Title
Spektralne karakteristike kvantnih crta u srednjoj infracrvenoj oblasti
Creator
Crnjanski, Jasna V., 1978-
Copyright date
2013
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno 3.0 Srbija (CC BY-NC 3.0)
License description
Dozvoljavate umnožavanje, distribuciju i javno saopštavanje dela, i prerade, ako se navede ime autora na način odredjen od strane autora ili davaoca licence. Ova licenca ne dozvoljava komercijalnu upotrebu dela. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/rs/deed.sr_LATN Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 25.04.2013.
Other responsibilities
mentor
Gvozdić, Dejan, 1964-
član komisije
Radunović, Jovan, 1949-
član komisije
Romčević, Nebojša, 1963-
član komisije
Tadić, Milan, 1964-
član komisije
Milanović, Vitomir, 1947-
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Elektrotehnički fakultet
Alternative title
Spectral properties of mid-infrared quantum dashes
Publisher
[J. Crnjanski]
Format
190 listova
description
Nanoelektronika, fotonika, kvantna elektronika - Optoelektronika i optoelektronske komunikacije / Nanoelectronics, photonics, quantum electronics - Optoelectronics and photonic communications
Abstract (sr)
U mnogim primenama fotonskih sistema od interesa su komponente koje
funkcionišu u oblasti srednjeg i dalekog infracrvenog zračenja (3 – 30 μm). Neke od
atraktivnih aplikacija vezane su za termalnu vizuelizaciju, spektroskopiju, astronomiju,
gasne i bio-senzore, nedestruktivnu evaluaciju, industrijski i ekološki monitoring,
medicinsku dijagnostiku, vojne primene, komunikaciju u slobodnom prostoru i slično.
Ove primene su mahom omogućene postojanjem transparentnih atmosferskih prozora
(3–5 μm i 8–13 μm) u srednjoj infracrvenoj oblasti, kao i činjenicom da veliki broj
molekula u ovoj oblasti ima izražene karakteristične vibracione prelaze. Danas,
kvantno-kaskadni laseri predstavljaju široko prihvaćeno rešenje za realizaciju
koherentnih poluprovodničkih izvora zračenja za srednju infracrvenu i terahercnu
spektralnu oblast. Međutim, još uvek postoji prostor za unapređenje njihovih
performansi u pogledu struje praga i efikasnosti konverzije snage.
Nedavno sprovedena istraživanja potvrdila su da uređaji za srednju-infracrvenu
oblast koji koriste poluprovodničke nanostrukture u kojima je kretanje elektrona
ograničeno u više od jednog pravca, mogu prevazići neka od ograničenja koja se
javljaju u kvantnim jamama, prvenstveno kratko vreme života eksitovanih stanja koje je
posledica izraženog rasejanja naelektrisanja u ravni jame. Samo-organizovane
nanostrukture, kao što su trodimenzionalno konfinirane kvantne tačke, ili njihova
izdužena verzija sa izraženim dvodimenzionalnim konfiniranjem, nazvana kvantne crte,
obezbeđuju dodatno konfiniranje koje omogućava smanjenje rasejanja i poboljšanje
jačine optičkih prelaza. Iz tog razloga, istraživanje elektronske strukture ovih
nanostruktura predstavlja osnovu za dalje razumevanje problematike i optimizaciju
procesa rasejanja nosilaca, njihovog vremena života, jačine optičkih prelaza i tipa
polarizacije.
Kvantne crte koje se fabrikuju mehanizmima samo-organizovanog narastanja,
prvobitno su korišćene za realizaciju lasera i optičkih pojačavača za telekomunikacione
talasne dužine u okolini 1.55 μm. Aktivni materijal na bazi kvantnih crta omogućio je
ostvarivanje novih osobina, koje uređaji sa konvencionalnim dizajnom nisu mogli da
ponude. Primera radi, realizovane su aktivne oblasti za širokopojasne lasere sa širinom
spektra pojačanja od preko 300 nm za emisiju u opsegu od 1.4 do 1.65 μm. Međutim, i
pored intenzivnih eksperimentalnih istraživanja usmerenih ka eksploataciji
međuzonskih prelaza u kvantnim crtama, unutarzonski prelazi pogodni za emisiju u
srednjoj i dalekoj infracrvenoj oblasti, do nedavno nisu privlačili značajnu pažnju.
