Собственная люминесценция многих неупорядочен- чено общее выражение для плотности флуктуационных ных систем [1Ц10] и, в частности, твердых растворов состояний хвоста. Далее представлено упрощенное реAIIBVI [1Ц8] обусловлена рекомбинацией экситонов, ло- шение задачи в области энергий, где состояния хвоста в кализованных в ямах потенциального рельефа. Общей нулевом приближении можно считать изолированными чертой таких систем является значительный красный друг от друга. Развитый подход включает модифициросдвиг люминесценции относительно максимума экситон- ванный вариационный способ вычисления зависимости ного поглощения, так что основная полоса излучения плотности состояний от энергии локализации, который попадает в область малых значений коэффициента по- содержит дополнительный параметр, позволяющий приглощения и малых значений плотности флуктуационных менить его для описания экспериментальных данных не состояний.
только в области экспоненциального измерения плотноПроисхождение красного сдвига полосы люминесцен- сти состояний, но также в области порога подвижности, ции и соотношение спектров люминесценции и поглоще- где экспоненциальная зависимость сменяется степенной.
ния представляют собой проблемы, важные для понима- Кроме того, представлен вариант подсчета полного числа ния физических процессов в неупорядоченных системах. локализованных состояний, не связанный с вариационИзвестна большая величина этого сдвига для аморфных ной процедурой, который дает нормировку плотности систем [10], которые характеризует сильное экситон- флуктуационных состояний, полученной в результате фононное взаимодействие. В случае ряда твердых раство- предыдущего расчета. При подсчете числа состояний ров AIIBVI экситон-фононное взаимодействие проявля- за основу принято предположение, что локализованные ется в уширении основной полосы люминесценции и состояния экситонов возникают во флуктуациях, имеюпоявлении ее LO-фононных повторений [1,2].
щих характер односвязных потенциальных ям. ПотенЦелью данной работы является построение теории для циальные ямы образуются в областях скопления изописания положения контура полосы собственной люми- быточных по сравнению с их средней концентрацией несценции относительно спектра поглощения флуктуа- атомов узкозонной компоненты. Требование односвязционных состояний, а также качественное обоснование ности ямы и минимальности избыточной концентрации подхода с помощью континуальной теории протекания в ее объеме приводит в пределе слабого рассеяния к и сопоставление теоретических и экспериментальных ответу, следующему из теории протекания по узлам результатов для твердых растворов AIIBVI.
неупорядоченной подрешетки, а именно нижней граВ разделе 1 работы для однозонной модели твердого ницей избыточной концентрации является критическая раствора со слабым диагональным беспорядком полу- концентрация задачи протекания по узлам подрешетки.
юминесценция экситонов из флуктуационных хвостов плотности состояний... В случае слабого рассеяния флуктуационные ямы име- фононами на спектры поглощения и люминесценции ют большие размеры, и кластер избыточных атомов в локализованных экситонов. Рассмотрены две модели такой яме имеет структуру фрактала конечного размера. локализации экситона, приводящие к существенному Получаемые в результате значения плотности состояний различию во взаимодействии экситона с фононами. В хвоста согласуются с экспериментальными данными в первой модели предполагается, что электрон успевает широком диапазоне концентраций. Далее в этом разделе адиабатически следить за движением дырки, а во второй выведены основные соотношения между плотностью и модели электрон взаимодействует с усредненным по спектральной плотностью флуктуационных состояний и флуктуационной яме распределением плотности дырки.
вычислен спектр экситонного поглощения в области Оба эти предела, а также промежуточные варианты флуктуационных состояний без учета взаимодействия с реализуются в твердом растворе CdS(1-c)Sec. Предваколебаниями решетки. рительные результаты учета экситон-фононного взаимоВ разделе 2 работы вычисляется контур бесфононной действия приведены в работе [3].
полосы люминесценции. Поскольку в рамках данной В последнем разделе полученные результаты использадачи возможность оптической рекомбинации ограни- зуются для описания спектров люминесценции твердого чивается временем жизни экситона по отношению к раствора CdS(1-c)Sec, для которого имеются обширные переходу (туннелированию) в нижележащие состояния экспериментальные данные [1Ц8].
