научная статья по теме ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ИНТЕРФЕЙСНЫХ ФОНОНОВ И ИХ АНИЗОТРОПИЯ В СВЕРХРЕШЕТКАХ GAAS/ALAS: ЭКСПЕРИМЕНТ И РАСЧЕТЫ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ИНТЕРФЕЙСНЫХ ФОНОНОВ И ИХ АНИЗОТРОПИЯ В СВЕРХРЕШЕТКАХ GAAS/ALAS: ЭКСПЕРИМЕНТ И РАСЧЕТЫ»

ВЗАИМОДЕИСТВИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ИНТЕРФЕЙСНЫХ ФОНОНОВ И ИХ АНИЗОТРОПИЯ В СВЕРХРЕШЕТКАХ СаАя/А^: ЭКСПЕРИМЕНТ И РАСЧЕТЫ

В. А. ВолодинаЬ* В. А. Сачков€, М. П. Синюков"

Институт физики полупроводников им. А. В. Ржмнова Сибирского отделения Российской академии наук

630090, Новосибирск, Россия

ь Новосибирский государственный университет 630090, Новосибирск, Россия.

€ Омский научный центр Сибирского отделения. Российской академии наук 644040> Омск, Россия.

Поступила в редакцию 6 ноября 2014 г.

Рассчитаны и экспериментально исследованы угловая анизотропия интерфейсных фононов и их взаимодействие с оптическими фононами в сверхрешетках СаАв/'А^в (001). В эксперименте применялся метод спектроскопии комбинационного рассеяния света в различных геометриях рассеяния, для фононов с волновым вектором, направленным как по нормали к сверхрешетке, так и вдоль ее слоев. Для расчетов частот фононов применялся расширенный метод Борна с учетом кулоновского взаимодействия в приближении жестких ионов. Спектры комбинационного рассеяния света были рассчитаны в приближении поляризуемости связей Волькенштейна. Расчеты подтвердили, что экспериментально наблюдаемая угловая анизотропия фононов возникает вследствие взаимодействия (смешивания) оптических фононов, в которых атомы смещаются в основном по нормали к сверхрешетке, с интерфейсными фононами (ТО-1Р-моды). В геометрии рассеяния, когда волновой вектор лежит в плоскости слоев сверхрешеток, смешанные ТО-1Р-моды наблюдаются в нерезонансных условиях. Спектры комбинационного рассеяния света ТО-1Р-мод зависят от перемешивания атомов на гетерограницах.

DOI: 10.7868/S0044451015050043 1. ВВЕДЕНИЕ

Сверхрешетки это твердотельные наногетро-структуры с искусственно задаваемым периодом в одном из направлений [1,2]. Прежде всего, они интересны как объекты, в которых можно управлять энергетическим спектром электронов, в англоязычной литературе этот подход называется "band gap engineering". Достижения современных технологий эпитаксии дают возможность контролируемого роста различных материалов с точностью до одного монослоя (МС "monolayer ML") [3]. Такие структуры можно рассматривать как рукотворный кристалл, в примитивной ячейке которого содержатся несколько атомов, их количество определяется периодом сверхрешетки. Модификация структуры приводит

* E-mail: volodin'fflisp.nsc.ru

к модификации фононного спектра сверхрешеток. Это прежде всего эффект «свертки» акустических фононных мод и эффект локализации оптических мод, которые наблюдались с использованием метода спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) [3 И].

Сверхрешетки, как и слоистые структуры, являются объектами с выделенным направленном, поэтому в них должна проявляться угловая анизотропия дисперсии электромагнитных волн [12]. Дополнительный период приводит к свертке акустических ветвей, что было теоретически предсказано для макроскопических слоистых структур [13]. Ку-лоиовскоо взаимодействие влияет на частоты фононных мод с волновыми векторами больше 100 см-1, так как в этом случае можно пренебречь эффектами запаздывания вследствие конечности скорости света [14,15]. Согласно расчетам, учет кулоновского взаимодействия в сверхрошетках приво-

дит к угловой анизотропии для оптических мод, обладающих большим дипольным моментом [16,17]. Поскольку большинство полупроводниковых гетеро-структур непрозрачны в видимом свете, при исследовании их методом КРС применяется геометрия обратного или квазиобратного рассеяния, при этом фотоны взаимодействуют с квазичастицами, импульс которых направлен перпендикулярно слоям сверхрешеткн. Для исследования угловой анизотропии фононов необходимо использовать геометрию рассеяния вперед (forward scattering), а значит использовать свет, который не поглощается в подложке, либо изготавливать мембраны (вытравливая подложку) [18,19]. Поэтому экспериментальных работ по исследованию угловой анизотропии фононов мало, хотя эта проблема остается актуальной задачей физики фононов в твердотельных наноструктурах [20]. С развитием экспериментальной техники и совершенствованием приборов для исследования КРС на микрообъектах (micro-Raman) появилась возможность применять геометрию рассеяния, в которой волновой вектор света не только перпендикулярен слоям сверхрешеткн, но и лежит в ее плоскости, при освещении ее с «торца» [20 24]. Именно этот подход был использован в данной работе.

2. ЭКСПЕРИМЕНТ

Сверхрешетки GaAs/'AlAs были выращены с применением метода молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs с ориентацией (001). Сначала выращивались толстые буферные слои GaAs и AlAs, затем чередующиеся слои AlAs и GaAs, толщины которых составляли от 5 до 26 МС. Параметры сверхрешеток приведены в табл. 1. Некоторые сверхрешеткн были покрыты относительно толстым защит-

Таблица 1. Параметры исследуемых сверхрешеток

Л* GaAs, MLs AlAs, MLs Количество периодов Толщина, нм Защитный слой GaAs, нм

1 5 5 120 336 24

2 7 7 103 412 нет

3 9 9 20 100 нет

4 9 26 30 294 9

ным слоем GaAs, так как тонкие слои GaAs при хранении па воздухе могут окислиться, а слои AlAs химически нестабильны, при взаимодействии с кислородом образуют окислы, сквозь которые способен диффундировать кислород, и вся сверхрешетка может окислиться. Угловая анизотропия фононов исследовалась в геометрии обратного рассеяния. Все спектры регистрировались при комнатной температуре при возбуждении линией аргонового лазера 514.5 им. Пространственное разрешение определялось размерами лазерного пучка в фокусе н составляло величину меньше одного микрометра. Мощность излучения, доходящего до образца, составляла 1 мВт, что не вызывало заметного нагрева образцов. Использовалось оборудование научно-образовательного комплекса «Наносистемы и современные материалы» Новосибирского государственного университета спектрометр Т64000 производства Horiba Jobin Yvon с приставкой для микроскопических исследований КРС на базе микроскопа Olympus.

3. ДЕТАЛИ РАСЧЕТОВ

Расчеты фононного спектра и спектров КРС вычислялись с помощью феноменологической модели Борна (приближение двухчастичного взаимодействия) [14], с учетом взаимодействия атома не только с ближайшими соседями, но и с атомами следующих координационных сфер (так называемая расширенная модель Борна). Для моделирования фононов в гетерострукурах GaAs/'AlAs использовался метод массо-замещення [27,28] на основе модельных параметров арсенида галлия (в случае атома алюминия менялась только масса). Учет дальнодейству-ющего кулоновского взаимодействия проводился в диполыгом приближении. Эффективный заряд (в) катионов и анионов был найден из разницы квадратов [14] продольной (u'l = 292.6 см-1) и поперечной (и.>т = 269 см-1) частот,

-L — - _L "j('-."jA- , 2 2,

e 16тг теп» + '»л- L T

_ 9.52 ■ 104 г

Na cm2'

здесь и о постоянная решетки GaAs, Na число Авогадро, то а и тл8 массы соответственно атомов галлия и мышьяка. Упругие параметры подгонялись методом наименьших квадратов к экспериментальным данным рассеяния нейтронов на фоно-нах в направлениях Д, Е, Л, Z и Q, полученным при

907

3*

Т = 12 К [25]. Частоты фононов при комнатной температуре получались из следующей зависимости их от температуры: 6и)/6Т = 1.35- Ю-2 см-1 - К-1 [26].

Интенсивность КРС для каждой моды вычислялась в приближении аддитивной поляризуемости связей Вольконштойна [29]. Этот метод основывается на предположении, что каждая ковалонт-ная связь имеет свою поляризуемость, являющуюся функцией только длины этой связи. Тогда поляризуемость системы можно представить как сумму поля-ризуомостой всех связей [30]. Параметры для расчетов готороструктуры на основе СаАя и А1Аб взяты из работы Кастрилло с соавторами [30]. Более детально расчеты описаны в работе [31].

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 показаны спектры всех сверхрешеток и объемного СаАя в случае, когда волновые векторы падающего и рассеянного фотона перпендикулярны плоскости образца. Спектры получены в гоо-

КРС

GaAs ТО

GaAs LO

Z(XY)-Z

huJL = 2.41 эВ

1 GaAs.-,/Al As.-,

2 Ga Ast/'AI Ast

3 GaAs»/AlAs»

4 GaAs» /AlAs2o

5 GaAs объемный

240 260 280 300 320 340 360 380 400 Сдвиг частоты, см"1

Рис. 1. Экспериментальные спектры КРС сверхрешеток СаАв/ А1Ав и объем ного СаАв, волновой вектор света направлен по нормали к поверхности

мотрии Z(XY) Z. Здесь и далее оси в скобках соответствуют направлению поляризации вектора напряженности электрического поля падающей и рассеянной электромагнитных воли, а оси вне скобок показывают направление волнового вектора падающей н рассеянной электромагнитных волн. Осп „Y, Y и Z параллельны кристаллографическим направлениям соответственно (100), (010) и (001). В спектрах отчетливо наблюдаются пики, свидетельствующие о квантовании фононного спектра. В случае обратного рассеяния от поверхности (001) разрешенными для кристаллов с решетками типа цинковой обманки и алмаза являются только продольные моды. Для фононов, в которых атомы смещаются вдоль направлений „Y, Y и Z, компоненты тензора КРС (Daß) имеют вид

ТО

А"

/ о о о \ 0 0 d , V о d о / / о

/00

ТОу

LO;

d

о о V d о d о \ о о

d \ о

О /

(1)

V о о о /

где d определяется дифференциальной поляризуемостью связей при изменении их длины либо угла между ними [3,11,30 32]. В соответствии с правилами отбора, интенсивность КРС пропорциональна (EsaDafiEifi)2, где Ei вектор поляризации падающего света, а Ея вектор поляризации рассеянного света. Если оба этих вектора лежат в плоскости А'У, то интенсивность рассеяния для мод ТО у и ТОу равна нулю. Однако в спектрах видны пики от локализованных поперечных оптических мод первого порядка (TOl-моды) от AlAs и GaAs и ТО-мода объемного GaAs. Это связано со смягчением правил отбора, что может быть обусловлено отклонением волновых векторов фотонов от нормали (объектив микроскопа собирает рассеянный свет в пределах большого телесного угла), а также дефектами и влиянием гетерограниц. Интенсивность разрешенных продольных мод гораздо больше, и в спектре на рис. 1 можно наблюдать пики от локализованных в слоях GaAs и AlAs продольных оптических мод первого порядка (LOI), а для GaAs (в некоторых свер

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком