Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ На правах рукописи
УДК 537.37 Игнатьев
Иван Владимирович ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И СПИНОВАЯ ДИНАМИКА НОСИТЕЛЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ
Специальность 01.04.10 - физика полупроводников
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Санкт-Петербург 2008 г.
Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном университете
Официальные оппоненты:
Доктор физико-математических наук, профессор Аверкиев Никита Сергеевич Доктор физико-математических наук, профессор Баранов Александр Васильевич Доктор физико-математических наук, доцент Жуков Евгений Алексеевич
Ведущая организация:
Институт физики твердого тела Российской Академии наук, Черноголовка
Защита состоится _________________ 2008 г. в _______ час. на заседании диссертационного совета Д 212.232.33 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском Государственном университете по адресу: 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская 1, конференц-зал НИИ физики им В. А. Фока.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. М. Горького СПбГУ.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.
Автореферат разослан ___________________________ 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, профессор А. В. Лезов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы.
Энергетическая и спиновая динамика носителей в самоорганизованных квантовых точках А3В5, являющихся сравнительно новым объектом физики твердого тела, привлекает внимание исследователей последние 15 лет.
Вследствие трехмерного ограничения движения носителей заряда многие физические свойства квантовых точек значительно отличаются от свойств объемных кристаллов, а также объектов с ограничением движения носителей в одном или двух направлениях. Сильная локализация носителей в квантовых точках приводит к дискретному спектру их состояний и радикально изменяет энергетическую и спиновую динамику. Дискретность спектра может вызывать блокирование энергетической релаксации из-за эффекта узкого фононного горла, теоретически предсказанного в начале 90-х годов прошлого века.
Сильная локализация носителей должна также подавлять один из наиболее эффективных механизмов спиновой релаксации электронов - механизм Дьяконова-Переля. Все это стимулировало исследователей к интенсивному изучению этих процессов в сравнении с аналогичными результатами для квантовых ям и объемных материалов.
К моменту начала исследований по теме диссертации (1996 г.) уже была отработана технология эпитаксиального выращивания высококачественных гетероструктур с квантовыми точками InP и InAs, что позволило рассматривать их как модельные объекты для изучения названных процессов.
Интенсивное развитие техники эксперимента позволяет исследовать динамику рассматриваемых процессов с высоким временным разрешением в доли пикосекунды. Исследования последних лет позволили сформулировать ряд приоритетных задач по практическому применению самоорганизованных квантовых точек в приборах оптоэлектроники. В частности, они активно используются для создания низкопороговых температурно-стабильных полупроводниковых лазеров. Обсуждаются также идеи создания спиновой памяти и квантового компьютера. Проведенные в диссертационной работе исследования находятся в русле фундаментальных исследований по этим направлениям.
Цели и задачи работы.
Цель диссертационной работы состояла в экспериментальном определении основных механизмов и характерных времен энергетической и спиновой релаксации носителей в самоорганизованных квантовых точках, а также в изучении условий, при которых доминирует тот или иной механизм релаксации. Список исследуемых гетероструктур включал: однослойные структуры с заряженными и нейтральными квантовыми точками InP/InGaP и InGaAs/GaAs, а также многослойные структуры с отожженными квантовыми точками InAs/GaAs с легированными барьерами.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
- Разработка спектроскопического метода сравнительного исследования скоростей энергетической релаксации носителей.
- Разработка прямого спектрально-кинетического метода измерения скоростей энергетической релаксации носителей.
- Получение экспериментальных данных о скорости релаксации носителей с участием акустических фононов.
- Получение экспериментальных данных о различных механизмах Оже-процессов и условиях их реализации в исследуемых квантовых точках.
- Выяснение природы процессов, приводящих к резкому ускорению нарастания импульса люминесценции квантовых точек с ростом температуры.
- Обнаружение квантовых биений состояний тонкой структуры в кинетике поляризованной люминесценции и определение экспериментальных условий, при которых возможно наблюдение биений различных типов.
- Определение параметров тонкой структуры по частотам биений и механизма релаксации спиновой когерентности по кинетике затухания биений.
- Разработка методов наблюдения долгоживущей спиновой поляризации резидентных электронов. Проверка возможности использования для этой цели эффекта отрицательной циркулярной поляризации люминесценции.
- Определение основных механизмов формирования отрицательной поляризации люминесценции и спиновой ориентации резидентных электронов.
- Получение экспериментальных данных о времени жизни электронного спина и его зависимости от условий эксперимента.
- Установление роли сверхтонкого взаимодействия в спиновой релаксации резидентных электронов.
Научная новизна и практическая значимость работы.
Х Впервые предложен метод изучения спектра скоростей релаксации горячих носителей, основанный на управляемом изменении квантового выхода люминесценции с помощью приложенного электрического поля.
Х Впервые получены прямые экспериментальные доказательства эффективной релаксации носителей с участием акустических фононов.
Х Впервые получены прямые экспериментальные доказательства различных Оже-процессов, реализующихся, в частности, в условиях приборных применений гетероструктур с квантовыми точками.
Х Найден новый механизм, ответственный за ускорение нарастания импульса люминесценции квантовых точек с ростом температуры.
Х Впервые в кинетике поляризованной люминесценции квантовых точек InP найдены несколько типов квантовых биений состояний тонкой структуры энергетических уровней.
Х Обнаружен принципиально новый эффект - квантовые биения состояний горячего триона, расщепленных обменным взаимодействием.
Х Впервые определены параметры тонкой структуры и значения g-факторов электрона и дырки для ансамбля квантовых точек InP.
Х Впервые обнаружено резкое увеличение эффекта отрицательной циркулярной поляризации люминесценции при квазирезонансном возбуждении квантовых точек в небольшом продольном магнитном поле в условиях оптимизации зарядового состояния точек.
Х Получены прямые экспериментальные доказательства того, что большая величина эффекта отрицательной поляризации связана с ориентацией спинов резидентных электронов в однократно заряженных квантовых точках.
Х Впервые предложено модельное описание всех экспериментально наблюдаемых закономерностей в поведении отрицательной поляризации люминесценции в рамках модели, предполагающей одновременный переворот электронного и дырочного спинов в горячем трионе под действием анизотропной компоненты обменного взаимодействия.
Х Разработан оригинальный метод, названный PL-pump-probe методом, позволяющий исследовать долговременную спиновую динамику резидентных электронов по эволюции отрицательной поляризации люминесценции.
Х Впервые обнаружено, что электронная спиновая поляризация в самоорганизованных квантовых точках может сохраняться в течение сотен микросекунд при гелиевых температурах и небольшом продольном магнитном поле. Этот результат является практически важным для реализации спиновой памяти на базе самоорганизованных квантовых точек.
Х Установлены механизмы ускорения продольной релаксации электронного спина в квантовых точках InP, наблюдающегося при увеличении температуры образца или величины продольного магнитного поля.
Х Впервые получены экспериментальные доказательства, что долгоживущая ориентация спинов резидентных электронов, наблюдаемая в условиях подавления или слабой ориентации ядерных спинов, не является результатом динамической поляризации ядерной спиновой системы.
Положения, выносимые на защиту.
1. Энергетическая релаксация носителей в квантовых точках InP и InGaAs остается эффективной и при низкой температуре. Она происходит с испусканием не только продольных оптических, но и акустических фононов.
Фактически это означает, что теоретически предсказанный эффект узкого фононного горла для данных структур не находит экспериментального подтверждения.
2. При наличии более чем двух носителей в каждой точке эффективным каналом энергетической релаксации носителей в квантовых точках InP и InGaAs становятся Оже-процессы. Эти процессы реализуются в случае большой плотности оптического возбуждения, а также в результате зарядки точек под действием надбарьерного фотовозбуждения или при пропускании электрического тока через структуру.
3. Изменение кинетики люминесценции квантовых точек InP при повышении температуры обусловлено, в первую очередь, тепловым выбросом фоторожденных дырок в барьер, а не термической стимуляцией процессов фононной релаксации.
4. В кинетике поляризованной люминесценции квантовых точек InP возможно наблюдение пяти различных типов квантовых биений состояний тонкой структуры, анализ которых дает точную количественную информацию о взаимодействии носителей с магнитным полем и их обменном взаимо действии, а также о величинах расщеплений энергетических уровней, не превышающих сотых долей от ширины контура оптического перехода.
5. В кинетике линейно поляризованной люминесценции однократно заряженных квантовых точек InP, регистрируемой в отсутствии магнитного поля, наблюдается новый тип квантовых биений - квантовые биения состояний горячего триона, расщепленных обменным взаимодействием.
6. Экспериментально наблюдаемые проявления эффекта отрицательной поляризации люминесценции, возникающего при квазирезонансном возбуждении оптических переходов в однократно заряженных квантовых точках InP и InGaAs, соответствуют предсказаниям модели, предполагающей одновременный переворот электронного и дырочного спинов в горячем трионе под действием анизотропной компоненты обменного взаимодействия.
7. Наличие однозначной связи между степенью отрицательной поляризации люминесценции заряженных квантовых точек и степенью ориентации спина резидентного электрона дает принципиальную возможность изучения долговременной динамики электронного спина по эволюции отрицательной поляризации.
8. Эффективным методом исследования спиновой динамики в широком временном диапазоне от единиц пикосекунд до миллисекунд является люминесцентный pump-probe метод, основанный на измерении зависимости циркулярной поляризации люминесценции от временной задержки между накачивающим и пробным возбуждающими импульсами.
9. Электронная спиновая поляризации может сохраняться на временах, порядка единиц миллисекунд в квантовых точках InP и сотен микросекунд в квантовых точках InGaAs. Существенно, что столь долговременная спиновая память не является результатом динамической поляризации ядерной спиновой системы.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались на 18 российских и международных конференциях и симпозиумах, включая:
Х Международные симпозиумы Наноструктуры: физика и технология (Санкт-Петербург 1999, 2000, 2001, 2002, 2004, 2005, 2006, Новосибирск 2007);
Х Международная конференция по люминесценции и оптической спектроскопии конденсированных сред (ICL, Осака, Япония 1999);
Х Международные конференции по полупроводниковым квантовым точкам (QD: Мюнхен, Германия 2000; Токио, Япония 2002);
Х Международные конференции по физике полупроводников (ICPS: Осака, Япония 2000; Эдинбург, Англия 2002; Флагштаф, США 2004: Вена, Австрия 2006);
Х Всероссийские конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 2001; Екатиренбург 2007);
Х Международная конференция по сверхрешеткам, наноструктурам и наноустройствам (ICSNN'02, Тулуза, Франция 2002).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 44 публикациях, список которых приведен в конце автореферата [Д1 - Д44].
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 250 наименований. Объем диссертации составляет 3страниц, включая 82 рисунка и 3 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении кратко изложены причины высокого научного и практического интереса к квантовым точкам (КТ), приведены примеры их применения в различных областях. В конце раздела описана структура диссертации и приведены положения, выносимые на защиту.
Глава 1. Энергетическая релаксация носителей в квантовых точках.
Первая глава посвящена введению в проблему энергетической релаксации носителей в КТ, ее теоретическому анализу и экспериментальному исследованию преимущественно методами стационарной спектроскопии. Как отмечается в разделе 1.1 Введение, дискретная энергетическая структура уровней электронов и дырок в КТ накладывает целый ряд ограничений на процессы релаксации. Среди основных факторов, влияющих на релаксацию, указывается спектр энергетических состояний КТ, электронно-дырочное взаимодействие, спектр фононных состояний, электрон-фононное взаимодействие, наличие избыточных носителей в КТ. Помимо этого, реализация того или иного релаксационного процесса зависит от экспериментальных условий, в частности от температуры образца, мощности оптического возбуждения и энергии фотонов и т.д.
В разделе 1.2 Энергетическая структура квантовых точек проведено подробное обсуждение энергетических уровней в КТ. Для одиночных носителей в самоорганизованных КТ имеется дискретная система уровней с характерным расстоянием между ними, составляющим десятки meV. Система энергетических уровней электронно-дырочной (e-h-) пары является комбинацией уровней электрона и дырки. Помимо дискретного спектра, структура уровней e-h-пары имеет две зоны сплошного спектра, соответствующих надбарьерному движению электрона или дырки. Полный спектр e-h-пары является суперпозицией дискретного и непрерывного спектров и может быть достаточно плотным из-за тесного расположения дискретных уровней в больших КТ или близости зон сплошного спектра в маленьких КТ.
В разделе 1.3 Механизмы релаксации горячих носителей подробно рассматривается два основных механизма релаксации, а именно фононноиндуцированная и Оже-релаксация. Фононно-индуцированная релаксация носителей является базовым релаксационным процессом. Для ее реализации не требуется наличия других квазичастиц (носителей, фононов), она может происходить при низкой температуре и слабом возбуждении и определяет нижний предел скорости релаксации носителей. Релаксация с испусканием продольных оптических (LO) фононов является относительно быстрой.
Однако она возможна только в КТ, в которых энергетический зазор между уровнями кратен энергии LO фононов. В других КТ релаксация может происходить с испусканием акустических фононов и, согласно теории [1], должна быть очень медленной. На этом утверждении основана гипотеза о неэффективности фононно-индуцированной релаксации носителей, т.е. об эффекте узкого фононного горла. Оже-релаксацией называют процесс, в котором избыточная энергия носителя теряется в результате рассеяния на другом носителе, локализованном в КТ или в окружающем материале [2].
В разделе 1.4 Обзор экспериментальных и теоретических исследований рассматриваются основные теоретические представления и экспериментальные исследования, выполненные к началу наших работ. Одним из наиболее прямых методов является изучение кинетики разгорания импульса фотолюминесценции (photoluminescence, PL), отражающей эволюцию заселения излучательного состояния вследствие релаксации носителей из возбужденных состояний. Среди работ такого типа отметим работу [3], в которой исследовалась кинетика разгорания PL КТ InGaAs при межзонном возбуждении барьерных слоев. Авторы установили, что при низкой температуре и низкой плотности мощности возбуждения время разгорания не превосходит несколько десятков пикосекунд. В работе [4] изучались время-разрешенные спектры PL при квазирезонансном возбуждении КТ InP. Было установлено, что в течение первых нескольких десятков пикосекунд в спектрах наблюдаются резонансы, сдвинутые от энергии возбуждения на энергию одного или нескольких LO фононов, что явилось прямой демонстрацией быстрой релаксации носителей с испусканием LO фононов. Ряд авторов наблюдало LO фононные резонансы в спектрах стационарной люминесценции при квазирезонансном возбуждении КТ. Авторы работы [5] предположили, что резонансы обусловлены безызлучательными потерями возбуждения в исследованных структурах. В заключении обсуждения экспериментальных исследований подчеркивается, что в рассматриваемых работах только LO фононная релаксация была непосредственно идентифицирована как собственный релаксационный механизм при низкой плотности мощности возбуждения. Вместе с тем не было найдено убедительных свидетельств существования эффекта узкого фононного горла в КТ рассматриваемого типа.
Отсутствие экспериментальных доказательств эффекта узкого фононного горла стимулировало теоретические исследования собственных механизмов релаксации. Рассматривались различные варианты теории, позволяющие сузить диапазон энергетических зазоров между уровнями, в которых реализуется этот эффект. В частности, рассматривались комбинированные фононные процессы LO LA [6], механизм, связанный с наличием дефектов [7]. Однако в целом вопрос о природе высокой эффективности фононно-индуцированной релаксации остается теоретически не проработанным до сих пор. Теоретически также изучались различные Оже-процессы, включая электрон-электронное, дырочно-дырочное и электрон-дырочное рассеяния [2, 8]. Помимо этого в работах рассматривалось взаимодействие носителей с электрон-дырочной плазмой в окрестности КТ, созданной оптической накачкой [2], или с плаз монными возбуждениями в легированных слоях гетероструктуры, расположенными недалеко от слоя КТ [9]. Экспериментальные исследования Ожепроцессов являются крайне неполными. Их краткий обзор дан в диссертации.
В разделе 1.5 лОбъекты и методы исследования дано описание исследованных гетероструктур с КТ InP/In0.5Ga0.5P и In0.35Ga0.65As/GaAs.
Структуры были выращены с помощью эпитаксиальных технологий (MBE и MOVPE [10]) на легированных подложках. Характерные размеры КТ InP составляют 40 nm по основанию и 5 nm по высоте. Средний диаметр КТ InGaAs по основанию составляет 70 nm, а по высоте 10 nm. Двумерная плот-ность точек в слое равна 1010 cm-2 для точек обоих типов. На переднюю поверхность гетероструктур были нанесены полупрозрачные электроды (золотые или ITO), что позволило прикладывать электрическое смещение (bias) к поверхности образца и развить ряд эффективных методов изучения механизмов релаксации носителей.
При экспериментальном исследовании энергетической релаксации носителей использовались два метода, основанные на регистрации сигнала люминесценции КТ. В первом методе изучались спектры PL при квазирезонансном оптическом возбуждении в присутствии внешнего электрического поля. Во втором методе изучалась кинетика нарастания импульса PL, измеренного с высоким временным разрешением (5 ps) с помощью стрик-камеры. Люминесценция возбуждалась короткими импульсами (2 ps) перестраиваемого титансапфирового лазера. В диссертации описаны детали техники эксперимента.
Раздел 1.6 Спектры фотолюминесценции квантовых точек в электрическом поле посвящен описанию развитого нами метода исследования спектра скоростей релаксации с помощью управляемого электрическим полем тушения люминесценции. Метод основан на туннелировании фоторожденных носителей из возбужденных состояний при приложении отрицательного смещения к поверхности образца. Туннелирование носителей конкурирует с их энергетической релаксацией, что приводит к зависимости тушения PL от скорости релаксации носителей. В результате этого спектр PL неоднородно уширенного ансамбля КТ отражает зависимость скорости релаксации от величины энергетического зазора между возбужденным и основным уровнями e-h-пары.
Пример модификации PL спектра КТ InP при приложении отрицательного смещения показан на рисунке 1. С ростом отрицательного смещения в спектре проявляются интенсивные резонансы, обусловленные быстрой релаксацией носителей с испусканием LO фононов.
Аналогичные резонансы наблюдаются в LO zero Eexc спектрах КТ InGaAs. Такое же поведеbias ние обнаруживают и спектры возбуждеxния PL. Фононные резонансы синхронно -1.00 V сдвигаются при сдвиге энергии возбужx-1.25 V дения.
x-1.50 V В разделе 1.7 Физический механизм формирования фононных резоx-1.75 V x100 нансов показано, что главным процес-2.00 V сом, приводящим к фононным резонан1650 1700 17сам, является фононно-индуцированная Photon energy (meV) релаксация горячих носителей при налиРис. 1. чии безызлучательных потерь. В диссертации описана разработанная нами количественная модель селективного тушения PL. Модель рассматривает в качестве основных процессов тунелирование электронов и дырок через треугольный барьер, сформированный приложенным напряжением, релаксацию e-h-пары на нижайший уровень и их последующую рекомбинацию. Установлено, что эта модель правильно описывает экспериментальные зависимости интенсивности PL от приложенного напряжения, полученные как для LO резонанса, так и для спектральной точки, в которой релаксация e-h-пары происходит с испусканием двух акустических фононов (точка 1735 meV на рис. 1). Результаты теоретического анализа позволили определить ряд важных параметров исследуемой структуры. В частности установлено, что глубина залегания основного дырочного состояния в КТ InP составляет всего 13 meV, что подтверждает сделанное ранее теоретическое предсказание о малой глубине потенциальной ямы в КТ этого типа [11].
В заключительном разделе 1.8 перечислены основные результаты и выводы по главе 1. Результаты этих исследований опубликованы в работах [Д6, Д9, Д10, Д15, Д16, Д20, Д33].
PL intensity Глава 2. Релаксация с участием акустических фононов и Ожерелаксация.
В разделе 2.1 Акустические фононные резонансы описывается 0.исследование особенностей, наблюдаемых FA LO между LO-фононными резонансами и возбуждающей линией в условиях сильного 0.тушения PL (см. рис. 1). Положение этих 2AC особенностей соответствует энергиям высоTA кочастотных TA и LA фононов кристалла InP, LA 0.а также LA фононов барьерного слоя InGaP.
Для КТ InGaAs также наблюдаются резонансы, сформированные акустическими фонона0.ми. Для определения скорости релаксации 020 40 носителей с испусканием акустических фоно- Stokes shift (meV) Рис. 2. нов проведены подробные исследования импульса PL в различных спектральных точках. Установлено, что импульс описывается функцией I(t) = I0[exp(- ( + )t)- exp(- ( + 1t )t)] и ее обобщениPL 0t r ями, учитывающими неоднородность ансамбля КТ. Здесь PL, r, 0t, 1t - скорости рекомбинации, релаксации, и туннелирования e-h-пары из основного и возбужденного состояний, соответственно. Это позволило определить абсолютные значения скоростей релаксации (r-1 r) и их спектральную зависимость, пример которой для КТ InP приведен на рисунке 2.
В спектрах скоростей релаксации также наблюдаются акустические фононные резонансы, в максимумах которых время релаксации не превышает 50 ps. Столь высокая скорость релаксации с испусканием акустических фононов еще не нашла своего теоретического обоснования. В диссертации обсуждаются несколько возможных причин эффективного взаимодействия e-h-пары с акустическими фононами. Среди них, в частности, рассматривается Г-Х-Lсмешивание состояний носителей в КТ, разрешающее участие фононов с большим волновым вектором в релаксационных процессах. Возможной причиной также является малая групповая скорость и, соответственно, большое время взаимодействия высокочастотных фононов с носителями. Низкоэнергетический пик (FA на рис. 2), впервые обнаруженный в нашей работе, вероятно обус --r (ps ) ловлен взаимодействием с резонансными фононами с длиной волны порядка диаметра основания КТ, что было предсказано теоретически в работе [1].
В разделе 2.2 Оже-релаксация описываются несколько Оже-процессов, исследованных экспериментально. Первый из рассматриваемых процессов наблюдается при мощном возбуждении, когда в КТ рождаются несколько e-hпар. Эксперимент показывает, что фононные резонансы, наблюдаемые в спектрах образцов с большими нерадиационными потерями (см. рис. 1), постепенно замываются с ростом мощности возбуждения. Это свидетельствует о быстрой релаксации e-h-пары при любых зазорах между энергетическими уровнями и интерпретируется как включение эффективного механизма Оже-релаксации, обусловленного рассеянием носителя на носителе при наличии нескольких e-hпар в КТ. Указанный процесс также приводит к ускорению нарастания импульса PL и появлению в нем скачка 0.интенсивности PL (см. вставку на рис.
U=0V 3). Это свидетельствует о большой 0.скорости Оже-процесса, лежащей за 0.4 step пределами временного разрешения 0.0 50 1экспериментальной установки (5 ps).
0.time (ps) electric current Другим классом изученных про induced 0.QD charging цессов являются процессы в заря0.induced женных КТ. Зарядовое состояние КТ контролировалось с помощью прило0.0.женного напряжения или дополнительной подсветки, рождающей носи0.0 0.тели в барьерных слоях. В этом случае -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.Ubias (V) также наблюдался скачок интенсив- Рис. 3. ности PL. Импульс PL хорошо опиcывается функцией: I (t) = I0[exp(- t) - ( exp(- t) + (1 - ) exp(- t))], где - PL A ph доля точек, в которых происходит быстрая Оже-релаксация e-h-пары со скоростью A; ph - скорость фононной релаксации. Эксперимент показывает (рис. 3), что, с ростом доли заряженных КТ InP и увеличением заряда в них, величина скачка увеличивается. В работе подчеркивается неполная однознач PL intensity Electric current (mA) ность этой интерпретации: возможно как проявление Оже-процесса, так и рекомбинации дырки с резидентным электроном.
Еще один Оже-процесс, проявляющийся при протекании электрического тока через гетероструктуру (см. рис. 3, Ubias < - 1V), обусловлен рассеянием носителей, локализованных в КТ, на носителях тока. Аналогичные явления наблюдаются и для КТ InGaAs. В работе проводится подробное обсуждение этих процессов.
Раздел 2.3 Температурная зависимость динамики горячих носителей в квантовых точках посвящен детальному исследованию эффекта ускорения нарастания импульса PL с повышением температуры образца с КТ InP. Этот эффект, впервые описанный в работе [3] для КТ InAs, интерпретирован в модели ускорения релаксации носителей за счет стимулированного испускания фононов. В нашей работе установлено, что этот процесс не играет существенной роли, и предложено другое объяснение эффекта. В предложенной нами модели предполагается, что при повышенных температурах образца происходит термический выброс (УиспарениеФ) фоторожденной дырки из КТ, т.к. потенциальная яма для дырок в КТ InP меньше 15 meV. В результате этого КТ становится отрицательно заряженной, причем заряд сохраняется в течение времени, сравнимого с периодом следования лазерных импульсов. При возбуждении заряженных КТ происходят Оже-процессы или УмгновеннаяФ рекомбинация фоторожденных дырок с резидентными электронами, что и приводит к сокращению переднего фронта импульT=50K са PL ансамбля КТ. Выброшенные в барьер дырки постепенно возвращаются, что приводит к появлению медленной компоненты в затухании PL.
0 25 Рассмотренная модель позволила Time (ps) количественно объяснить все наблюдаемые температурные зависимости таких slow PL comp.
характеристик, как времена нарастания и exciton PL trion PL затухания быстрой и медленной компо0 200 400 6ненты PL, а также их интегральных Time (ps) интенсивностей. Рассчитанная в рамках Рис. 4. этой модели форма импульса PL (рис. 4) PL intensity PL intensity оказалась в хорошем согласии с экспериментом. В работе также установлена роль УиспаренияФ электронов и получены значения параметров рассмотренных процессов. Сделан вывод, что сокращение переднего фронта PL не связано с ускорением релаксации носителей.
В разделах 2.4 УЗаключениеФ и 2.5 УОсновные результаты и выводы по главе 2Ф кратко суммируются полученные результаты. Изложенные в главе 2 результаты опубликованы в работах [Д10, Д12, Д15, Д16, Д20, Д30, Д33].
При анализе результатов использованы материалы работ [Д1-Д5, Д7, Д37].
Глава 3. Исследование тонкой структуры уровней и спиновой динамики носителей с помощью квантовых биений.
В разделе 3.1 Введение указывается, что для понимания спиновой динамики носителей необходимо знание тонкой структуры энергетических уровней, исследование которой крайне затруднено большим неоднородным уширением ансамбля КТ. Эффективным методом при этом оказывается изучение квантовых биений состояний тонкой структуры. В данной главе описано пять типов квантовых биений, впервые обнаруженных в кинетике PL квантовых точек InP. В начале главы приведены основные понятия и спингамильтониан, необходимые для описания квантовых биений.
В разделе 3.2 Квантовые биения состояний тонкой структуры в нейтральных квантовых точках InP описаны биения, наблюдаемые в продольном и наклонном магнитном полях в кинетике PL при приложении отрицательного смещения Ubias < -0.8 V, при котором точки становятся нейтральными. Продольное магнитное поле расщепляет светлые состояния экситона +1 и -1, суперпозиция которых возбуждается линейно-поляризованным излучением. Биение этих состояний приводит к быстрозатухающим осцилляциям кинетики степени циркулярной поляризации PL, анализ которых позволяет определить g-фактор экситона и его разброс в ансамбле.
В косом магнитном поле наблюдаются биения темных и светлых состояний экситона (рис. 5). Их анализ позволяет определить электронный gфактор и величину обменного расщепления 0 между темным и светлым дублетами. В работе установлена высокая температурная стабильность биений, наблюдаемых вплоть до 100 К. Анализ показал, что затухание биений при T < 50 K обусловлено их дефазировкой из-за разброса параметров тонкой структуры в ансамбле КТ. При дальнейшем росте температуры основным механизмом релаксации становится термический заброс электрона на возбужденное состояние (процесс Орбаха).
-0.15 V В разделе 3.3 Трионные -0.75 V квантовые биения в однократно -1.00 V -1.20 V заряженных квантовых точках -1.50 V 0 100 200 300 4описывается принципиально новый time (ps) вид биений, ранее не наблюдав- Рис. 5. шийся экспериментально (рис. 6). Они наблюдаются при линейно поляризованном возбуждении и детектировании PL в ко- и кросс линейных поляризациях. Биения проявляются в отсутствии магнитного поля, а приложение продольного магнитного поля приводит к их подавлению. Биения наблюдаются в узком диапазоне приложенных напряжений (Ubias 0.3 V), соответствующем наличию одного резидентного электрона в КТ в среднем.
Анализ механизма формирования на|| (a) блюдаемых квантовых биений основан на предложенной К. В. Кавокиным [Д19, 12] модели энергетической структуры горячего Ubias=-0.175 V триона, состоящего из резидентного электрона в основном состоянии и фоторожден(b) ной e-h-пары в возбужденном состоянии.
0.Тонкая структура триона содержит синглет0.ный и три триплетных уровня, ращеплен-0.0 50 100 ных обменным взаимодействием. Одновреtime (ps) менное возбуждение двух триплетных уров- Рис. 6. ней линейно поляризованным светом и приводит к возникновению биений, частота которых определяется расщеплением триплета: = 0t / h.
В разделе 3.4 Электронные и дырочные квантовые биения описываются биения степени циркулярной поляризации PL, связанные с PL Intensity PL intensity прецессией электронного и дырочного спинов в поперечном магнитном поле.
Прецессия дырочного спина наблюдалась в однократно отрицательно заряженных КТ при возбуждении фотонами с энергией, всего на 5 - 15 meV больше энергии основного перехода. При этом электрон рождался на основном уровне, и его спин спаривался со спином резидентного электрона.
Прецессия дырочного спина приводит к быстро затухающим биениям, причем частота биений, определяемая величиной зеемановского расщепления, нелинейно зависела от магнитного поля. Аналогичная полевая зависимость уже наблюдалось для структур с квантовыми ямами.
Прецессия электронного спина проявлялась в виде противофазных слабо затухающих осцилляции малой амплитуды в ко- и кросс-поляризованной PL. Осцилляции наблюдались при возбуждении КТ, содержащих два резидентных электрона со спаренными спинами, на 45 meV выше основного состояния. При таком возбуждении дырки с некоторой вероятностью могут рождаться в барьерных слоях, поскольку глубина потенциальной ямы для дырок в точках InP невелика. Такая делокализованная в барьере дырка слабо взаимодействует с локализованным в КТ электроном и не препятствует прецессии его спина в поперечном магнитном поле. Время существования дырки в барьере может составлять сотни пикосекунд. После захвата дырки в квантовую точку, она может рекомбинировать с одним из электронов. Ее рекомбинация с фоторожденным электроном и дает наблюдаемые биения.
В разделах 3.5 Заключение и 3.6 Основные результаты и выводы по главе 3 систематизированы экспериментальные условия, при которых наблюдаются различные биения, и приведены параметры тонкой структуры экситонов и трионов, полученные из анализа биений. Результаты исследований опубликованы в работах [Д11, Д13, Д14, Д17, Д19, Д21, Д24, Д27, Д43, Д44]. При анализе результатов использованы также работы [Д18, Д26].
Глава 4. Отрицательная поляризации люминесценции как метод исследования долговременной ориентации электронного спина в квантовых точках.
Интерес к поиску долгоживущей спиновой поляризации носителей в КТ стимулирован теоретическим предсказанием сильного подавления ряда механизмов спиновой релаксации, прежде всего механизма Дьяконова-Переля [13].
В разделе 4.1 Введение обсуждается состояние исследований на момент начала наших работ (2004 г.). Локализация электронов в КТ приводит к усилению сверхтонкого взаимодействия [14], обуславливающего быструю релаксацию электронного спина в поле ядерных спиновых флуктуаций [15]. Подавление этого эффекта продольным магнитным полем позволяет увеличить время жизни спина. Теоретический предел, обусловленный электрон-фононным взаимодействием, достигает единиц секунд [16]. Экспериментально получено время 20 ms в поле 4 Т [17]. В этом разделе сформулированы также требования к объектам и методам исследования. В данной главе подробно описывается эффект отрицательной циркулярной поляризации (negative circular polarization, NCP) PL, позволяющий изучать поляризацию резидентного электрона, и развитый нами PL-pump-probe метод, обеспечивающий исследование распада спиновой поляризации в большом временном диапазоне.
В разделе 4.2 Спектр и кинетика циркулярной поляризации люминесценции описывается эффект NCP, наблюдаемый в спектре и кинетике PL КТ InP при квазирезонансном возбуждении. Эффект заключается в возникновении долгоживущей отрицательной поляризации при возбуждении PL квантовых точек с относительно большим cтоксовым сдвигом (см. рис. 7).
При этом амплитуда степени поляризации, ANCP, может достигать десятков процентов (a) + по модулю. В экспериментах установлено, что большая амплитуда NCP достигается + + при (а) наличии одного резидентного электрона в КТ в среднем, (б) небольшом 0 250 500 750 100.продольном магнитном поле (B ~ 0.1 T) и (b) 0.(в) интенсивной накачке.
Подробное исследование зависимос-0.ти NCP от зарядового состояния КТ опи-0.сано в разделе 4.3 Зависимость NCP от 0 250 500 750 10приложенного электрического смещеtime (ps) ния. Показано, что максимум NCP достиРис. 7. гается при тех же напряжениях, что и максимум амплитуды трионных биений, описанных в главе 3. При отклонении от оптимального напряжения величина NCP убывает, причем ее поведение PL intensity c NCP A хорошо описывается функцией Лоренца с полушириной и амплитудой, зависящими от мощности накачки.
В разделе 4.4 Модель формирования NCP кратко рассматриваются модели, предложенные в работах [18, 19]. Модель работы [18] рассматривает рождение свободных электронов и дырок в барьерных слоях, связывание их в темные и светлые экситоны и последующий захват экситонов в КТ. В работе [19] обсуждается процесс возбуждения носителей в смачивающем слое с последующим захватом их на возбужденные состояния КТ. Предполагается, что дырочный спин в процессе захвата теряется, тогда как спин электрона сохраняет свою ориентацию. Для реализованного в нашей работе процесса непосредственного поглощения фотона в КТ нами разработана модель, близкая к модели работы [19]. В нашей модели рассматривается рождение горячих трионов с параллельными (Р-трионы) и анти-параллельными (А-трионы) электронными спинами. В Р-трионах происходит взаимных переворот (flipflop) электронного и дырочного спина, в результате которого электронные спины спариваются, а инвертированный дырочный спин обуславливает наблюдаемый эффект NCP. Привлечение flip-flop процесса в горячем трионе для объяснения формирования NCP было предложено К. В. Кавокиным и впервые опубликовано в работе [19]. Частичная потеря спина дырки в А-трионах обеспечивает спиновую ориентацию резидентных электронов. В разделе приведены кинетические уравнения, описывающие названные процессы, и их решения, хорошо воспроизводящие кинетику люминесценции в различных поляризациях, а также кинетику степени циркулярной поляризации. Для амплитуды NCP получено простое выражение: ANCP = nA(1-2q) - nP, где nA и nР - доли КТ с А- и Р-трионами, q - вероятность ориентации спина резидентного электрона в КТ с А-трионами.
В разделе 4.5 Двух импульсные эксперименты (PL pump-probe) описывается развитый нами метод исследования долгоживущей спиновой поляризации резидентных электронов. Метод основан на формировании двух лазерных пучков (pump и probe) с независимым управлением поляризацией каждого из них. Лазерные импульсы в каждом из каналов разнесены во времени, так что люминесценция, возбуждаемая каждым из пучков, может детектироваться независимо с помощью стрик-камеры. Для исследования спиновой динамики в микросекундном масштабе времени, в каждом из каналов форми ровались цуги лазерных импульсов с варьируемым временным зазором между ними. Развитый метод использован, прежде всего, в экспериментах с одинаковыми интенсивностями pump и probe пучков, описанных в разделе 4.Проверка модели ориентации спинов резидентных электронов. В разделе показано, что спиновая поляризации может быть определена из этих экспериментов по формуле: S = 0.5[ANCP (cross) - ANCP (co)]/[1 + ANCP (cross)], где ANCP(co) и ANCP(cross) - амплитуды NCP при ко- кросс-поляризованном возбуждении. Установлено, что при равной интенсивности пучков ANCP(cross) < 1, поэтому поляризация резидентного электрона с хорошей точностью определяется разностью ANCP = ANCP(cross) - ANCP(co).
В разделе 4.7 Спиновая поляризация в различных подансамблях квантовых точек описан вариант модели, учитывающий наличие нейтральных и двукратно заряженных КТ в ансамбле. Этот вариант использован в разделе 4.8. Моделирование кинетики поляризованной люминесценции для более аккуратного описания особенностей кинетики. В результате моделирования получена оценка времени flip-flop процесса: ff 50 ps. В разделах 4.9 Зависимость NCP от плотности мощности возбуждения и 4.Температурная зависимость NCP описано поведение NCP при варьировании внешних условий. Установлено, что NCP увеличивается с ростом мощности накачки, что указывает на накопление поляризации резидентных электронов. Описаны двухпучковые эксперименты с варьируемой длительностью цуга пробных импульсов и их моделирование. Получена оценка вероятности поглощения фотона одной КТ при квазирезонансном возбуждении: a 1.6*10-3. Температурные измерения показали, что NCP и, соответственно, спиновая поляризация разрушаются практически до нуля при T > K. Для описания этих экспериментов сделано обобщение модели формирования NCP, учитывающее спиновую релаксацию дырки в горячих Р-трионах.
Установлено, что основным процессом разрушения спиновой поляризации является процесс Орбаха. Получено хорошее количественное согласие теории и эксперимента.
В разделе 4.11 NCP в продольном магнитном поле описываются результаты исследования NCP при ко- и кросс поляризованном возбуждениях в зависимости от величины продольного магнитного поля. В обоих случаях наблюдаемое поведение NCP может быть описано как колоколообразное уменьшение NCP, наложенное на линейную зависимость от магнитного поля.
Анализ показал, что линейная зависимость обусловлена вымораживанием резидентных электронов на нижайшем зеемановском уровне в дефектных КТ, в которых спин электрона быстро релаксирует предположительно из-за наличия парамагнитных дефектов в окрестности КТ. Колоколообразное поведение обусловлено (i) стабилизацией экситонных спинов в нейтральных КТ и (ii) стабилизацией дырочных спинов в А-трионах, вследствие которой уменьшается эффективность поляризации резидентных электронов. Анализ также показал, что возможное подавление магнитным полем процесса flip-flop не проявляется в данных экспериментах, поскольку амплитуда NCP определяется кинетикой затухания, а не нарастания импульса PL.
В заключительных разделах 4.12 Заключение и 4.13 Основные результаты и выводы по главе 4 подведены итоги исследования эффекта NCP в КТ InP. Делается вывод о том, что построенная модель формирования NCP позволяет количественно описать все закономерности в поведении NCP, исследованные экспериментально. Установленная связь между амплитудой NCP и спиновой поляризацией резидентных электронов служит надежной основой для исследования времени жизни спина. Результаты исследований опубликованы в работах [Д22, Д23, Д25, Д28, Д31, Д43]. При анализе результатов экспериментальных исследований использовались методы, развитые в работе [Д8].
Глава 5. Долгоживущая спиновая поляризация носителей в квантовых точках.
В этой главе рассмотрена спиновая релаксация резидентных электронов в квантовых точках InP и InAs в масштабе времен от долей микросекунды до единиц миллисекунд, изученная с помощью описанного выше PL-pump-probe метода. В разделе 5.1 PL-pump-probe эксперименты в микросекундном диапазоне описываются детали метода исследования и анализа экспериментальных данных. На рисунке 8 приведены результаты исследования амплитуды NCP для КТ InP как функции задержки между цугами pump и probe импульсов. Видно, что ненулевая разность амплитуд NCP, ANCP, и, соответственно, электронная спиновая поляризация наблюдаются на временах вплоть до 100 микросекунд. Для исследо0.вания спиновой поляризации в большем 0.временном диапазоне мы использовали чувствительный метод, основанный на 0.регистрации степени циркулярной поля0.ризации PL. Измерения, описанные в разcross-pump-probe -0.деле 5.2 Субмиллисекундная спиноlin.pump - circ.probe вая релаксация, показали, что спино-0.вая поляризация в КТ InP наблюдается co-pump-probe -0.вплоть до единиц миллисекунд.
0 20 40 60 80 1Скорость релаксации спина, как delay (s) описано в разделе 5.3 Релаксация в Рис. 8. продольном магнитном поле, квадратично растет с ростом магнитного поля и достигает величины s = 0.06 (s)-1 в поле B = 10 T. Ускорение спиновой релаксации объясняется смешиванием нижайших и возбужденных электронных состояний, приводящим к активации рамановского двухфононного процесса релаксации. Повышение температуры образца выше 10 K, как показали эксперименты, описанные в разделе 5.Температурная стабильность спиновой ориентации, также приводит к резкому ускорению релаксации спина. Такое поведение релаксации хорошо описывается в предположении, что основным термоактивируемым процессом является процесс Орбаха, связанный с забросом электрона на ближайший возбужденный уровень.
В разделе 5.5 Долгоживущая ориентация электронных спинов в условиях подавления динамической ядерной поляризации описаны эксперименты, в которых использовалась сложная последовательность импульсов, состоящая из двух пар pump-probe импульсов в одном периоде накачки. Циркулярная поляризация импульсов второй пары была ортогональной поляризации импульсов первой пары, так что средняя поляризация возбуждения равнялась нулю. Это позволило полностью подавить эффект динамической поляризации ядер, рассматриваемый многими авторами как основной механизм стабилизации электронного спина. Эксперименты, выполненные для наноструктур с отожженными КТ InAs, показали, что даже в NCP A NCP A отсутствии ядерной поляризации в точках этого типа долгоживущая электронная поляризации сохраняется по крайней мере в течение 100 мкс.
Роль взаимодействия с ядерными спинами в квантовых точках подробно изучена в разделе 5.6 Влияние сверхтонкого взаимодействия на электронную спиновую поляризацию, где обсуждаются два эффекта. Первый эффект обусловлен случайным полем неориентированных ядерных спинов, приводящим к быстрой деполяризации электронного спина в отсутствии внешBN 0.него поля [17]. Приложение продоль-0.2Bf ного магнитного поля подавляет этот -0.0.эффект (рис. 9). Полуширина провала в -0.1 0 0.полевой зависимости амплитуды NCP B(T) служит мерой эффективного поля, BB, f -0.01 T ядерных спиновых флуктуаций. В этом -0.02 T -0.25 разделе подробно описываются экспе-0.03 T риментальные исследования и анализ ядерных спиновых флуктуаций в КТ InP B < -0.05 T & B > +0.3 T -0.и InGaAs.
0 250 500 750 10time (ps) Второй эффект заключается в действии Рис. 9. регулярного поля динамической ядерной поляризации, появляющемся в случае сверхтонкого взаимодействия с ориентированным электронным спином. Эффективное поле ядерной поляризации, BB, можно измерить по величине сдвига провала (см. вставку на рис. 9). В N принципе поле BB может достигать больших значений (единицы или десятки N Тесла) при большой поляризации ядер. В этом случае может происходить стабилизация электронного спина за счет расщепления электронного уровня в ядерном поле и релаксации электрона на нижнюю зеемановскую компоненту.
Помимо этого, накопленный в ядерной подсистеме угловой момент может быть тем резервуаром, который служит для восстановления поляризации электронного спина в случае ее потери. В экспериментальных условиях, использованных нами при исследовании долгоживущей электронной спиновой ориентации в КТ InP, поле BB не превышало 10 mT, что соответствует N ничтожной (доли процента) поляризации ядер. В этих условиях стабилизация электронного спина за счет сверхтонкого взаимодействия невозможна. Поэто NCP A c му в работе делается вывод о том, что наблюдаемое большое время жизни спина электрона не является следствием сверхтонкого взаимодействия.
В последнем разделе 5.7 приводятся основные результаты и выводы по главе 7. Результаты исследований опубликованы в работах [Д29, Д31, Д32, Д34-Д36, Д39-Д43]. При анализе результатов использовались также данные работы [38].
Заключение В диссертационной работе получены следующие основные результаты.
1. Разработан метод измерения спектральной зависимости скорости энергетической релаксации электрон-дырочной пары в квантовых точках InP и InGaAs, основанный на управляемом изменении квантового выхода люминесценции с помощью приложенного электрического поля.
2. Обнаружено, что приложение электрического поля, снижающего квантовый выход, сопровождается появлением в спектрах люминесценции квантовых точек сравнительно узких резонансов, обусловленных быстрой фононной релаксацией носителей. Установлено, что, помимо резонансов на частотах оптических фононов, в спектрах люминесценции присутствуют менее интенсивные акустические фононные резонансы. Этот результат является первой демонстрацией эффективности энергетической релаксации носителей с испусканием акустических фононов.
3. Получены экспериментальные доказательства реализации Оже-процессов в квантовых точках InP и InGaAs при нескольких вариантах внешнего воздействия, а именно: при увеличении мощности оптического возбуждения, при электрической зарядке точек с помощью возбуждения оптических переходов в барьерных слоях или приложенного напряжения, и при протекании через гетероструктуру электрического тока.
4. Экспериментально обнаружено ускорение нарастания импульса люминесценции квантовых точек InP с ростом температуры. Установлено, что этот эффект не связан с термической стимуляцией процессов фононной релаксации, а обусловлен тепловым выбросом фоторожденных дырок в барьер. Предложена теоретическая модель, позволившая количественно описать наблюдаемый эффект.
5. Проведено сравнительное исследование спиновой динамики в квантовых ямах GaAs/AlGaAs, короткопериодных сверхрешетках GaAs/AlAs и квантовых точках InP/InGaP. Показано, что большинство экспериментальных и теоретических методов изучения тонкой структуры уровней и спиновой динамики, разработанные для квазидвумерных гетероструктур, могут быть перенесены на структуры с квантовыми точками, несмотря на значительное большее неоднородное уширение оптических переходов в ансамбле квантовых точек.
6. Обнаружено проявление квантовых биений уровней тонкой структуры в люминесценции электрически нейтральных квантовых точек InP. Показано, что анализ формы биений дает точную количественную информацию о величинах расщеплений, составляющих сотые доли от ширины контура оптического перехода.
7. Обнаружен принципиально новый эффект периодических осцилляций степени линейной поляризации люминесценции однократно заряженных квантовых точек InP в отсутствии магнитного поля. Показано, что причиной осцилляций являются квантовые биения состояний горячего триона, расщепленных обменным взаимодействием.
8. Определены параметры экситонной тонкой структуры и значения g-факторов электрона и дырки в квантовых точках InP. Оценен разброс параметров в неоднородном ансамбле точек.
9. Обнаружено, что при возбуждении однократно заряженных квантовых точек InP циркулярно поляризованным светом, степень циркулярной поляризации люминесценции, регистрируемой со стоксовым сдвигом 20 - 70 meV, имеет отрицательный знак. Эффект отрицательной поляризации люминесценции интерпретирован как результат одновременного переворота электронного и дырочного спинов в горячем трионе, обусловленного анизотропной компонентой обменного взаимодействия.
10. Экспериментально установлено, что степень отрицательной поляризации люминесценции заряженных квантовых точек однозначно связана со степенью ориентации спина резидентного электрона. Таким образом, исследование отрицательной поляризации позволяет изучать долговременную динамику электронного спина.
11. Развита феноменологическая модель, описывающая спиновую динамику ансамбля квантовых точек, содержащих различное количество резидентных электронов. Анализ экспериментальных данных с использованием развитой модели позволил оценить долю нейтральных и однократно заряженных точек и основные параметры спиновой релаксации носителей.
12. Обнаружен нетривиальный характер зависимости степени отрицательной поляризации люминесценции ансамбля квантовых точек InP от величины и знака продольного магнитного поля. Сделан вывод, что изменение степени поляризации в магнитном поле обусловлено двумя основными процессами: вымораживанием электронного спина на нижний зеемановский подуровень и подавлением переворота дырочного спина в процессе энергетической релаксации дырки.
13. Разработан и реализован оригинальный метод исследования спиновой динамики в исключительно широком временном диапазоне от единиц пикосекунд до миллисекунд - люминесцентный pump-probe метод.
14. С использование люминесцентного pump-probe метода экспериментально продемонстрировано существование ненулевой электронной спиновой поляризации на временах, порядка единиц миллисекунд в квантовых точках InP и сотен микросекунд в квантовых точках InGaAs.
15. С помощью измерения величины эффективного магнитного поля динамической ядерной поляризации, а также прямых экспериментов, проведенных в условиях полного подавления динамической ориентации ядер, показано, что поляризация ядерной спиновой системы не является причиной столь долговременной спиновой памяти.
Основные работы, включенные в диссертацию.
Д1. И. Н. Абрамова, И. Я. Герловин, Ю. К. Долгих, С. А. Елисеев, И. В.
Игнатьев, В. В. Овсянкин, Ю. П. Ефимов, В. В. Петров, С. В. Шабанов, УНелинейная люминесценция и динамическое уширение экситонных линий в структурах GaAs/AlGaAs при непрерывном оптическом возбужденииФ, ФТТ 38, 434-436 (1996).
Д2. И. В. Игнатьев и В.В. Овсянкин Спектры электронно-колебательных f-fпереходов в кристаллах CaF2-Tm2+ and SrF2-Tm2+, Опт. спектр. 81, с.
79-94 (1996).
Д3. M. V. Belousov, A. Yu. Chernyshov, I. V. Ignat'ev, I. E. Kozin, A. V. Kavokin, H. M. Gibbs, G. Khitrova, "Statistical Model Explaining the Fine Structure and Interface Preference of Localized Excitons in Type-II GaAs/AlAs Superlattices", J.Nonlinear Opt. Phys.& Mater. 7, 13-35 (1998).
Д4. И. Я. Герловин, Ю. К. Долгих, Ю. П. Ефимов, И. В. Игнатьев, И. А.
Недокус, УПроявление резонансного Г-Х-смешивания в градиентных GaAs/AlAs-короткопериодных сверхрешеткахФ, ФТТ 40, 822-823 (1998).
Д5. И. Я. Герловин, Ю. К. Долгих, Ю. П. Ефимов, И. В. Игнатьев, Е. Е.
Новицкая, В. В. Овсянкин, Температурная делокализация возбуждений в GaAs/AlAs-сверхрешетках типа II, ФТТ 40, No.6, c. 1140-1146 (1998).
Д6. I. E. Kozin, I. V. Ignatiev, S. Nair, H.-W. Ren, S. Sugou, Y. Masumoto. "LO phonon mediated relaxation in InP self assembled quantum dots in electric field". Proc. 7th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" (SPb, Russia, June 14-18,1999). Ioffe Institute, St.-Petersburg, 1999, pp.24-27.
Д7. I. V. Ignatiev, I. E. Kozin, H.-W. Ren, S. Sugou, Y. Masumoto. "Anti-Stokes photoluminescence of InP self-assembled quantum dots in the presence of electric current". Phys. Rev. B 60, pp. R14001-R14003 (1999).
Д8. И. Я. Герловин, И. В. Игнатьев, В. В. Овсянкин, Магнитный дихроизм и структура вибронного спектра перехода 5D0-7F2(Г5g) в кристалле SrF2:Sm2+, Опт. спектр. 86, с. 982-987 (1999).
Д9. I. E. Kozin, I. V. Ignatiev, S. Nair, H.-W. Ren, S.Sugou, Y. Masumoto. "LO phonon resonances in photoluminescence spectra of InP self assembled quantum dots in electric field". J. Lumin. 87-89, pp. 441-443 (2000).
Д10. I. V. Ignatiev, I. E. Kozin, S. V. Nair, H.-W. Ren, S. Sugou, Y. Masumoto, "Carrier relaxation dynamics in InP quantum dots studied by artificial control of nonradiative losses." Phys. Rev. B 61, pp. 15633-15636 (2000).
Д11. V. G. Davydov, A. V. Fedorov, I. V. Ignatiev, S. V. Nair, J.-S. Lee, H.-W.
Ren, S. Sugou, Y. Masumoto. "Observation of quantum beats in photoluminescence of self-assembled quantum dots." Proc. 8th Int. Symp.
"Nanostructures: Physics and Technology" (NANO2000: St. Petersburg, Russia, June 19-23, 2000). Ioffe Institute, St. Petersburg, 2000, pp.395-398.
Д12. V. G. Davydov, I. V. Ignatiev, I. E. Kozin, J.-S. Lee, S. V. Nair, K. Nishi, H.W. Ren, S. Sugou, Y. Masumoto. "Phonon-assisted carrier relaxation in selfassembled quantum dots." Proc. 25th Int. Conf. on the Physics of Semiconductors (ICPS25, Osaka, Japan, September 17-22, 2000). Springer Proceedings in Physics, Vol. 87, Pt. II, pp. 1127-1128 (2001).
Д13. I. E. Kozin, V. G. Davydov, A. V. Fedorov, I. V. Ignatiev, H.-W. Ren, M.
Sugisaki, S. Sugou, Y. Masumoto. "Electric field induced quantum beats in photoluminescence of self-assembled quantum dots." Proc. 25th Int. Conf. on the Physics of Semiconductors (ICPS25, Osaka, Japan, September 17-22, 2000). Springer Proceedings in Physics, Vol. 87, Pt. II, pp. 1149-1150 (2001).
Д14. V.G. Davydov, A.V. Fedorov, I.V. Ignatiev, I.E. Kozin, H.-W. Ren, M. Sugisaki, S. Sugou, Y. Masumoto. "Quantum Beats in Photoluminescence Kinetics of InP Quantum Dots in Electric field." Phys. Stat. Sol. (b) 224, 425-9 (2001).
Д15. V. G. Davydov, I. V. Ignatiev, I. E. Kozin, S. V. Nair, H.-W. Ren, S. Sugou, Y. Masumoto. "Carrier relaxation dynamics in self-assembled quantum dots studied by artificial control of nonradiative losses." Phys. Stat. Sol. (b) 224, pp.
493-496 (2001).
Д16. I.V. Ignatiev, I.E. Kozin, V.G. Davydov, S.V. Nair, J.-S. Lee, H.-W. Ren, S.
Sugou, Y. Masumoto. "Phonon resonances in photoluminescence spectra of self-assembled quantum dots in electric field", Phys. Rev. B 63, pp. 075316-111 (2001).
Д17. I.E. Kozin, V.G. Davydov, I.V. Ignatiev, A. Kavokin, K. Kavokin, M. Sugisaki, Y. Masumoto, УSpin quantum beats of hot trions in quantum dots", Proc.
9th Int. Symp. УNanostructures: Physics and TechnologyФ (St.-Petersburg, Russia, June 18-22, 2001). Ioffe Institute, St.Petersburg, 2001, pp. 388-391.
Д18. I. Ya. Gerlovin, Yu. K. Dolgikh, S. A. Eliseev, V. V. Ovsyankin, Yu. P. Efimov, V. V. Petrov, I. Vi. Ignatiev, I. E. Kozin, Y. Masumoto. "Fine structure and spin dynamics of excitons in the GaAs/AlxGa1-xAs superlattices" Phys.
Rev. B 65, 035317-1 - 10 (2002).
Д19. I. E. Kozin, V. G. Davydov, I. V. Ignatiev, A. V. Kavokin, K. V. Kavokin, G.
Malpuech, Hong-Wen Ren, M. Sugisaki, S. Sugou, and Y. Masumoto, "Zerofield spin quantum beats in charged quantum dots." Phys. Rev. B 65, 241312-- 4(R) (2002).
Д20. Ivan V. Ignatiev and Igor E. Kozin "Dynamics of carrier relaxation in quantum dots". In "Semiconductor Quantum Dots. Physics, Spectroscopy and Applications", Eds. Yasuaki Masumoto and Takagahara. Springer serie "NanoScience and Technology", Springer-Verlag (2002), pp. 245-293.
Д21. I. A.Yugova, I. Ya. Gerlovin, V. G. Davydov, I. V. Ignatiev, I. E. Kozin, H.
W. Ren, M. Sugisaki, S. Sugou, and Y. Masumoto, "Fine structure and spin quantum beats in InP quantum dots in a magnetic field", Phys.Rev. B 66, 235312-1-9 (2002) Д22. I. A. Yugova, I. V. Ignatiev, S. Yu. Verbin, I. Ya. Gerlovin, V. K. Kalevich, A. Yu. Shiryaev, K. V. Kavokin, and Y. Masumoto, "Gateable spin memory in the InP quantum dots", SPIE proceedings, Vol. 5023 "Tenth International Symposium on Nanostructures: Physics and Technology," Eds. Zhores Alferov and L. Esaki, pp. 417-420 (2003).
Д23. I. V. Ignatiev, I. Ya. Gerlovin, M. Ikezawa, V. K. Kalevich, S. Yu. Verbin, and Y. Masumoto, "Long-lived spin polarisation in the charged InP quantum dots", Physica E 17, pp. 361-364 (2003).
Д24. I. V. Ignatiev, T. Okuno, S. Yu. Verbin, I. A. Yugova, and Y. Masumoto, "Spin quantum beats in charged and neutral InP quantum dots", Physica E 17, pp. 365-366 (2003).
Д25. Y. Masumoto, I. Ya. Gerlovin, M. Ikezawa, I. V. Ignatiev, T. Okuno, S. Yu.
Verbin, and I. A. Yugova, "Spin relaxation in InP quantum dots", Physica Status Solidi (c), Vol. 0, 1368-1371 (2003).
Д26. I. Ya. Gerlovin, Yu. K. Dolgikh, S. A. Eliseev, V. V. Ovsyankin, Yu. P.
Efimov, I. V. Ignatiev, V. V. Petrov, S.Yu.Verbin, and Y. Masumoto, УSpin dynamics of carriers in the GaAs quantum wells in an external electric field.Ф Phys. Rev. B 69, pp. 035329-1-9 (2004).
Д27. Y. Masumoto, I. V. Ignatiev, K. Nishibayashi, T. Okuno, S. Yu. Verbin, and I.
A. Yugova, УQuantum beats in semiconductor quantum dotsФ J. Lumin. 108, pp. 177-180 (2004).
Д28. S. Yu. Verbin, I. Ya. Gerlovin, I. V. Ignatiev, and Y. Masumoto, УNegative polarization of luminescence in the charged InP quantum dotsФ, Proc. 12th Int.
Symp. УNanostructures: Physics and TechnologyФ (NANO2004, St.-Petersburg, Russia, June 21-25, 2004). Ioffe Institute, St.Petersburg, 2004, pp.264-5.
Д29. S. Yu. Verbin, I. Ya. Gerlovin, I. V. Ignatiev, Y. Masumoto, УOptical orientation of electron and nuclear spins in negatively charged InP QDsФ, Proc. 27th Int. Conf. on the Physics of Semiconductors (Flagstaff, Arizona, 26-30 July, 2004). Amer.Inst.Phys.Conf.Proc, v. 772 (2005) Part B, pp.1417-1418.
Д30. A.V. Maleev, I. V. Ignatiev, I.Ya. Gerlovin, I.E. Kozin, and Y. Masumoto, УTemperature behavior of hot carrier dynamics in InP quantum dotsФ, Phys.
Rev. B 71, pp. 195323-1-13 (2005).
Д31. M. Ikezawa, B. Pal, Y. Masumoto, I. V. Ignatiev, S. Yu. Verbin, and I. Ya.
Gerlovin, УSub-millisecond electron spin relaxation in InP quantum dotsФ, Phys. Rev. B 72, pp. 153302-1-4 (2005).
Д32. I. V. Ignatiev, I. Ya. Gerlovin, S. Yu. Verbin, W. Maruyama, and Y. Masumoto, УEffect of nuclear spins on the electron spin dynamics in negatively charged InP quantum dotsФ, Proc. 13th Int. Symp. УNanostructures: Physics and TechnologyФ (St.-Petersburg, Russia, June 20-25, 2005). Ioffe Institute, St. Petersburg, 2005, pp. 47-48.
Д33. И. В. Игнатьев, И. Э. Козин, Динамика носителей в полупроводниковых квантовых точках, С.-Петербургский Государственный Университет, физический факультет. С.-Петербург 2005, 126 с.
Д34. B. Pal, M. Ikezawa, Y. Masumoto, and I. Ignatiev, УMillisecond-range electron spin memory in singly-charged InP quantum dotsФ, J. Phys. Soc. Japan 75, pp. 054702-1-5 (2006).
Д35. S. Yu. Verbin, B. Pal, M. Ikezawa, I. V. Ignatiev, and Y. Masumoto, УNuclear spin fluctuations in InP QDsФ, Proc. 14th Int. Symp. УNanostructures: Physics and TechnologyФ (NANO2006, St.-Petersburg, Russia, June 26-30, 2006).
Ioffe Institute, St. Petersburg, 2006, pp. 73-74.
Д36. R. Oulton, R. V. Cherbunin, A. Greilich, I. V. Ignatiev, D. R. Yakovlev, and M. Bayer, УHyperfine interaction in InGaAs QDsФ, Proc. 14th Int. Symp.
УNanostructures: Physics and TechnologyФ (NANO2006: St.-Petersburg, Russia, June 26-30, 2006). Ioffe Institute, St. Petersburg, 2006, pp. 129-130.
Д37. Д. К. Логинов, Е. В. Убыйвовк, Ю. П. Ефимов, В. В. Петров, С. А.
Елисеев, Ю. К. Долгих, И. В. Игнатьев, В. П. Кочережко, А. В. Селькин, Интерференция поляритонных волн в структурах с широкими квантовыми ямами GaAs/AlGaAs, ФТТ 48, 1979-1987 (2006).
Д38. I. Ya. Gerlovin, Yu. P. Efimov,Yu. K. Dolgikh, S. A. Eliseev, V. V. Ovsyankin, V. V. Petrov, R. V. Cherbunin, I. V. Ignatiev, I. A. Yugova, L. V. Fokina, A. Greilich, D. R. Yakovlev, M. Bayer, УElectron-spin dephasing in GaAs/AlGaAs quantum wells with a gate-controlled electron densityФ. Phys.
Rev. B 75, pp. 115330-1-8 (2007).
Д39. Bipul Pal, Sergey Yu. Verbin, Ivan V. Ignatiev, Michio Ikezawa, Yasuaki Masumoto, УNuclear-spin effects in singly negatively charged InP quantum dotsФ, Phys. Rev. B 75, pp. 125322-1-6 (2007).
Д40. В. А. Николюк, И. В. Игнатьев, Энергетическая структура квантовых точек, индуцированных неоднородным электрическим полем в квантовых ямах, ФТП 41, No.12, c. 1443-1450 (2007).
Д41. M. Yu. Petrov and I. V. Ignatiev, УEffect of annealing on the localization volume of electrons in InAs/GaAs quantum dotsФ, Proc. 15th Int. Symp.
УNano-structures: Physics and TechnologyФ (NANO2007: Novosibirsk, Russia, June 25-29, 2007). Ioffe Institute, St. Petersburg, 2007, pp. 232-233.
Д42. R. V. Cherbunin, I. V. Ignatiev, D. R. Yakovlev, M. Bayer, УLifetime of electron spins in quantum dots in small magnetic fieldФ, Proc. 15th Int. Symp.
УNanostructures: Physics and TechnologyФ (NANO2007: Novosibirsk, Russia, June 25-29, 2007). Ioffe Institute, St. Petersburg, 2007, pp. 271-272.
Д43. И. Я. Герловин, И. В. Игнатьев, И. А. Югова, Спиновая динамика носителей в полупроводниковых наноструктурах, С.-Петербургский Государственный Университет, физический факультет. С.-Петербург 2007, 180 с.
Д44. И. Я. Герловин, И. В. Игнатьев, И. А. Югова, Yasuaki Masumoto, УКвантовые биения состояний тонкой структуры в InP квантовых точкахФ, Опт. и Спектр. 104, c. 662-674 (2008).
Список цитированной литературы 1. U. Bockelmann and G. Bastard, УPhonon scattering and energy relaxation in two, one-, and zero-dimensional electron gasesФ, Phys.Rev. B 42, 8947 (1990).
2. U. Bockelmann and T. Egeler, УElectron relaxation in quantum dots by means of Auger processesФ, Phys. Rev. B 46, 15574 (1992).
3. B. Ohnesorge, M. Albrecht, J. Oshinowo, A. Forchel, Y. Arakawa, УRapid carrier relaxation in self-assembled InxGa1-xAs/GaAs quantum dotsФ, Phys.
Rev. B 54, 11532 (1996).
4. M. Vollmer, E. J. Mayer, W. W. Rhle, A. Kurtenbach, K. Eberl, УExciton relaxation dynamics in quantum dots with strong confinementФ, Phys. Rev. B 54, 17292 (1996).
5. R. Heitz, M. Grundmann, N. N. Ledentsov, L. Eckey, M. Veit, D. Bimberg, V.
M. Ustinov, A. Yu. Egorov, A. E. Zhukov, P. S. Kop'ev, Zh. I. Alferov, УMultiphonon-relaxation processes in self-organized InAs/GaAs quantum dotsФ, Appl. Phys. Lett. 68, 361 (1996).
6. T. Inoshita, H. Sakaki, УElectron relaxation in a quantum dot: Significance of multiphonon processesФ, Phys. Rev. B 46, 7260 (1992).
7. P. C. Sercel, УMultiphonon-assisted tunneling through deep levels: A rapid energy-relaxation mechanism in nonideal quantum-dot heterostructuresФ, Phys.
Rev. B 51, 14532 (1995).
8. A. L. Efros, V. A. Kharchenko, M. Rosen, УBreaking the phonon bottleneck in nanometer quantum dots: Role of Auger-like processesФ, Solid State Commun.
93, 301 (1995).
9. A. V. Baranov, A. V. Fedorov, I. D. Rukhlenko, and Y. Masumoto, УIntraband carrier relaxation in quantum dots embedded in doped heterostructuresФ, Phys.
Rev. B 68, 205318 (2003).
10. Semiconductor Quantum Dots. Physics, Spectroscopyand Applications, Eds.
Yasuaki Masumoto and Toshihide Takagahara. Springer series УNanoScience and TechnologyФ (Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2002).
11. C. Pryor, M-E. Pistol, L. Samuelson, УElectronic structure of strained InP/Ga0.51In0.49P quantum dotsФ, Phys. Rev. B 56, 10404 (1996).
12. K. V. Kavokin, УFine structure of the quantum-dot trionФ, Phys. Status Solidi A 195, 592 (2003).
13. Оптическая ориентация, под ред. Б. П. Захарчени и Ф. Майера (Л., Наука, 1989), 408 c.
14. D. Gammon, Al. L. Efros, T. A. Kennedy, M. Rosen, D. S. Katzer, D. Park, S.
W. Brown, V. L. Korenev, and I. A. Merkulov, УElectron and Nuclear Spin Interactions in the Optical Spectra of Single GaAs Quantum DotsФ, Phys. Rev.
Lett. 86, 5176 (2001).
15. Merkulov, Al. L. Efros, and M. Rosen, УElectron spin relaxation by nuclei in semiconductor quantum dotsФ, Phys. Rev. B 65, 205309 (2002).
16. A.V. Khaetskii and Yu. V. Nazarov, УSpin relaxation in semiconductor quantum dotsФ, Phys. Rev. B 61, 12639 (2000).
17. M. Kroutvar, Y. Ducommun, D. Heiss, M. Bichler, D. Schuh, G. Abstreiter, and J. J. Finley, УOptically programmable electron spin memory using semicon-ductor quantum dotsФ, Nature (London) 432, 81 (2004).
18. 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, УОптическая ориентация экситонов, связанных на донорах, в квантоворазмерных островках InP/InGaPФ, ФТТ 40, 858 (1998).
19. S. Cortez, O. Krebs, S. Laurent, M. Senes, X. Marie, P. Voisin, R. Ferreira, G.
Bastard, J-M. Gerard, and T. Amand, УOptically Driven Spin Memory in nDoped InAs-GaAs Quantum DotsФ, Phys. Rev. Lett. 89, 207401 (2002).