Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Սպին-ուղեծրային փոխազդեցության առանձնահատկությունները կիսահաղորդչային նանոկառուցվածքներում

Վարդանյան, Կարեն Արշակի (2018) Սպին-ուղեծրային փոխազդեցության առանձնահատկությունները կիսահաղորդչային նանոկառուցվածքներում. PhD thesis, ԵՊՀ.

[img] PDF (Thesis)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (3436Kb)
    [img] PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (1456Kb)

      Abstract

      Նանոտեխնոլոգիաների դերը կիսահաղորդչային նանոկառուցվածքների ֆիզիկայում դժվար է գերագնահատել։ Նանոմասշտաբային համակարգերի նախագծմամբ և ստեղծմամբ չափային քվանտամեխանիկական երևույթների տեսական և փորձարարական ուսումնասիրումը դարձել է բացառիկ կարեւոր՝ առաջադրելով նոր պահանջներ առևտրային էլեկտրոնիկայի հաջորդ սերնդի սարքերի փորձարարական բնութագրերին: Այս տեսանկյունից զարգացումն ընթանում է կիսահաղորդչային նանոհամակարգերում ֆիզիկական պրոցեսների կառավարելիության աստիճանի մեծացման ուղղությամբ։ Սա, մասնավորապես, ենթադրում է ինչպես որոշ փոխազդեցությունների ճնշում և, նույնիսկ, ընդհուպ մինչև կասեցում, այնպես էլ որոշ (ցանկալի) փոխազդեցությունների ապահովում եւ կառավարում։ Պինդմարմնային կառուցվածքներում գործնականում չբացառվող փոխազդեցություններից է տարբեր քվազիմասնիկների փոխազդեցությունը ֆոնոնային համակարգի հետ։ Այս փոխազդեցության կառավարման խնդիրը գիտական նորագույն ուղղության՝ ֆոնոնիկայի կամ ֆոնոնային ճարտարագիտության հիմնական խնդիրն է [1], որը սովորաբար լուծվում է կառուցվածքների բաղադրյալ նյութերի, ինչպես նաև ակտիվ միջավայրի ձևի և չափերի ընտրությամբ։ Նանոկառուցվածքներում բաժանման սահմանների առկայությունը կարող է արմատապես փոխել ձայնային և օպտիկական ֆոնոնային մոդերի դիսպերսիան և վիճակների խտությունը, պայմանավորելով նոր տիպի ֆոնոնային համակարգի առաջացում։ «Ֆոնոնային սահմանափակում» հասկացությունը հենց համարժեք է նշված ֆոնոնային համակարգի ձեւավորմանը։ Ֆոնոնային սահմանափակման հաշվառումը հնարավորություն է տալիս այդ համակարգի հետ փոխազդեցություններում ոչ միայն հնարավորինս ճշգրիտ մոդելավորելու ֆիզիկական իրողությունը, այլ նաև ստանալու այդ փոխազդեցությունների կառավարման հնարավորություն։ Կիսահաղորդչային նանոկառուցվածքներում ֆոնոնային փոխազդեցությունները դիտարկվում են կամ քվազիմասնիկների ցրման, կամ դրանց էներգիաների վերանորմավորման (պոլարոնային վիճակների առաջացման) տեսանկյունից [2]։ Ֆիզիկական պրոցեսների կառավարելիության աստիճանի մեծացման մյուս ճանապարհը ավելի փոքր չափերով կիսահաղորդչային նանոհամակարգերի ստացման և դրանցում էլեկտրոնների թվի հուսալի հսկման ուղղությունն է։ Այդպիսի խոստումնալից հեռանկարը նախ եւ առաջ առաջնահերթորեն վերաբերում է հաղորդականության էլեկտրոնների կամ խոռոչների հնարավորինս փոքր քանակությամբ քվանտային կետերով (ՔԿ) համակարգերին։ Եթե ՔԿ-երի համակարգում յուրաքանչյուր ՔԿ պարունակում է մեկ կամ մի քանի լիցքակիր, ապա դրանց հետ կապված տեղափոխման, օպտիկական անցումների, ռելաքսացման, վերամիավորման և այլ դինամիկական երևույթներ կարելի է վերահսկել արտաքին գործոնների միջոցով։ Այդ երևույթներում կարող է դրսևորվել էլեկտրոնային գրգռումների ինչպես լիցքը, այնպես էլ սպինը։ Կիսահաղորդչային նանոֆիզիկայի բնագավառում տեսական և փորձարարական հետազոտություններում խնդիրների այսպիսի դրվածքը հնարավորություն է ընձեռել ստեղծելու էլեկտրոնային և սպինային պահանջված հատկություններով նանոհամակարգեր [3-9]. Վերջին երկու տասնամյակում շատ մեծ է հետաքրքրությունը նանոկառուցվածքներում էլեկտրոնային գրգռումների սպինին առնչվող երևույթների վերաբերյալ [10]։ Արդեն ձևավորվել է ժամանակակից պինդ մարմնի ֆիզիկայի նոր բնագավառ՝ սպինտրոնիկան, հիմնարար գիտական ձեռքբերումներով և առեւտրային նշանակության նորաբնույթ էլեկտրոնային սարքերի ստեղծման հեռանկարով։ Ի տարբերություն ավանդական պինդմարմնային էլեկտրոնիկայի, որում սպինի դերը սովորաբար անտեսվում է, սպինտրոնիկայի հիմնական հայեցակարգը հիմնված է մի կողմից միկրո և նանոէլեկտրոնային, մյուս կողմից՝ սպինային երևույթների համատեղ դիտարկման և կիրառական հնարավորությունների իրականացման վրա։ Диссертация посвящена теоретическому исследованию влияния электрон-фононного и спин-орбитального (Рашба, Дрессельхаус) взаимодействий на некоторые характеристики электронной и фононной подсистем в полупроводниковых квантовых структурах. Исследованы временные характеристики различных динамических процессов в полупроводниковых квантовых структурах, а также влияние спин-орбитального взаимодействия на поляронные состояния в низкоразмерных системах. В частности: Теоретически изучен захват фотогенерированных электронов в структуре со сферическими квантовыми точками при испускании одного или двух полярных оптических фононов. С учетом фононного ограничения изучено поведение скорости захвата носителей в одно- и двухфононных процессах. Для скоростей захвата носителей выведены явные аналитические выражения, которые могут быть использованы в расчетах систем, состоящих из сферических квантовых точек. Показано, что скорость захвата электрона из барьерной области в основное состояние квантовой точки посредством излучения одного и двух фононов состоит из чередующихся разрешенных и запрещенных полос в зависимости от радиуса квантовой точки. При этом, высоты пиков скорости захвата однофононных процессов, при учете фононного ограничения, снижаются по мере уменьшения радиуса квантовой точки. Показано также, что значение скорости захвата носителей порядка 1010 с1 при температурах Т > 100 К. Уменьшение времени захвата наблюдается при низких плотностях электронов. Изучена релаксация электрона в квантовых точках посредством оптических фононов и внутриточечного ожерассеяния. Исследована эффективность захвата электрона в зависимости от температуры решетки и радиуса квантовой точки для различных концентраций инжектированных электронов с учетом эффекта ограничения полярных оптических фононов в сферических квантовых точках, находящихся в неполярной среде. Показано, что время ожерассеяния (характерные значения в диапазоне 80-100 пс) имеет слабую температурную зависимость во всем диапазоне температур от 25 до 250 К, что находятся в удовлетворительном согласии с экспериментом. Исследовано одновременное влияние спин-орбитальных взаимодействий Рашбы и Дрессельхауса на формирование поляронов Фрёлиха в двумерных полупроводниках (со структурами цинковой обманки и вюрцита) в приближении слабой связи электронофононного взаимодействия и показано, что члены спин-орбитальной связи могут существенно повлиять на свойства полярона. При наличии обоих членов спинорбитального взаимодействия коррекция собственной энергии электрон, а также эффективная масса полярона проявляют угловую анизотропию в структурах цинковой обманки, в отличие от случая, когда рассматривается только один тип спинорбитального взаимодействия (Рашбы или Дрессельхауса). При совместном рассмотрении механизмов Рашбы и Дрессельхауза поляронный эффект может стать сильнее или слабее в зависимости от направления импульса носителя в импульсном пространстве - явление, которое отсутствует при пренебрежении спин-орбитальным взаимодействием. The dissertation is devoted to the theoretical studies of the influences of electron-phonon and spin- orbit (Rashba, Dresselhaus) interactions on certain characteristics of the electronic and phonon subsystems in semiconductor quantum structures. The time characteristics of various dynamic processes in semiconductor quantum structures, as well as the influence of the spin-orbit interaction on the low-dimensional polaron states have been investigated. Particularly: The capture of photogenerated electrons in the structure by spherical quantum dots caused by the emission of polar optical phonons has been theoretically studied. The capture rate in one- and two-phonon processes was studied by taking into account the phonon confinement. The explicit analytic expressions for carrier capture rates have been derived which can be conveniently applied to practical calculations for the spherical quantum dot systems. It has been shown that the capture rate of an electron from the barrier region to the quantum dot ground-state, via emission of one and two phonons, exhibits the existence of the bands of dot radii where capture is energetically allowed. It was found that the height of the capture rate peaks obtained for one-phonon assisted processes is lowered as QD radius decreases when the phonon confinement is taken into account. Carrier capture is shown to proceed with rates as high as 1010 s"1 at temperature T>100K. A short capture time is also achieved for a low carrier density. The LO phonon-assisted electron capture and the intra-dot Auger relaxation in quantum dots have been studied. The electron capture efficiency is investigated as a function of the lattice temperature and quantum dot radius for different injected electron concentration taking into account the confinement effect for the polar optical phonons in spherical quantum dots with non-polar environment. It has been shown that the Auger scattering time (having a value in the range 80-100ps) has weak temperature dependence over the whole temperature range from 25 up to 250K which are in sufficient agreement with experiment. The simultaneous effect of Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions on the formation of Frohlich polarons in two-dimensional semiconductors (with zinc-blende and wurtzite structures) in weak electron-phonon coupling approximation has been investigated. The results illustrate that the spin-orbit coupling terms may significantly affect the polaron properties. It has been shown that in the presence of both SO coupling terms the self-energy correction of the electron energy as well as the polaron effective mass exhibit an angular anisotropy in zinc- blende structures unlike the case when only one of the spin-orbit coupling terms (Rashba or Dresselhaus) is considered. The simultaneous consideration of the Rashba and Dresselhaus mechanisms shows that polaronic effect may become either stronger or weaker depending on directions, a phenomenon which does not occur when the spin-orbit interaction is not taken into account. The Lee-Low-Pines variational method has been used to clarify the effects of the spin-orbit couplings on the properties of the quasi-one-dimensional Frohlich polaron in the weak and intermediate coupling limits of the electron-phonon interaction. Analytical expressions for the polaron self-energy and effective mass are obtained as functions of the spin-orbit coupling parameters. Polaron energy and polaronic shift are investigated numerically. We have shown that the basic parameters of the polaron in nanowire can be effectively manipulated by the Rashba and Dresselhaus spin-orbit couplings, and thus they can be used for controlling the various physical processes in nanowires.

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Особенности спин-орбитального взаимодействия в полупроводниковых наноструктурах. Peculiarities of spin-orbital interaction in semiconductor nanostructures.
      Uncontrolled Keywords: Варданян Карен Аршакович, Vardanyan Karen Arshak
      Subjects: Physics
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 30 Aug 2018 10:44
      Last Modified: 30 Aug 2018 10:44
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/7574

      Actions (login required)

      View Item