хвоста локализованных состояний, сопровождаемому излучением фононов [1Ц3], для описания люминесценции 1. Флуктуационные состояния необходимо найти распределение по энергии таких сов твердом растворе стояний, для которых отсутствуют или сильно ограничены каналы безызлучательного ухода.
Предполагается, что в случае бинарных растворов с Иначе говоря, необходимо знать распределение проанионным замещением определяющим является флуктустранственно изолированных локализованных состояационный потенциал для состояний валентной зоны. В ний. В общем случае эта задача представляет собой один этом случае, учитывая, что эффективная масса дырки, из аспектов квантовой теории протекания [11Ц22]. Изокак правило, существенно превышает массу электрона в лированные состояния в решеточных моделях изучались зоне проводимости, можно предположить два механизма в работах [14Ц16]. Как было показано в работе [16], локализации экситона: (I) локализация центра тяжести в квантовой теории протекания возникают два типа экситона и II локализация дырки, с которой электрон изолированных локализованных состояний. К первому связан кулоновским взаимодействием. Оба эти варианта типу относятся состояния, принадлежащие изолированбудут далее рассмотрены одновременно и приводят к ным атомам [14Ц16] (в нашем случае потенциальным близким результатам при вычислении плотности локаямам) и относительно небольшим их комплексам (сулизованных состояний, но они отличаются весьма сущеперкластерам), образующимся при случайном распредественно при рассмотрении взаимодействия с колебаниялении атомов (потенциальных ям). Роль суперкластеров ми решетки.
возрастает по мере приближения к порогу подвижности.
1) Гамильтониан и плотность состояний Изолированные локализованные состояния другого типа в о д н о з о н н о й м о д е л и. Будем считать, что макрообусловлены эффектами интерференции [16,19]. Одскопический объем V твердого раствора, состоящий из нако при наличии диагонального беспорядка, который N узлов кристаллической решетки, случайным образом определяет распределение состояний по энергиям в расзаполняется атомами двух сортов A и B. Средние числа сматриваемой задаче, следует ожидать существенного атомов A и B в объеме V равны соответственно NA = cN подавления эффектов интерференции. В этом случае и NB = (1 - c)N, где c Ч концентрация атомов A.
задача сводится к нахождению распределения состояний Однозонный гамильтониан этой системы записывается хвоста по суперкластерам в континуальной модели, т. е.
в виде к проблеме, в значительной степени аналогичной задаче протекания по перекрывающимся сферам [23Ц29]. ИсH=- nWm n+m -n + En2, (1) n пользование для вычисления распределения состояний n,m n по суперкластерам соотношений, следующих из классической теории протекания по перекрывающимся сфе- где n Ч будем считать вещественными. Недиагональрам, позволяет выделить те флуктуационные состояния, ные матричные элементы Wm считаются одинаковыми которые имеют максимальное время жизни и форми- для атомов обоих сортов, а диагональный матричный руют бесфононную полосу люминесценции. В рамках элемент En принимает значение EA, если узел занят такого подхода удается установить положение бесфонон- атомом A, иEB в противоположном случае. В предельных ной полосы люминесценции относительно максимума случаях c = 0и1гамильтониан(1) сводится к гамильтобесфононной полосы поглощения основного состояния ниану совершенного кристалла B или A соответственно.
экситона и порога подвижности. При этом все En заменяются на En = EA или EB.
В разделе 3 описывается влияние взаимодействия Положение дна зоны твердого раствора в приближеэкситонов как с оптическими, так и с акустическими нии виртуального кристалла связано со средним значе2 Физика твердого тела, 1997, том 39, № 1172 А.А. Клочихин, С.А. Пермогоров, А.Н. Резницкий нием En в узле локализованными и достаточно изолированными друг от друга. Величина 0, измеряемая относительно EG, E =cEA +(1-c) EB. (2) G должна быть выбрана таким образом, чтобы полное число состояний с энергией, превышающей это значение, Энергия также отсчитывается от положения дна EL зоны EG, причем >0 для локализованных состояний, тогда диагональные матричные элементы можно предN (0) = () d, (7) ставить как n = En - EG, (3) где EL Ч граница Лифшица для твердого раствора, где величина n зависит теперь и от концентрации удовлетворяло бы условию твердого раствора.
