Работа финансировалась частично грантом ИНТАС N 03-51-5266.
PACS: 71.35Lk, 73.21Fg, 78.67De.
1. Введение Настоящая работа Ч продолжение исследований, выполненных в [12], где построена теория образования конденсированной фазы экситонов в двумерной системе Обнаружению конденсированной фазы экситонов попри однородной накачке. При этом конденсированная священо большое количество работ. Главное внимафаза возникает в результате притяжения между эксиние уделялось поискам образования в кристаллах при тонами, а не вследствие их конденсации в некотором интенсивном световом облучении бозе-эйнштейновской состоянии (с k = 0, например), т. е. не вследствие бозефазы экситонов с ее интригующими свойствами, такими эйнштейновской конденсации. Из-за конечности времекак сверхтекучесть, сужение полос и др. [1]. Однако ни жизни экситонов размеры конденсированной фазы оказалось, что в большинстве неорганических полуявляются ограниченными, и конденсированная фаза в проводников (германий, кремний и др.) при больших двумерном случае представляет собой систему островплотностях экситоны теряют свою индивидуальность и ков подобно системе электронно-дырочных капель в образуется электронно-дырочная жидкость [2,3]. Попытобъемных материалах. В работе [12] учтено взаимоки обнаружения бозе-конденсации в кристалле Cu2O, действие между отдельными островками через конценимеющем малый радиус и большую энергию связи трационные поля экситонов, что позволило определить экситонов, также до настоящего времени не увенчались плотность возникающих островков конденсированной успехом. Выяснилось [4], что в этом кристалле экситонфазы. В последние годы появились данные о некоторых экситонная аннигиляция велика, и поэтому трудно доколичественных закономерностях проявления в оптичестичь плотности, необходимой для бозе-эйнштейновской ских свойствах системы непрямых экситонов большой конденсации. В последние годы внимание исследоватеплотности в двойных квантовых ямах, построенных на лей сконцентрировано на изучении экситонов в низкобазе полупроводников Ga(Al)As [5,6,13]. В настоящей размерных системах, в частности в двойных квантовых работе эти закономерности рассчитываются на основе ямах. В электрическом поле нижайшими состояниями в теоретической модели [12] и проводится сравнение с таких системах являются непрямые (межъямные) эксиэкспериментом. Кроме того, получены некоторые фортоны, у которых электрон и дырка расположены в размулы, имеющие более общую применимость, чем соотных ямах. Рекомбинация электронов и дырок в непрямых ветствующие формулы [12]. В актуальном случае Ч при экситонах связана с тунелированием носителей через числе экситонов в островке, намного большем единицы барьер между ямами. Поэтому время жизни непрямых (n 1), Ч они переходят в формулы работы [12], экситонов велико, что позволяет создать их большую однако являются более компактными.
концентрацию и исследовать эффекты взаимодействия между экситонами. При исследовании систем с большой плотностью экситонов получены интересные результа- 2. Модель системы. Основные ты [5Ц8]. В частности, вне лазерного пятна обнаружено уравнения кольцо в спектрах излучения, которое авторы связывают с разделением зарядов в окрестности кольца и большой Предполагаем, что существует экситон-экситонное плотностью экситонов на кольце [9,10]. Обнаруженная в притяжение, которое приводит к возникновению конэкспериментах [7,9] фрагментация излучения из кольца денсированной фазы экситонов. Конденсированная фаобъясняется в работе [11] образованием островков кон- за может представлять собой или экситонную жидденсированной фазы экситонов. При этом представление кость, или электронно-дырочную жидкость. Непрямые о бозе-эйнштейновской конденсации не привлекается. экситоны как частицы с разнесенными зарядами имеКонденсация экситонов в квантовых ямах: температурные эффекты ют дипольный момент, направленный перпендикулярно при идеальной технологии изготовления образцов в плоскости ям. Поэтому между экситонами действуют квантовых ямах или барьерах (или и в ямах, и в барьерах дальнодействующие силы отталкивания. Однако взаи- в зависимости от структуры ям) существует беспорядок, модействие ван-дер-ваальса и обменное взаимодействие обусловленный флуктуациями состава. Кроме того, в могут привести к притяжению между экситонами при системе существуют дефекты технологического происрасстояниях между ними порядка нескольких радиусов хождения. Рассеяние экситонов с изменением волнового экситона и не слишком больших расстояних между вектора в плоскости ямы на таких флуктуациях приямами, т. е. не слишком больших дипольных моментах водит к ограничению области когерентности движения экситонов. Расчеты многоэкситонной задачи [14], вы- экситонов и к уширению экситонных полос в спектрах.
полненные с учетом обменной энергии, энергии кор- В качественных образцах ширина экситонных полос реляции и энергии ван-дер-ваальса, показали наличие имеет порядок E (0.1-1) meV [5Ц10]. Такой же поминимума в свободной энергии как функции плотности рядок для уширения полос дают квантово-механические при плотности непрямых экситонов в двойных кванто- расчеты вероятности рассеяния на флуктуациях составых ямах, отличной от нуля. Конденсированная фаза ва в квантовых ямах и барьерах полупроводниковых непрямых экситонов возможна при определенных зна- сплавов [15]. Длина свободного пробега обусловлена чениях расстояния между ямами, при которых диполь- рассеянием экситона на флуктуациях концентрации.
дипольное отталкивание между экситонами не слишком При времени релаксации R / E, эффективной массе велико (согласно [14], при D < 1.1a, где D Ч рас- экситона, равной 0.2me, где me Ч масса свободного стояние между ямами, a Ч радиус экситона). Будем электрона, и энергии, равной kT при T = 2K, длина характеризовать конденсированную фазу несколькими свободного пробега имеет порядок (102-103). Длина параметрами: энергией связи экситона, поверхностной свободного пробега намного меньше размеров островков энергией и плотностью экситонов в конденсированной конденсированной фазы (R (104-105) ), возникаюфазе. Этих данных достаточно для описания многих щих в системе. Таким образом, волновая функция теряет свойств системы. Предложенная теория применима и в когерентность на расстояниях, меньших размеров истом случае, если конденсированная фаза представляет следуемой структуры. Длина диффузионного смещения собой электронно-дырочную жидкость; тогда указанные имеет порядок (1-10) m. Таким образом, выполняется выше параметры следует относить не к экситону, а к условие l lD, R. Это означает, что распределение f электронно-дырочной паре. экситонной плотности в окрестности островка конденсиРазмеры областей конденсированной фазы ограниче- рованной фазы можно рассматривать с помощью уравнены как сверху, так и снизу. Радиус зародыша новой ния диффузии.
фазы, так же как и в общей теории фазовых переходов, Распределение плотности экситонов при стационардолжен быть больше некоторой пороговой величины, ном облучении будем определять из совместного реопределяемой поверхностной энергией. Наличие поверх- шения системы уравнений для функции распределения ностной энергии также определяет форму конденсиро- островков по размерам и уравнения диффузии для ванной фазы, в двумерном случае Ч в виде диска. экситонов вне островков. Рассмотрим сначала систему Ограничение радиуса сверху связано с неравновестно- с одним островком. Пусть f Ч функция распредеn стью системы, обусловленной рождением и распадом ления островка, определяющая вероятность островку экситонов. В определенной области интенсивностей на- содержать n экситонов. Размеры островка формируются качки число экситонов, создаваемых облучением, внутри четырьмя процессами: 1) рождением экситонов накачконденсированной фазы в единице объема в единице кой, 2) гибелью экситонов вследствие излучения фотовремени меньше, чем число гибнущих. В этом случае нов или по другим причинам, 3) захватом экситонов стационарное состояние возможно, если потери экси- из окружения, 4) излучением экситонов островком. По тонов внутри конденсированной фазы компенсируются своей постановке задача близка к задаче о вычислении их притоком из окружающей области газовой фазы параметров электронно-дырочных капель в объемных экситонов. Такая компенсация невозможна при больших кристаллах полупроводников [16Ц18]. Однако по сраврадиусах конденсированной фазы. Поэтому существует нению с этими работами кроме учета двумерности максимальный радиус диска. Таким образом, конденси- мы рассматриваем взаимодействие между островками рованная фаза представляет собой систему островков в через концентрационные поля и находим их наиболее форме дисков, погруженную в экситонный газ. вероятную плотность распределения. Для этого важно Рассматриваемая система имеет три параметра длины: определить диффузионные поля экситонов в окрестноразмер островка R, длина диффузии экситона lD и длина сти островков.
свободного пробега l. Исследуемые в работах [5Ц10] Кинетическое уравнение для функции распределения f системы состоят из смешанных полупроводников, со- имеет вид f n держащих атомы металлов двух сортов, замещающих = - jn+1 + jn, (1) t друг друга в определенном процентном содержании. Так, в кристалле Ga1-xAlx As атомы алюминия замещают где jn Ч ток вероятности для перехода между состояатомы галлия в узлах с вероятностью x. Поэтому даже ниями островка с n и n - 1 экситонами, в то время как Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1870 В.И. Сугаков jn+1 обозначает вероятностный ток между состояниями n + 1 и n;
(-) (+) jn = W (n) f - W (n - 1) f, (2) n n-() W (n) Ч вероятность перехода с увеличением (уменьшением) числа экситонов в островке на единицу. Более конкретно эти вероятности будут определены позже.
Рис. 1. Пространственное распределение потенциала для Будем искать стационарные решения уравнения (1).
экситона в окрестности островка конденсированной фазы.
Существует два типа стационарных решений. В первом случае jn = jn+1 = j = const. В теории фазовых переходов это решение используется для определения сконого газа это соотношение можно переписать в виде рости зарождения зародышей новой фазы. Это решение использовать не будем. Во втором случае Wi f (R) Wi f () = exp, (8) Wf i(R) Wf i() ciRT jn = jn+1 = 0. (3) Wf i() и Wi f () Ч вероятности захвата и исРешение с условием (3) описывает динамически равпускания экситона при прямолинейной границе разновесное состояние, которое формируется после некодела между конденсированной и газовой фазами, торого времени действия накачки. Такого типа решения Wf i()/Wi f () =c/ci, c Чравновесная концентрабудут исследоваться в дальнейшем. Из (2) и (3) получация экситонов при прямолинейной границе раздела фаз, ем следующее решение для функции распределения:
c = c10 exp(-/T ), (9) m=n (+) W (m - 1) f = f exp ln. (4) n (-) Ч энергия конденсации на один экситон, Ч W (m) m=ДповерхностноеУ натяжение, c10 = (mT/2 ), m Ч Как будет видно далее, функция распределения имеет эффективная масса экситона, Ч кратность вырождеострый максимум при некотором значении n, кото- ния экситонного состояния.
рое определяет наиболее вероятное число экситонов Проанализируем температурную зависимость вероятв островке и которое по величине намного больше ности захвата экситона островком. Для этого рассмотединицы (n 1). Островки с большим числом экси- рим поток экситонов на островок. Пространственное тонов и имеющие форму диска описываются радиусом распределение потенциала для экситона в окрестности Rn =(n/)1/2 вместо n. В этом случае вероятности островка конденсированной фазы представлено на рис. 1.
(+) (-) W (n) и W (n) удовлетворяют следующим уравнени- Потенциальная яма для экситона, существующая внутри ям: островка, обусловлена взаимодействиями, приводящими (+) W (R) =2Rc(R)Wf i(R) +R2G, (5) к возникновению конденсированной фазы (обменными, ван-дер-ваальсовыми и др). Скачок потенциала в (-) W (R) =2Rc(R)Wi f (R) +R2ci/ex, (6) окрестности поверхности островка обусловлен диполь() () где W (R) W (n), Wf i и Wi f Ч соответственно дипольными силами отталкивания между островком и вероятности для экситона быть захваченным и излученэкситоном. Анализ энергии взаимодействия экситона как ным островком в единицу времени на единицу длины электрического диполя с островком, представленным окружности при единичной плотности экситонов у покак совокупность диполей, дает следующие результаверхности диска; G Ч накачка, т. е. число экситонов, ты. На расстояниях порядка 1000 при плотности рождаемых в единицу времени в единице поверхности экситонов в островке порядка (1010-1011) cm-2 эта квантовой ямы; c(R) и ci Ч плотности экситонов энергия равна 3(10-5-10-4) eV, т. е. является малой.
на поверхности диска и внутри диска соответственно.
При приближении экситона к островку она возрастает, Отметим, что при n 1 решение для f (4) совпадает n затем диполь-дипольное приближение становится неприс решением, полученным в [12].
менимым, включаются взаимодействие ван-дер-ваальса Использовав принцип детального равновесия, можно и обменное взаимодействие, в результате чего энергия получить соотношение между вероятностями переходов становится отрицательной. Для определения величины Wf i и Wi f. В случае бесконечного времени жизни и положения максимума барьера требуются детальные экситона и отсутствия накачки равновесное состояние данные модели конденсированной фазы. Эта модель в конденсированной фазы формируется процессами обменастоящей работе не рассматривается. Поэтому будем на экситонами между островком и окружением. Тогда в считать, что экситону для проникновения в островок равновесии имеет место следующее условие:
Pages: | 1 | 2 | 3 | Книги по разным темам