научная статья по теме ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ И ОБЪЕМНОЙ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН С ДВУМЕРНЫМ ПОЛУМЕТАЛЛОМ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ И ОБЪЕМНОЙ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН С ДВУМЕРНЫМ ПОЛУМЕТАЛЛОМ»

ВЗАИМОДЕИСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ И ОБЪЕМНОЙ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН С ДВУМЕРНЫМ ПОЛУМЕТАЛЛОМ

В. М. КовалеваК А. В. Чаплик" '

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

630090, Новосибирск, Россия

ь Новосибирский государственный технический университет 630095, Новосибирск, Россия.

€ Новосибирский государственный университет 630090, Новосибирск, Россия.

Поступила в редакцию 26 августа 2014 г.

Изучается взаимодействие поверхностной упругой волны Рэлея с электрон-дырочной плазмой двумерного полуметалла, обусловленное двумя механизмами взаимодействия — деформационного потенциала и пьезоэффекта. Получены дисперсионные уравнения, описывающие связанные плазмон-акустические моды для обоих типов взаимодействия. Вычислено затухание рэлеевской волны. Рассчитано затухание акустической и оптической плазменных мод, обусловленное излучением звука плазменными колебаниями в объем подложки. Показано, что излучение звука в основном обусловлено акустической плазменной модой в случае деформационного механизма, и оптической — в случае пьезомеханизма.

DOI: 10.7868/S0044451015020145 1. ВВЕДЕНИЕ

Недавнее обнаружение [1,2] двумерного полуметалла в широких квантовых ямах (КЯ) на основе соединения HgTe стимулировало появление ряда теоретических работ, в которых изучались циклотронный резонанс [3], рассеяние носителей заряда [4], свойства фермионных [5] и бозонных (плазмоны) [6] возбуждений, в том числе, в магнитном поле [7].

Настоящая статья посвящена рассмотрению взаимодействия плазменных возбуждений двумерного полуметалла с рэлеевской поверхностной акустической волной (ПАВ), обусловленного деформационным потенциалом и пьезоэлектрическим механизмом, а также излучению объемного звука коллективными возбуждениями двумерной двухкомпонентной плазмы. Взаимодействие поверхностных волн Рэлея и воли Блюштейиа Гуляева с монополярной двумерной плазмой хорошо изучено в литературе [8]. Электрон-дырочная плазма в пьезоэлектрическом поле поверхностной волны изучалась работе [9]. В отличие от нашей постановки, в работе [9] рассмат-

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

ривалась сильно неравновесная ситуация: в уравнениях учитывались как фотогенерация носителей светом, так и их рекомбинация. В полуметалле ситуация существенно другая. Во-первых, не требуется генерация носителей заряда благодаря перекрытию зоны проводимости и валентной зоны заселение квантовой ямы носителями обоих знаков возможно соответствующим выбором положения химического потенциала системы т.е., фактически, затворным напряжением. Во-вторых, разнесенные в импульсном пространстве электронная и дырочные долины препятствуют рекомбинации носителей заряда, см. рис. 1. И, наконец, в-третьих, динамика носителей заряда в работе [9] рассматривалась в режиме сильных столкновений с примесями и описывалась статической проводимостью Друде. В таком режиме, как известно, плазменные колебания отсутствуют и авторы [9] рассматривали лишь перенормировку скорости и поглощение ПАВ. Мы будем изучать противоположный бесстолкновительный предел.

На рис. 2 изображена рассматриваемая структура, состоящая из подложки и расположенной на ней квантовой ямы Н^То. Для простоты полагаем, что подложка является изотропной упругой средой, в которой могут распространяться упругие волны, ха-

т, к 0.024/по ш/, к 0.18/по ¡ко к 2 • 10° см"1

где

Лкх—гизЬ

■и,(г) = - ¡к. Ь :.

■иг(г) = к В.

(2)

К[ = л/к2 — и/2/с2, К/. = л/к2 — и/2/с;

Рис.1. Зонная структура двумерного полуметалла

+ + + + + + + + + + + + ++////// Электрон-дырочная плазма п^'ре КЯ

Подложка

и2 (х,г)_ А

ПАВ

с(х, х)

Рис. 2. Взаимодействие ПАВ с электрон-дырочной плазмой двумерного полуметалла

рактеризуемые продольной с/ и поперечной скоростями звука. Кроме того, типичные ширина квантовой ямы Н^Те в экспериментах [1,2] (1 « 20 нм, что намного меньше длины рэлеевской волны, поэтому деформацию в пределах квантовой ямы можно считать однородной. Влияние электрон-дырочной плазмы сводится к изменению граничных условий для тензора напряжений <т.у на поверхности г =0. В то же время при расчете кулоновского взаимодействия частиц будем полагать, что электроны и дырки разнесены пространственно внутри квантовой ямы на расстояние (1.

2. ДЕФОРМАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Вектор смещения точек среды и(г, ¿) удовлетворяет уравнению [10]

и = с/Ли + (с2 — е2^гас1<:Иуи.

(1)

В геометрии рис. 2 решение уравнения (1) для поверхностной волны Рэлея, распространяющейся в направлении оси х, имеет вид

Здесь Л, В произвольные постоянные, значения которых определяются граничными условиями на поверхности упругой среды, которые имеют вид <т.у Ту = /¡, где Ту вектор нормали к поверхности упругой среды, £ поверхностная плотность силы, действующей со стороны возмущенной электрон-дырочной плазмы на поверхность упругой среды подложки. Величина силы £ может быть найдена усреднением соответствующей объемной плотности силы Г с весом ^'2(г) квадратом волновой функции поперечного движения электрона (дырки) в квантовой яме. При возникновении флуктуации плотности частиц Лг на единицу объема упругой среды действует сила [11] Г = Agl•adЛ^ где Л постоянная деформационного потенциала, которую мы считаем для простоты не зависящей от импульса частиц. Усредняя [12] Г, получаем £ = XV п, где п поверхностная плотность частиц, зависящая только от координат вдоль поверхности, а V двумерный оператор. Таким образом, граничные условия на поверхности подложки г = 0 принимают вид

()С1.

9их дг

2ди-7

ди,

дх

= А,

2с,

дп дх . диг дх

•АЛ

= 0,

др дх'

(3)

где п.р флуктуации поверхностных концентраций электронов и дырок, р плотность упругой среды. Отклонения плотности электронов и дырок от их равновесных значений создают в окружающем пространстве электрическое поле, электрический потенциал которого находится из решения уравнения Лапласа \!2ф = 0, с граничными условиями

ф(0+) = ф(0~), ф(<1+) = ф((Г е[ф'(0-)-ф'(0+)] = 4пепКШ, ф'((1+) — еф'((Г~) = -4перкш.

(4)

где плотности электронов и дырок, согласно теории линейного отклика,

Чу = 0,

щ и, = Ики][^еф(0)+Ш'(ы1 ры = Рк ш[сФ{(1)+\¥^}

0

х

и

Здесь штрих означает дифференцирование по г, а потенциальные энергии электрона и дырки в деформационном поле волны определяются выражениями

= -ЧсИуи )-=а = А г(1Ьи3, + д~-и~)\~=С1, И'/.. = А,(сИуи)-=0 = ХАН'".г +д-_и-_) |-=0.

(5)

Поляризационный оператор электронов

Щи —

И- к2 г2}

/и^

• кЧ2 .И в[к21?

Vпщ

(6)

где ис скорость Ферми электронов. Поляризационный оператор дырок отличается от (6) заменой т.. г, —¥ И)),. !■/,. Выражение (6) применимо в области к -С и), I',. и! -С и), '7/2.

Как уже указывалось выше, длина акустической волны намного превышает ширину квантовой ямы (1. В такой ситуации можно пренебречь конечной шириной ямы в выражении для И*Л в (5) и вычислять его при г = 0. Отметим однако, что такое приближение неприменимо для вычисления кулоновского взаимодействия электронов н дырок, т.е. нельзя считать ф((1) = ф{0) в граничных условиях, так как в этой ситуации акустическая плазменная ветвь исчезает [6].

Подставляя найденные плотности электронов и дырок, а также компоненты вектора смещения нз (2) в граничные условия (3), получаем дисперсионное уравнение

2 2

где

/(к, и;) = (к2 + к2)2 — 1к;к//.-2

(7)

(8)

= 1

2пе2Икш ек

2тге2Икш е(е + 1)к

_[5< \

к

1 )к)

-2 к<1

Б {к, и) = А; 11(I - < •,. /\ „ )—„ (I —г/ 111. ) -

— -А, А/, 1-1.1Ц

где 1'к = 4тге2/А'(<т +1). При вычислениях в (8) мы для простоты везде положили (1 = 0 за исключением величины _!(/>•.„•). поскольку, будучи детерминантом

системы уравнений (4), она определяет закон дисперсии обоих плазменных ветвей.

В отсутствие связи плазмы и упругой волны, т. е. при Ас = А/, = 0 имеем Б (к, и)) = 0 и дисперсионное уравнение распадается на два условия = = 0 и /(к, и)) = 0, которые описывают независимо соответственно плазменные акустическую и оптическую моды [6] н рэлеовскую волну [10]. Действительно, (см. [10]) дисперсия звука описывается выражением и> = к, где £ удовлетворяет соотношению /(¿•^ = = *4/(0 = 0 и

Плазменные моды легко получаются как решения уравнения А(к,и) = 0 в пределе и! » Н>е,Н>ь,

'•¿ас = Л'к, Л' = Г, Г/,

мор1 = \ / к

(10)

Здесь иС;/, = (е + 1)/2тС;/,в2 боровские радиусы электронов н дырок, и, кроме того, при вычислении выражения для акустической моды мы считали, что к(1 -С 1. Теперь рассмотрим поглощение ПАВ и затухание плазменных мод при учете их взаимодействия. Будем предполагать всюду выполнение неравенств С'1, С{ -С 1>е, ( '/).

3. АКУСТИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ ЧАСТОТ

Исследуем сначала область частот, характерную для акустической волны, т.е. и; ~ ((:1,С[)к -С •С (ре,1% кроме этого, для простоты можно принять (1 = 0. В этой области выражение (6) упрощается,

тп,

«--- ( 1 + ¡^

■ N

(Н)

Р'кю

Ч>1, ^ ! _ ._[£ к1<к

и, подставляя в (7) и; = получаем

21- _

№ = — Су/Г3С1х

р( I

Х2.Щ + Х2Р^укЩР^\с + \ьУ2 1 - '*л(П€ + Р€)

* 7Г V '-'Л.

„ II), /', . С)

(12)

Выражение (12) дает миимую и действительную поправки к С. определяя тем самым поправку к закону дисперсии рэлеевской волны и ее затухание. Наличие множителя к в числителе (12) позволяет решать это уравнение итерациями в длинноволновой области к —¥ 0. Представим левую часть (12) в виде /(Со + ¿£) « /(Со) + /'(Со)<">£, где Со решение уравнения (9) /(Со) = 0. Тогда поправка определяется правой частью (12) с заменой С —Со и к = и/Со(-!/■

¿с =

2и!

1^Со2х

/'(Со)рф/.

;; + ЧРИо ~ 1'кЩоРдо(К- + А/, )2 1-^(П€о + Р€о)

(13)

В общем случае выделение мнимой и действительной частей (13) очень громоздко. Поскольку г/. Иг I= —2/кис и г/. Не 1\„ = —2/киь, мы рассмотрим предельные случаи кис.ки/,, » 1 и кис, каь -С 1. В первом случае имеем г»*П?0, -С 1, и,

отбрасывая третье слагаемое в числителе и заменяя знаменатель единицей в (13), для затухания волны и)" = иЛш^С/Со) получаем

2и/2 1 - Со (тсА2 пч.Х]

тг/'(Со )р(-] V

'-'к

(14)

В обратном предельном случае выполняется неравенство г/. I. > 1 и, пренебрегая в числителе первыми двумя слагаемыми и единицей в знаменателе, получаем

2и/2 \/1 - Со И), III/АХ, + А/г)2

7

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