Задача вычисления собственных функций и собственN (0) a3 1. (8) ных значений гамильтониана кристалла при неупорядоченном расположении атомов двух сортов является Здесь a /2M0 определяет характерную длину линейной, и решение ее получается в результате диаэкспоненциального спадания волновой функции изолирогонализации матрицы ранга N, каждая строка которой ванной ямы за пределами ямы. В тех случаях, когда развыглядит как мер потенциальной ямы оказывается сравнимым с этой величиной, для оценки размера состояния необходимо (n) + Hnm - nnm (m) =0. (4) использовать сумму радиуса ямы и a.
m Величина 0 в дальнейшем рассмотрении играет роль верхней границы области применимости теории и важМы обозначим собственное значение уравнения (4) для фиксированного набора n как. Функции для свя- ного ее параметра, который будет использоваться для варьирования зависимости () в окрестности порога занных состояний всегда могут быть выбраны нормироподвижности. По величине 0 и положение порога пованными на единицу. Спектр неупорядоченной системы движности ME оказываются величинами одного поряднаходится как результат усреднения по всем возможным ка, и обе они заметно больше урбаховского параметра вариантам заполнения узлов. Это приводит к выражению U, который определяет экспоненциальный закон убыдля полной усредненной плотности состояний в виде вания плотности локализованных состояний в области суммы по всем типам состояний и всем реализациям энергий, превышающих ME.
n с учетом их веса P Для вычисления зависимости () используем при ближение эффективной массы и предположение Галь () = P d (n) перинаЦЛэкса о возможности описания локализованных n - состояний усредненной волновой функцией [30,31]. Рас смотрим такие флуктуационные ямы, которые превыша exp -i + H0 -. (5) ют по своей мощности компактный кластер, необходи мый для образования локализованного состояния глубиИнтегрирования в (5) по можно выполнить в общем ной 0. Используя подход, развитый в работах [32,33], виде, что дает полное выражение для () получаем c+p(r) 1 d3r c () = P Im Gnn() () exp ln v0 c + p(r) n v0 22() 1-c-p(r) = P (n) 2 -. (6) 1 - c, (9) n 1 - c - p(r) Здесь Gnn() диагональный матричный элемент функции Грина центра масс экситона (модель I) или дырки (мо- m2() =, (10) дель II).
d3r Полученное выражение является строгим определени- tr(r) vем плотности состояний неупорядоченной системы, описываемой гамильтонианом (1), т. е. двухкомпонентного твердого раствора AcB(1-c).
d3r 2 m2 =2 tr(r) c + p(r) 1 - c - p(r), (11) а) Приближенное описание зависимо сти v(). Для описания зависимости () в окрестности порога подвижности предположим, что в нулевом при- v0 = V/N Ч объем, приходящийся на атом в решетке, ближении все состояния с энергией локализации j, причем = |EB-EA|. Локальные значения конценпревышающей некоторую энергию 0, можно считать трации атомов, являющихся центрами притяжения и Физика твердого тела, 1997, том 39, № Люминесценция экситонов из флуктуационных хвостов плотности состояний... отталкивания, описываются выражениями [c + p(r)] и меньше ее максимального значения (1-c), приводящего [1 - c - p(r)] соответственно. Используя отклонение к компактному заполнению.
концентрации центров притяжения от среднего p(r), Вероятность реализации кластера, содержащего n самосогласованную потенциальную яму Utr(r) можно узлов решетки, в пределах которого избыточное число описать выражением центров притяжения равно np() np = n p, одинакова для всех вариантов реализации и равна Utr(r) =-p(r), (12) cnA(1 - c)nB, (17) где где nA = n(c + p) = (nc + np) и nB = n(1 - c - p) - c), r R0 = (1 - nc - np) Ч числа атомов A и B в кластере.
Pages: | 1 | 2 | 3 | 4 | Книги по разным темам