Ova disertacija daje opštu sliku spektralnih osobina kvantnih crta u srednjoj
infracrvenoj oblasti, sa posebnim fokusom na razmatranje kako na spektar utiču
koncentracija elektrona, fluktuacije veličina kvantnih crta u ansamblu i debljina
vlažećeg sloja. Pre nego što pristupi razmatranju detalja matematičkih formulacija koje
leže u osnovi fizičkog modela unutarzonske apsorpcije, disertacija daje pregled osobina
kvantnih crta kroz odgovore na neka jednostavna pitanja: šta je kvantna crta, kako se
formiraju ansambli kvantnih crta, koje su njihove osnovne geometrijske i optičke
karakteristike i konačno, kako se kvantne crte mogu koristiti u poluprovodničkim
fotonskim komponentama.
Nakon ovih uvodnih poglavlja, izloženi su detalji teorijskog modela za
izračunavanje zonske strukture i unutarzonske apsorpcije, kao i metoda korišćenih za
numerička izračunavanja. Elektronska struktura izolovane kvantne crte se određuje
rešavanjem jednozonske Schrödinger-ove jednačine u aproksimaciji anvelopne funkcije.
Zonska struktura se određuje samosaglasno, u paraboličnoj aproksimaciji efektivne
mase, a numerička implementacija je izvedena primenom metode konačnih elemenata.
Pored toga, u disertaciji je predložen još jedan efikasan i jednostavan metod za
određivanje elektronske strukture. Predloženi metod kombinuje koordinatnu
transformaciju geometrije kvantne crte i barijernog materijala koji je okružuje u
pravougaoni domen izračunavanja i rešavanje jednozonske Schrödinger-ove jednačine
na pravougaonom domenu primenom metode konačnih razlika. Prilagodljivost ovog
metoda potiče od velikog broja familija funkcija koje se mogu koristiti za fitovanje
heterogranica kvantnih crta i definisanje domena izračunavanja pogodnog oblika i
veličine. Za predložene koordinatne transformacije analizirana je primenljivost,
robusnost i konvergencija metode promenom veličine diskretizacionog koraka i veličine
domena izračunavanja. Metod obezbeđuje zadovoljavajuću preciznost, stabilnost i
fleksibilnost u pogledu veličina i oblika kvantnih crta, a pre svega, obezbeđuje izuzetnu
jednostavnost, što ga čini potencijalno pogodnim za rešavanje višezonskih Schrödingerovih
jednačina. Izborom odgovarajuće periodične funkcija koja fituje heterogranicu
kvantne crte, ovaj metod se može koristiti i za određivanje zonske strukture periodičnog
niza kvantnih crta i njene karakterizacije u zavisnosti od relevantnih geometrijskih
parametara.
U nastavku, mini-zonska struktura InAs/GaAs niza kvantnih crta određena je u
aproksimaciji koja ne uzima u obzir dopiranje barijere i uticaj konfiniranih elektrona na
strukturu provodne zone. Izračunavanja su pokazala da je energija mini-zona jako
zavisna od visine i širine kvantne crte, dok širina mini-zona zavisi od periode niza i
širine kvantne crte. Za velike vrednosti perioda i određene kritične dimenzije kvantnih
crta, između susednih pobuđenih mini-zona može doći do pojave nultog-energetskogprocepa
i višestrukih anti-ukrštanja koja su praćena promenom karaktera talasnih
funkcija vrha i dna susednih mini-zona. Kao posledica prisustva vlažećeg sloja, više
mini-zone su grupisane u okolini vrha jame i formiraju neku vrstu “vezanog
kontinuuma” koji može biti od značaja za kontrolu procesa zahvata i otpuštanja
eksitovanih nosilaca. Međutim, u narednim razmatranjima, pretpostavlja se da se minizone,
odgovorne za unutarzonske prelaze onda kada određivanje zonske strukture uzima
u obzir uticaj jonizovanih donora i odgovarajućih elektrona, mogu aproksimirati
diskretnim energetskim nivoima, te da svojim prisustvom ne utiču na perturbaciju
izračunatog Hartree potencijala.
Polazeći od zonske strukture, usrednjeni apsorpcioni spektar ansambla kvantnih
crta izračunava se u dipolnoj aproksimaciji za polarizaciju upadne svetlosti u pravcu
izraženijeg i u pravcu slabijeg konfiniranja u kvantnoj crti, uz pretpostavku da se
fluktuacije dimenzija kvantnih crta u ansamblu mogu modelovati dvodimenzionalnom
Gauss-ovom raspodelom.
Izračunati apsorpcioni spektar je izražen za polarizaciju upadne svetlosti u
pravcu slabijeg konfiniranja i u zavisnosti od materijalnog sistema i dimenzija kvantnih
crta u ansamblu zauzima opseg talasnih dužina od 4 do 16 μm, što pripada srednjoj
infracrvenoj oblasti. Sa povećanjem fluktuacija u dimenzijama, spektar ansambla
postaje širi, zaravnjen i sve više asimetričan. Kada se uzme u obzir prisustvo vlažećeg
sloja, koncentracija elektrona značajno utiče na apsorpciju, a spektar se može
podešavati promenom debljine bafer slojeva. Povećanje debljine vlažećeg sloja dovodi
do smanjenja apsorpcije i crvenog pomaka spektra, što je posebno izraženo za ansamble
sa manjim fluktuacijama dimenzija. Konačno, pažljivim podešavanjem debljine bafer
slojeva može se postići optimizacija spektra u smislu ostvarivanja maksimalne
apsorpcije.
U zavisnosti od materijalnog sistema, nominalne debljine InAs sloja i
parametara narastanja, samo-organizovane kvantne crte mogu imati različite profile
poprečnog preseka. U cilju ravnopravnog poređenja uticaja profila poprečnog preseka
na apsorpcioni spektar, definisani su kriterijumi ekvivalencije uobičajenih geometrijskih
oblika koji se koriste za aproksimaciju poprečnog preseka kvantnih crta (sočivasti,
trapezni, trougaoni i pravougaoni oblik). Bez obzira na fluktuaciju u dimenzijama,
spektri ansambla sa sočivastim i ekvivalentnim trapeznim poprečnim presekom su
slični. Primena pravougaone aproksimacije sočivastog oblika je opravdana samo za
relativno male fluktuacije u dimenzijama. Apsorpcioni spektri za ansamble sa
ekvivalentnim trougaonim profilom su značajno crveno pomereni i sa nešto većom
maksimalnom apsorpcijom nego za ansamble sa sočivastim profilom kvantnih crta.
Konačno, može se zaključiti da uticaji debljine vlažećeg sloja, distribucije po
veličinama i koncentracije elektrona u jami određene debljinom bafer sloja na spektar
unutarzonske apsorpcije, pokazuju zanimljive trendove koje nije moguće intuitivno
pretpostaviti. Iz tog razloga, rezultati prezentovani u okviru ove disertacije mogu biti od
koristi u eksperimentalnim istraživanjima, za optimizaciju spektralnih karakteristika
kvantnih crta sa primenom u novim poluprovodničkim uređajima za srednju infracrvenu
spektralnu oblast.
Abstract (en)
Mid- and far-infrared regions (3 – 30 μm) are very attractive for many photonics
applications such as thermal imaging, spectroscopy, astronomy, gas and biosensing,
nondestructive evaluation, industrial and ecology monitoring, medical diagnostics,
military applications, free-space communications, and etc. This is mainly due to the
high transparency atmospheric windows (3–5 μm and 8–13 μm) in which the Earth’s
atmosphere is relatively transparent, and the fact that a large number of molecules
undergo strong characteristic vibrational transitions in this spectral range. Now-a-days
quantum cascade lasers are well-established coherent sources of radiation in the midinfrared
and terahertz regions. Even though in the mid-IR these devices work extremely
well, they could still benefit from improved threshold currents and higher wall plug
efficiencies.
Recent studies have shown that mid-infrared photonic devices incorporating
semiconductor nanostructures in which the electronic motion is confined in more than
one spatial direction, may overcome some of the limitations of quantum well based
devices, especially short excited-state carrier lifetime, caused by numerous in-plane
scattering paths. Self assembled nanostructures, as three-dimensionally confined
quantum dots or their elongated version with two dimensional confinement, called
quantum dashes (QDHs), may provide the additional confinement required for reduction
of scattering events or improvement of optical transitions strength and polarization.
Therefore, investigation of their electronic structure is a basis for further understanding
and optimization with respect to carrier scattering processes and its lifetime, optical
transitions strength and polarization type.
Quantum-dash structures, fabricated by self assembly growth techniques, were
initially used to realize long wavelength lasers and amplifiers for telecom applications.
This new type of laser material allows to achieve new device features not possible by
conventional device designs. For example, broadband laser material with a gain
bandwidth of more than 300 nm could be obtained to cover the extended
telecommunication wavelength range between 1.4 and 1.65 μm. In spite of intensive
experimental investigation directed toward employing interband transitions in quantum
dashes, intersubband transitions suitable for mid- and far-infrared emission, until
recently, did not attract attention at all.
This thesis delivers an overall picture of the mid-infrared spectral properties of
quantum dash nanostructures, while focusing in particular on its dependence on electron
concentration, the size fluctuation of QDHs in ensemble, and thicknesses of the wetting
layer. Before going into all the details of the mathematical equations underlying the
physical model of intersuband absorption in quantum dashes, the thesis set the stage by
providing an overview of some general answers on questions regarding the quantum
dashes: What is a quantum dash, how quantum dashes form an ensemble, what are their
basic geometrical and optical properties, and finally, how we can use them in
semiconductor photonic components.
After these introductory chapters, details of theoretical model of band structure
and intersubband absorption, as well as method for their numerical calculations, are
presented. The electronic band structure of a single QDHs is modeled by using the
single-band Schrödinger equation in the envelope function approximation. The band
structure calculation is performed self-consistently in the parabolic approximation by
using the finite elements method.
Additionally, a newly developed, efficient and simple method for the band
structure and wavefunction calculation of quantum dashes is presented. The method is a
combination of the coordinate transformation of the QDH geometry and its vicinity into
rectangular computational domain and the single-band Schrödinger equation solved in
this domain by the finite differences method. The method versatility comes from a
broad set of function families which can fit the QDH heterointerface and generate the
computational domain of the proper form and size. For the proposed coordinate
transformations, applicability, robustness and convergence of the method are
investigated and analyzed by varying the FDM grid density and size of the
computational domain. The method provides sufficient accuracy, stability and flexibility
with respect to the size and shape of the quantum dash and above all, extreme
simplicity, which is promising and essential for an extension of the method to the
multiband Schrödinger equation case. By choosing appropriate periodic functions this
method can be used to investigate the band structure of a quantum dash array and its
dependence on geometrical parameters.
The miniband structure of the InAs/GaAs quantum dash array is calculated
without taking into account the influence of the barrier doping and confined electrons
on the conduction subband structure. The calculation shows that miniband energy
significantly depends on the dash height and width, while the miniband width depends
on the array period and the dash width. For large periods and some critical dimensions
of QDHs, adjacent excited minibands may exhibit the effect of zero miniband gap and
the multiple anticrossings, which are followed by the swapping of the wavefunction
character of adjacent minibands top and bottom. Due to the wetting layer, higher
minibands are clustered in the vicinity of the well top, providing a kind of the “bound
continuum,” which might be relevant for control of capture and relaxation of excited
carriers. However, it is assumed that lower minibands, responsible for intersubband
transitions when ionized donors and corresponding electrons are taken into account, can
be approximated by single energy levels, while the calculated Hartree potential remains
unperturbed by their presence.
Starting from the band structure, averaged intersubband absorption of a QDH
ensemble is calculated in the dipole approximation, for incident light polarization in
directions of stronger and weaker confinement in the QDHs, assuming that stochastic
size distribution of QDHs in the ensemble can be modeled by two-dimensional
Gaussian distribution.
The absorption spectrum is pronounced for incident light polarization in the
direction of weak confinement in QDHs and, depending on the material system and
average dimensions of the QDHs in ensemble, dominantly occupies the mid-infrared
wavelength range from 4 to 16 μm. It is observed that, with an increase in the QDH size
fluctuations, the absorption spectra become broader, more asymmetric and flattened. As
far as the wetting layer is taken into account, the electron concentration significantly
affects the absorption, while the spectrum can be tailored by adjusting the spacer layers.
The increase in the wetting layer thickness considerably reduces the absorption and
leads to the redshift in the spectra, especially for smaller QDH size fluctuations. Finally,
careful design of the spacer layers thickness can be used for optimization of the
absorption spectrum regarding its maximization.
Depending on the material system, the nominal thickness of the InAs layer and
growth parameters, the self-assembled QDHs may have various cross-section profiles.
In order to make a fair comparison and investigate the influence of QDH cross-section
profile on the absorption spectrum, the criteria of equivalence for commonly used shape
approximations (lens-like, trapezoidal, triangular and rectangular) are defined. It is
observed that, regardless of the size fluctuation, absorption spectra for lens-like and
equivalent trapezoidal cross-section profiles are similar. Using a rectangular
approximation of the lens-like profile is justified for small-size fluctuations. The
absorption spectra for ensembles with equivalent triangular QDHs exhibit significant
red-shift and somewhat larger peak absorption in comparison to the ensembles with
lens-like QDHs.
In conclusion, the influences of the wetting layer thickness, the size distribution,
and the remote doping by the spacer layer thickness on the mid-infrared absorption
spectra, show interesting trends which are not fully intuitive. Therefore, the results
presented in this thesis could help experimentalists to optimize specific intersubband
transition properties in quantum dash nanostructures for future mid-infrared
applications.
Authors Key words
kvantne crte, srednja infracrvena spektralna oblast, samosaglasna
elektronska struktura, unutarzonska apsorpcija, fluktuacija dimenzija, vlažeći sloj,
dizajn i optimizacija apsorpcionog spektra
Authors Key words
quantum dashes, mid-infrared spectral region, self-consistent electronic
band structure, intersubband absorption, size fluctuations, wetting layer, design and
optimization of absorption spectra
Classification
621.38(043.3)
Type
Tekst
Abstract (sr)
U mnogim primenama fotonskih sistema od interesa su komponente koje
funkcionišu u oblasti srednjeg i dalekog infracrvenog zračenja (3 – 30 μm). Neke od
atraktivnih aplikacija vezane su za termalnu vizuelizaciju, spektroskopiju, astronomiju,
gasne i bio-senzore, nedestruktivnu evaluaciju, industrijski i ekološki monitoring,
medicinsku dijagnostiku, vojne primene, komunikaciju u slobodnom prostoru i slično.
Ove primene su mahom omogućene postojanjem transparentnih atmosferskih prozora
(3–5 μm i 8–13 μm) u srednjoj infracrvenoj oblasti, kao i činjenicom da veliki broj
molekula u ovoj oblasti ima izražene karakteristične vibracione prelaze. Danas,
kvantno-kaskadni laseri predstavljaju široko prihvaćeno rešenje za realizaciju
koherentnih poluprovodničkih izvora zračenja za srednju infracrvenu i terahercnu
spektralnu oblast. Međutim, još uvek postoji prostor za unapređenje njihovih
performansi u pogledu struje praga i efikasnosti konverzije snage.
Nedavno sprovedena istraživanja potvrdila su da uređaji za srednju-infracrvenu
oblast koji koriste poluprovodničke nanostrukture u kojima je kretanje elektrona
ograničeno u više od jednog pravca, mogu prevazići neka od ograničenja koja se
javljaju u kvantnim jamama, prvenstveno kratko vreme života eksitovanih stanja koje je
posledica izraženog rasejanja naelektrisanja u ravni jame. Samo-organizovane
nanostrukture, kao što su trodimenzionalno konfinirane kvantne tačke, ili njihova
izdužena verzija sa izraženim dvodimenzionalnim konfiniranjem, nazvana kvantne crte,
obezbeđuju dodatno konfiniranje koje omogućava smanjenje rasejanja i poboljšanje
jačine optičkih prelaza. Iz tog razloga, istraživanje elektronske strukture ovih
nanostruktura predstavlja osnovu za dalje razumevanje problematike i optimizaciju
procesa rasejanja nosilaca, njihovog vremena života, jačine optičkih prelaza i tipa
polarizacije.
Kvantne crte koje se fabrikuju mehanizmima samo-organizovanog narastanja,
prvobitno su korišćene za realizaciju lasera i optičkih pojačavača za telekomunikacione
talasne dužine u okolini 1.55 μm. Aktivni materijal na bazi kvantnih crta omogućio je
ostvarivanje novih osobina, koje uređaji sa konvencionalnim dizajnom nisu mogli da
ponude. Primera radi, realizovane su aktivne oblasti za širokopojasne lasere sa širinom
spektra pojačanja od preko 300 nm za emisiju u opsegu od 1.4 do 1.65 μm. Međutim, i
pored intenzivnih eksperimentalnih istraživanja usmerenih ka eksploataciji
međuzonskih prelaza u kvantnim crtama, unutarzonski prelazi pogodni za emisiju u
srednjoj i dalekoj infracrvenoj oblasti, do nedavno nisu privlačili značajnu pažnju.
Ova disertacija daje opštu sliku spektralnih osobina kvantnih crta u srednjoj
infracrvenoj oblasti, sa posebnim fokusom na razmatranje kako na spektar utiču
koncentracija elektrona, fluktuacije veličina kvantnih crta u ansamblu i debljina
vlažećeg sloja. Pre nego što pristupi razmatranju detalja matematičkih formulacija koje
leže u osnovi fizičkog modela unutarzonske apsorpcije, disertacija daje pregled osobina
kvantnih crta kroz odgovore na neka jednostavna pitanja: šta je kvantna crta, kako se
formiraju ansambli kvantnih crta, koje su njihove osnovne geometrijske i optičke
karakteristike i konačno, kako se kvantne crte mogu koristiti u poluprovodničkim
fotonskim komponentama.
Nakon ovih uvodnih poglavlja, izloženi su detalji teorijskog modela za
izračunavanje zonske strukture i unutarzonske apsorpcije, kao i metoda korišćenih za
numerička izračunavanja. Elektronska struktura izolovane kvantne crte se određuje
rešavanjem jednozonske Schrödinger-ove jednačine u aproksimaciji anvelopne funkcije.
Zonska struktura se određuje samosaglasno, u paraboličnoj aproksimaciji efektivne
mase, a numerička implementacija je izvedena primenom metode konačnih elemenata.
Pored toga, u disertaciji je predložen još jedan efikasan i jednostavan metod za
određivanje elektronske strukture. Predloženi metod kombinuje koordinatnu
transformaciju geometrije kvantne crte i barijernog materijala koji je okružuje u
pravougaoni domen izračunavanja i rešavanje jednozonske Schrödinger-ove jednačine
na pravougaonom domenu primenom metode konačnih razlika. Prilagodljivost ovog
metoda potiče od velikog broja familija funkcija koje se mogu koristiti za fitovanje
heterogranica kvantnih crta i definisanje domena izračunavanja pogodnog oblika i
veličine. Za predložene koordinatne transformacije analizirana je primenljivost,
robusnost i konvergencija metode promenom veličine diskretizacionog koraka i veličine
domena izračunavanja. Metod obezbeđuje zadovoljavajuću preciznost, stabilnost i
fleksibilnost u pogledu veličina i oblika kvantnih crta, a pre svega, obezbeđuje izuzetnu
jednostavnost, što ga čini potencijalno pogodnim za rešavanje višezonskih Schrödingerovih
jednačina. Izborom odgovarajuće periodične funkcija koja fituje heterogranicu
kvantne crte, ovaj metod se može koristiti i za određivanje zonske strukture periodičnog
niza kvantnih crta i njene karakterizacije u zavisnosti od relevantnih geometrijskih
parametara.
U nastavku, mini-zonska struktura InAs/GaAs niza kvantnih crta određena je u
aproksimaciji koja ne uzima u obzir dopiranje barijere i uticaj konfiniranih elektrona na
strukturu provodne zone. Izračunavanja su pokazala da je energija mini-zona jako
zavisna od visine i širine kvantne crte, dok širina mini-zona zavisi od periode niza i
širine kvantne crte. Za velike vrednosti perioda i određene kritične dimenzije kvantnih
crta, između susednih pobuđenih mini-zona može doći do pojave nultog-energetskogprocepa
i višestrukih anti-ukrštanja koja su praćena promenom karaktera talasnih
funkcija vrha i dna susednih mini-zona. Kao posledica prisustva vlažećeg sloja, više
mini-zone su grupisane u okolini vrha jame i formiraju neku vrstu “vezanog
kontinuuma” koji može biti od značaja za kontrolu procesa zahvata i otpuštanja
eksitovanih nosilaca. Međutim, u narednim razmatranjima, pretpostavlja se da se minizone,
odgovorne za unutarzonske prelaze onda kada određivanje zonske strukture uzima
u obzir uticaj jonizovanih donora i odgovarajućih elektrona, mogu aproksimirati
diskretnim energetskim nivoima, te da svojim prisustvom ne utiču na perturbaciju
izračunatog Hartree potencijala.
Polazeći od zonske strukture, usrednjeni apsorpcioni spektar ansambla kvantnih
crta izračunava se u dipolnoj aproksimaciji za polarizaciju upadne svetlosti u pravcu
izraženijeg i u pravcu slabijeg konfiniranja u kvantnoj crti, uz pretpostavku da se
fluktuacije dimenzija kvantnih crta u ansamblu mogu modelovati dvodimenzionalnom
Gauss-ovom raspodelom.
Izračunati apsorpcioni spektar je izražen za polarizaciju upadne svetlosti u
pravcu slabijeg konfiniranja i u zavisnosti od materijalnog sistema i dimenzija kvantnih
crta u ansamblu zauzima opseg talasnih dužina od 4 do 16 μm, što pripada srednjoj
infracrvenoj oblasti. Sa povećanjem fluktuacija u dimenzijama, spektar ansambla
postaje širi, zaravnjen i sve više asimetričan. Kada se uzme u obzir prisustvo vlažećeg
sloja, koncentracija elektrona značajno utiče na apsorpciju, a spektar se može
podešavati promenom debljine bafer slojeva. Povećanje debljine vlažećeg sloja dovodi
do smanjenja apsorpcije i crvenog pomaka spektra, što je posebno izraženo za ansamble
sa manjim fluktuacijama dimenzija. Konačno, pažljivim podešavanjem debljine bafer
slojeva može se postići optimizacija spektra u smislu ostvarivanja maksimalne
apsorpcije.
U zavisnosti od materijalnog sistema, nominalne debljine InAs sloja i
parametara narastanja, samo-organizovane kvantne crte mogu imati različite profile
poprečnog preseka. U cilju ravnopravnog poređenja uticaja profila poprečnog preseka
na apsorpcioni spektar, definisani su kriterijumi ekvivalencije uobičajenih geometrijskih
oblika koji se koriste za aproksimaciju poprečnog preseka kvantnih crta (sočivasti,
trapezni, trougaoni i pravougaoni oblik). Bez obzira na fluktuaciju u dimenzijama,
spektri ansambla sa sočivastim i ekvivalentnim trapeznim poprečnim presekom su
slični. Primena pravougaone aproksimacije sočivastog oblika je opravdana samo za
relativno male fluktuacije u dimenzijama. Apsorpcioni spektri za ansamble sa
ekvivalentnim trougaonim profilom su značajno crveno pomereni i sa nešto većom
maksimalnom apsorpcijom nego za ansamble sa sočivastim profilom kvantnih crta.
Konačno, može se zaključiti da uticaji debljine vlažećeg sloja, distribucije po
veličinama i koncentracije elektrona u jami određene debljinom bafer sloja na spektar
unutarzonske apsorpcije, pokazuju zanimljive trendove koje nije moguće intuitivno
pretpostaviti. Iz tog razloga, rezultati prezentovani u okviru ove disertacije mogu biti od
koristi u eksperimentalnim istraživanjima, za optimizaciju spektralnih karakteristika
kvantnih crta sa primenom u novim poluprovodničkim uređajima za srednju infracrvenu
spektralnu oblast.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.