b=0 Ч поляризация, рассчитанная в пренеj -ственно превышает обратное время жизни экситона брежении анизотропией и при j = 1. В рамках Физика твердого тела, 1998, том 40, № Оптическая ориентация и выстраивание экситонов в квантовых точках двухуровневой модели интенсивность I от магнитного Работа Е.Л.И. частично поддержана фондом Volksполя не зависит. wagen и грантом РФФИ 95-02-06038; работа Ю.Г.К. Ч В эксперименте анализируется свет, излучаемый боль- грантом РФФИ 95-02-04102, работа Н.Н.Л., В.М.У., шим числом квантовых точек, и матрицу, нужно А.Е.Ж. и А.Ф.Ц. Ч грантами РФФИ 96-02-17824, усреднить по распределению значений 1 и 2, вклад INTZAS-RFPR 95-618 и фондом Volkswagen.

в который вносят флуктуации формы квантовых точек и локальные деформации. Кажущееся противоречие экспеСписок литературы риментальных результатов: 1) оптическое выстраивание экситонов при любом направлении линейной поляриза[1] S.V. Goupalov, E.L. Icchenko, A.V. Kavokin. Proc. Int ции возбуждающего света и 2) конверсия Фориентация - Symposium ФNanostructures: Physics and TechnologyФ.

выстраиваниеФ в продольном поле, свидетельствующая о St.Petersburg (1996). P. 322.

неэквивалентности осей [110] и [110], Ч можно удовле- [2] D. Gammon, E.S. Snow, B.V. Shanabrook, D.C. Katzer, творительно объяснить, предполагая, что положитель- D. Park. Phys. Rev. Lett. 76, 3005 (1996).

[3] И.Л. Алейнер, Е.Л. Ивченко. Письма в ЖЭТФ 55, ные и отрицательные значения 1 равновероятны, т. е.

(1992); E.L. Ivchenko, A.Yu. Kaminski, U. Rssler. Phys. Rev.

1 = 0, а среднее значение 2 отлично от нуля. При B54, 5852 (1996).

расчете поляризации излучения мы предполагали гауссо[4] E.L. Ivchenko, V.P. Kochereshko, A.Yu. Naumov, во распределение параметров обменного расщепления:

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам