Жартылай өткізгіштік люминесценция теңдеулері - Semiconductor luminescence equations - Wikipedia

The жартылай өткізгішті люминесценция теңдеулері (SLEs)[1][2] сипаттау люминесценция туралы жартылай өткізгіштер өздігінен пайда болады рекомбинация а. шығаратын электронды қозулар ағын туралы өздігінен шығарылады жарық. Бұл сипаттама алғашқы қадамды жасады жартылай өткізгіш кванттық оптика өйткені SLE бір мезгілде квантталған жарық пен материяның өзара әрекеттесуін қамтиды Кулондық өзара әрекеттесу жартылай өткізгіш ішіндегі электронды қозулар арасындағы байланыс. SLE - бұл жартылай өткізгіштердегі жарық шығаруды сипаттайтын дәл әдістердің бірі және олар жартылай өткізгіштер шығарындысын жүйелі модельдеуге жарамды. экситоникалық люминесценция лазерлер.

Кездейсоқтыққа байланысты вакуум-өрістің ауытқуы, жартылай өткізгіш люминесценциясы болып табылады үйлесімсіз сонымен қатар SLE кеңейтімдері кіреді[2] оқудың мүмкіндігі резонанстық флуоресценция нәтижесінде пайда болды оптикалық айдау бірге келісімді лазер жарық. Бұл деңгейде адам көбіне жоғары деңгейлі басқаруға және қол жеткізуге қызығушылық танытады фотон-корреляция көп денелі күйлер, сондай-ақ жарық-жартылай өткізгіш шатасу. Мұндай тергеулер өрісті жүзеге асырудың және дамытудың негізі болып табылады кванттық-оптикалық спектроскопия қай саласы болып табылады кванттық оптика.

Бастапқы нүкте

SLE-ді шығару жүйеден басталады Гамильтониан толығымен дененің өзара әрекеттесуі, квантталған жарық өрісі және квантталған жарық пен заттың өзара әрекеттесуі. Әрдайым сияқты көп дене физикасы, қолдану өте ыңғайлы екінші кванттау формализм. Мысалы, жиілікке сәйкес келетін жарық өрісі арқылы сипатталады Босон құру және жою операторлары және сәйкесінше, онда «бас киім» аяқталды шаманың операторлық сипатын білдіреді. Оператордың тіркесімі анықтайды фотон - нөмір операторы.

Фотон үйлескенде, мұнда күту мәні , жойылып, жүйе айналады квазистациялық, жартылай өткізгіштер шығарады үйлесімсіз жарық өздігінен, әдетте деп аталады люминесценция (L). (Бұл артта жатқан негізгі қағида жарық диодтары.) Сәйкес люминесценция ағын фотон санының уақытша өзгеруіне пропорционалды,[2]

Нәтижесінде люминесценция тікелей а түзіледі фотон көмегімен электронды-тесік рекомбинациясы,

фотонның өзара байланысты эмиссиясын сипаттайтын толқын векторы бар электрон болғанда бірге қосылады тесік, яғни электронды вакансия. Мұнда, жартылай өткізгіш ішіндегі микроскопиялық поляризацияны анықтайтын сәйкес электронды-тесік рекомбинация операторын анықтайды. Сондықтан, ретінде қарастыруға болады фотонның көмегімен поляризация.

Көптеген электрон-тесік жұптары жиіліктегі фотондар шығаруға ықпал етеді ; айқын ішіндегі белгі күту мәнінің корреляцияланған бөлігі екенін білдіреді көмегімен жасалған кластерді кеңейту тәсілі. Саны құрамында матрицалық элемент үшін жолақаралық ауысу, жеңіл режим режим функциясы, және вакуум-өріс амплитудасы.

SLE негізгі құрылымы

Жалпы, SLE-ге барлығы кіреді бір және екі бөлшектік корреляциялар люминесценция спектрін есептеу үшін қажет өздігінен. Нақтырақ айтқанда, жүйелі түрде туындайтын теңдеулер жиынтығы жасалады фотон санына ұқсас корреляциялар

Жартылай өткізгіштік люминесценция теңдеулері (фотон санына ұқсас корреляциялар)

оның диагональды формасы жоғарыдағы люминесценция формуласына дейін азаяды. Фотонды корреляция динамикасы келесіден туындайды

Жартылай өткізгіштік люминесценция теңдеулері (фотонды корреляциялар)

қайда бірінші үлес, , құрамында Кулон-ренормалданған бір бөлшекті энергия деп анықталады жолақ құрылымы туралы қатты. Кулондық ренормализации көрінетінге ұқсас жартылай өткізгішті Блох теңдеулері (SBEs), мұны көрсетеді барлық фотонды поляризациялар экрандалмаған кулондық өзара әрекеттесу арқылы бір-бірімен байланысады . Пайда болған үш бөлшектік корреляциялар символдық түрде жарналар - олар енгізеді қозудың әсерінен азаяды, скринингтік Кулонның өзара әрекеттесуі және сияқты жоғары өзара байланысты үлестер фононды жолақты эмиссия. Стихиялық-эмиссиялық көздің айқын түрі және ынталандырылған үлес төменде талқыланады.

Жартылай өткізгіштің қозу деңгейі электронды және саңылау сабақтарымен сипатталады, және сәйкесінше. Олар өзгертеді арқылы Кулондық ренормализация және Паулиді блоктайтын фактор, . Бұл кәсіптер электрондар мен саңылаулардың өздігінен рекомбинациясы нәтижесінде өзгереді

Сабақ динамикасында толық түрінде кулон-корреляциялық терминдер де бар.[2] Фотонның көмегімен рекомбинацияланатындығын тексеру үшін алға қарай бет бұру қажет[3][4][5]жалпы сақталу заңына байланысты фотондар қанша электрон-тесік жұптарын бұзады .

Жоғарыда сипатталған терминдерден басқа, фотонның көмегімен поляризация динамикасында a бар өздігінен-шығарынды көзі

Интуитивті, бірдей электронды және тесікті табу ықтималдығын сипаттайды электрондар мен саңылаулар өзара байланыссыз болған кезде, яғни плазма. Мұндай форма бір-бірімен байланысты емес екі оқиғаның ықтимал бір уақытта бір уақытта болуы мүмкін деп күтілуде мәні. Шын мәнінде корреляцияланған электрон-тесік жұптарының болуы екі бөлшектік корреляциямен анықталады ; сәйкес ықтималдылық корреляцияға тура пропорционалды. Тәжірибеде, электрон-тесік жұптарын байланыстырғанда үлкен болады экситондар олардың өзара кулонды тартуы арқылы. Осыған қарамастан, электронды-тесік плазмасының және экзитондардың болуы өздігінен-сәуле шығару көзін эквивалентті түрде тудыруы мүмкін.

Жартылай өткізгіш өздігінен жарық шығаратындықтан, люминесценция а-мен өзгереді ынталандырылған үлес

Бұл жартылай өткізгішті микроавтокөліктердегі өздігінен пайда болатын сәулеленуді сипаттау кезінде өте маңызды лазерлер өйткені содан кейін өздігінен шыққан сәуле одан әрі стихиялық-эмиссиялық процестерді ынталандыратын немесе тежейтін эмиттерге (яғни жартылай өткізгішке) оралуы мүмкін. Бұл термин сонымен бірге Purcell әсері.

SLE-ді аяқтау үшін экзитондық корреляцияның кванттық динамикасын қосымша шешу керек

Бірінші жолда электрон-тесік жұптарының кулондық-ренормалданған кинетикалық энергиясы, ал екінші жолда а Больцман - кулондық өзара әрекеттесудің арқасында екі электрон мен екі саңылаудың ішке және сыртқа шашырауы. Екінші жолда электрон-тесік жұптарын өзара байланыстыратын негізгі кулондық қосындылар бар экситондар қозу шарттары қолайлы болған сайын. Қалған екі және үш бөлшектердің корреляциясы символдық түрде берілген және сәйкесінше.[2][6]

Түсіндіру және салдары

Микроскопиялық тұрғыдан люминесценция процестері жартылай өткізгіш қозғалған сайын басталады, өйткені, ең болмағанда, өздігінен-сәуле шығару көзіне енетін электрондар мен саңылаулардың үлестірілімдері жылтыратпайды. Нәтижесінде, ақырлы және ол қозғалады фотон - барлығына көмектесетін процестер қозған күйлерге сәйкес келетін мәндер. Бұл дегеніміз бір мезгілде көптеген үшін жасалады құндылықтар. Кулондық өзара әрекеттесуден бастап барлығымен мәндер, өтпелі сипаттағы энергия электрон-тесік жұбының жалаң кинетикалық энергиясынан емес, экситон энергиясынан шығады. Математикалық тұрғыдан алғанда, біртекті бөлігі динамикасы бар меншікті энергия арқылы анықталған жалпыланған Ваннер теңдеуі еркін тасымалдаушы емес. Төмен тығыздықтағы электронды тесіктер үшін Ваннер теңдеуі меншікті мәндердің жиынтығын шығарады, олар экситон резонанс.

Фотонды-поляризацияның жинақталуы (lation корреляция), ол өздігінен-сәулелену көзінен басталады. Жинақ барлық импульс күйлері үшін бірдей жүреді. Көп денелі жүйеде фотон (толқындық жебе) бірнеше байланыстырылған Π-ауысу корреляциясы арқылы жиынтықта пайда болады.

Сондықтан, өздігінен-сәуле шығару көзі арқылы эмиссияны бастаған көптеген денелік күйге қарамастан, экзитон-резонанстардың дискретті жиынтығын көрсетеді. Бұл резонанстар люминесценцияның өзіндегі экситоникалық шыңдарға тікелей ауысады. Бұл күтпеген нәтиже береді; экзитоникалық резонанс бірдей дәрежеде электронды-тесік плазмасынан немесе экзитондардың болуынан бастау алады.[7] Бастапқыда, SLE-дің бұл салдары қарама-қарсы болып көрінеді, өйткені аз бөлшектік суретте байланыспаған электрон-тесік жұбы экзитон резонансына сәйкес келетін энергияны қайта біріктіре және шығара алмайды, өйткені ол энергия байланыспаған электрон-тесік жұбы алатын энергиядан әлдеқайда төмен.

Алайда, плазмадағы экзитоникалық люминесценция - бұл денеге плазма шығаратын шынайы көп әсер. жалпы экситон резонансына дейін. Атап айтқанда, электронды күйлердің көп мөлшері бір фотон шығаруға қатысқанда, әрдайым бастапқы көп денелі күйдің энергиясын бір фотонның арасында экситон энергиясымен және қалған көп денелі күймен (бір электрон-тесік жұбымен) бөле алады. жойылды) энергияны үнемдеуді бұзбай. Кулондық өзара әрекеттесу мұндай энергияны қайта құруға өте тиімді түрде көмектеседі. Қуатты және көп денелі күйді қайта құрудың толық талдауы Ref.[2]

Жалпы, экзитоникалық плазмалық люминесценция қазіргі жартылай өткізгіштік люминесценция тәжірибелерінде байқалатын көптеген тепе-теңдік емес эмиссиялық қасиеттерді түсіндіреді. Шындығында, экзитоникалық плазмадағы люминесценцияның басымдылығы екеуінде де өлшенді кванттық-құдық[8] және кванттық нүкте жүйелер.[9] Тек экзитондар көп болған кезде ғана плазмадағы экзитоникалық люминесценцияның рөлін елемеуге болады.

Байланыстар және жалпылау

Құрылымдық жағынан, SLE-лер ұқсас жартылай өткізгішті Блох теңдеулері (SBEs), егер SBE ішіндегі микроскопиялық поляризациямен салыстырылады. Негізгі айырмашылық ретінде, сонымен қатар фотондар индексі бар , оның динамикасы өздігінен қозғалады және ол үш бөлшектік корреляцияға тікелей қосылады. Техникалық тұрғыдан, SLE-ді қосымшаға байланысты SBE-ге қарағанда сандық түрде шешу қиынырақ еркіндік дәрежесі. Алайда, SLE-лер люминесценцияны дәл есептеу үшін жалғыз (төмен тасымалдағыш тығыздығы кезінде) немесе ыңғайлы (лизинг режимі) болып табылады. Сонымен қатар, SLE тек қажеттіліксіз толық болжамды ғана емес феноменологиялық жуықтаулар, бірақ оларды лазерлік дизайн сияқты жалпы зерттеулер үшін жүйелі бастау нүктесі ретінде пайдалануға болады[10][11] және бұзушылықтарды зерттеу.[12]

Ұсынылған SLEs дискуссиясы зерттелген жүйенің өлшемділігі мен ауқымды құрылымын анықтамайды. Белгіленген жүйені талдай отырып, көбінесе электронды диапазондарды, толқындық векторлардың, фотондардың және векторлардың өлшемділігін нақты қамтуы керек. массаның қозу импульсі. Көптеген айқын мысалдар Ref.[6][13] үшін кванттық-құдық және кванттық сым жүйелер, және Ref.[4][14][15] үшін кванттық нүкте жүйелер.

Жартылай өткізгіштер фонон көмегімен электронды-тесік рекомбинациясы болған кезде негізгі экзитондық резонанстан әлдеқайда төмен бірнеше резонансты көрсете алады. Бұл процестер үш бөлшектік корреляциямен сипатталады (немесе одан жоғары), мұнда фотон, электрон-тесік жұбы және торлы діріл, яғни фонон өзара байланысты болады. Фононды корреляция динамикасы фононсыз SLE-ге ұқсас. Экситоникалық люминесценция сияқты, сонымен қатар экзитоникалық фононның бүйірлік жолақтары да электронды-саңылау плазмасынан немесе экзитондарынан басталуы мүмкін.[16]

SLE-ді жүйелік бастапқы нүкте ретінде пайдалануға болады жартылай өткізгіш кванттық оптика.[2][17][18] Бірінші қадам ретінде екі фотонды сіңіру корреляциясы, , содан кейін жоғары ретті фотон-корреляциялық әсерлерге қарай жалғасады. Бұл тәсілді талдау үшін қолдануға болады резонанстық флуоресценция әсерлерін түсіну және түсіну кванттық-оптикалық спектроскопия.

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Кира, М .; Джанкэ, Ф .; Кох, С .; Бергер Дж .; Вик, Д .; Нельсон, Т .; Хитрова, Г.; Гиббс, Х. (1997). «Сызықты емес жартылай өткізгішті микроэлементтерді кванттық теория арқылы түсіндіру» Босер «тәжірибелері». Физикалық шолу хаттары 79 (25): 5170-5173. дой:10.1103 / PhysRevLett.79.5170
  2. ^ а б c г. e f ж Кира, М .; Koch, S. W. (2011). Жартылай өткізгіш кванттық оптика. Кембридж университетінің баспасы. ISBN  978-0521875097.
  3. ^ Ли, Цзянчжун (2007). «Жартылай өткізгішті кванттық ұңғымаларды лазерлік салқындату: люминесценциялы конверсия арқылы терең оптикалық тоңазытқыштың теориялық негіздері және стратегиясы». Физикалық шолу B 75 (15). дой:10.1103 / PhysRevB.75.155315
  4. ^ а б Берстерманн, Т .; Ауэр, Т .; Курце, Х .; Шваб, М .; Яковлев, Д .; Байер, М .; Вирсиг, Дж .; Гис, С .; Джанкэ, Ф .; Ройтер, Д .; Wieck, A. (2007). «Кванттық нүктелердің электронды-тесік рекомбинация динамикасындағы тасымалдаушы корреляциясын жүйелі зерттеу». Физикалық шолу B 76 (16). дой:10.1103 / PhysRevB.76.165318
  5. ^ Шуваев, V .; Кусковский, И .; Дейч, Л .; Гу, Ю .; Гонг, Ю .; Неймарк, Г .; Тамарго, М .; Лисянский, А. (2009). «Цилиндрлік наноқұрылымдардағы радиациялық рекомбинацияның динамикасы-II типті туралау». Физикалық шолу B 79 (11). дой:10.1103 / PhysRevB.79.115307
  6. ^ а б Кира, М .; Кох, С.В. (2006). «Жартылай өткізгіштік спектроскопиядағы көп денелік корреляциялар және экситоникалық әсерлер». Кванттық электроникадағы прогресс 30 (5): 155–296. дой:10.1016 / j.pquantelec.2006.12.002
  7. ^ Кира, М .; Джанкэ, Ф .; Кох, С. (1998). «Жартылай өткізгіш фотолюминесценциядағы экзитоникалық қолтаңбалардың микроскопиялық теориясы». Физикалық шолу хаттары 81 (15): 3263–3266. дой:10.1103 / PhysRevLett.81.3263
  8. ^ Чатерджи, С .; Элл, С .; Мозор, С .; Хитрова, Г.; Гиббс, Х .; Хойер, В .; Кира, М .; Кох, С .; Принеас, Дж .; Stolz, H. (2004). «Жартылай өткізгішті кванттық ұңғымалардағы экзитоникалық фотолюминесценция: экзитондарға қарсы плазма». Физикалық шолу хаттары 92 (6). дой:10.1103 / PhysRevLett.92.067402
  9. ^ Шваб, М .; Курце, Х .; Ауэр, Т .; Берстерманн, Т .; Байер, М .; Вирсиг, Дж .; Баер, Н .; Гис, С .; Джанкэ, Ф .; Рейтмайер, Дж .; Форчел, А .; Бенюсеф, М .; Мичлер, П. (2006). «Бір қуысты микропиллярдағы кванттық нүктелердің сәулелену динамикасы». Физикалық шолу B 74 (4). дой:10.1103 / PhysRevB.74.045323
  10. ^ Хадер Дж .; Молони, Дж. В. Koch, S. W. (2006). «InGaN кванттық ұңғымаларындағы пайда мен спонтанды эмиссияларға ішкі өрістердің әсері». Қолданбалы физика хаттары 89 (17): 171120. doi:10.1063/1.2372443
  11. ^ Хадер Дж .; Hardesty, G .; Ванг, Т .; Ярборо, Дж .; Канеда, Ю .; Молони, Дж. В. Кунерт, Б .; Stolz, W. және басқалар. (2010). «VECSEL-ді болжамды микроскопиялық модельдеу». IEEE J. кванттық электрон. 46810. doi:10.1109 / JQE.2009.2035714
  12. ^ Рубель, О .; Барановский, С.Д .; Хантке, К .; Хебер, Дж. Д .; Кох Дж .; Thomas, P. V .; Маршалл, Дж. М .; Stolz, W. және басқалар. (2005). «Тәртіпсіз кванттық құрылымдардағы люминесценцияның теориялық сипаттамасы туралы». Дж. Оптоэлектрон. Adv. М. 7 (1): 115.
  13. ^ Имхоф, С .; Бюкерс, С .; Транхардт, А .; Хадер Дж .; Молони, Дж. В. Koch, S. W. (2008). «Ga (AsBi) / GaAs кванттық ұңғымаларының оптикалық қасиеттерінің микроскопиялық теориясы». Жартылай жарты. Ғылыми. Технол. 23 (12): 125009.
  14. ^ Фельдманн, Т .; Шнебели, Л .; Кира, М .; Кох, С. (2006). «Жартылай өткізгіш кванттық нүктеден жарық шығарудың кванттық теориясы». Физикалық шолу B 73 (15). дой:10.1103 / PhysRevB.73.155319
  15. ^ Баер, Н .; Гис, С .; Вирсиг, Дж .; Jahnke, F. (2006). «Жартылай өткізгішті кванттық нүктелік жүйенің люминесценциясы». Еуропалық физикалық журнал B 50 (3): 411-418. дой:10.1140 / epjb / e2006-00164-3
  16. ^ Беттге, C. Н .; Кира, М .; Koch, S. W. (2012). «Жартылай өткізгішті микроқуыстардағы фононды-ленталық люминесценцияны күшейту». Физикалық шолу B 85 (9). дой:10.1103 / PhysRevB.85.094301
  17. ^ Джи, Кристофер; Виерсиг, қаңтар; Jahnke, Frank (2008). «Импульсті және үздіксіз толқынмен қозғалатын кванттық-нүктелік микроэлектрлік лазерлердің шығу сипаттамалары». Физикалық шолу хаттары 101 (6). дой:10.1103 / PhysRevLett.101.067401
  18. ^ Асман, М .; Вейт, Ф .; Байер, М .; Гис, С .; Джанкэ, Ф .; Рейценштейн, С .; Хёфлинг, С .; Worschech, L. және басқалар. (2010). «Кванттық-нүктелік микрорезонатор лазерлерінің шығарылуындағы екінші ретті фотондық корреляцияны ультра жылдамдықпен бақылау». Физикалық шолу B 81 (16). дой:10.1103 / PhysRevB.81.165314

Әрі қарай оқу

  • Jahnke, F. (2012). Жартылай өткізгіштік наноқұрылымдармен кванттық оптика. Woodhead Publishing Ltd. ISBN  978-0857092328.
  • Кира, М .; Koch, S. W. (2011). Жартылай өткізгіш кванттық оптика. Кембридж университетінің баспасы. ISBN  978-0521875097.
  • Хауг, Х .; Koch, S. W. (2009). Жартылай өткізгіштердің оптикалық және электронды қасиеттерінің кванттық теориясы (5-ші басылым). Әлемдік ғылыми. б. 216. ISBN  978-9812838841.
  • Piprek, J. (2007). Нитридті жартылай өткізгіш құрылғылар: принциптері және имитациясы. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN  978-3527406678.
  • Клингширн, C. F. (2006). Жартылай өткізгішті оптика. Спрингер. ISBN  978-3540383451.
  • Калт, Х .; Хеттерич, М. (2004). Жартылай өткізгіштердің оптикасы және олардың наноқұрылымдары. Спрингер. ISBN  978-3540383451.