Спиновая динамика в непрямозонных полупроводниковых наноструктурах A3B5

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-00022

НазваниеСпиновая динамика в непрямозонных полупроводниковых наноструктурах A3B5

Руководитель Шамирзаев Тимур Сезгирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова полупроводники, наногетероструктуры, оптическая спектроскопия, экситоны, спиновая динамика

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью работы является исследование нового, неизученного ранее класса полупроводниковых наноструктур: непрямозонных квантовых точек и квантовых ям первого рода. Основными задачами проекта являются: развитие технологии молекулярно-лучевой эпитаксии для получения высокосовершенных полупроводниковых гетероструктур на основе антимонидов, арсенидов и фосфидов соединений А3В5 и всестороннее теоретическое и экспериментальное изучение механизмов спиновой динамики экситонов и носителей заряда в этом новом классе объектов. Одной из интересных особенностей таких структур является подавление обменного взаимодействия между дыркой, локализованной в Гамма долине валентной зоны и электроном из боковой долины зоны проводимости. Это приводит к тому, что локализованные экситонные состояния не смешиваются анизотропной компонентой обменного взаимодействия. Таким образом, в этих структурах появляются недоступные для нелегированных прямозонных систем возможности: с одной стороны, можно использовать для поляризации экситонного спина методы оптической ориентации, с другой, изучать процессы взаимодействии спинов экситонов с решёткой и ядерной спиновой подсистемой на временах вплоть до десятков миллисекунд. В непрямозонных квантовых точках нами был открыт новый механизм спиновой ориентации локализованных электронов: динамическая спиновая поляризация электронов (Phys.Rev.Lett. 125, 156801 (2020)). Было показано, что флуктуации ядерного спина могут быть использованы для поляризации углового момента электронов через сверхтонкое взаимодействие в слабом (несколько миллитесла) продольном магнитном поле. В отличие от оптической ориентации спина открытый нами механизм не требует циркулярной поляризации оптического возбуждения, а в отличие от тепловой спиновой поляризации динамическая поляризация спина имеет место в слабых магнитных полях, для которых электронное Зеемановское расщепление много меньше тепловой энергии. Теоретически показано, что для электронов, связанных в локализованных экситонах, возможна 100% спиновая поляризация. Исследования будут проводится в трёх основных направлениях: (1) Развитие технологии эпитаксиального роста непрямозонных гетероструктур первого рода, которое будет сопровождаться всесторонним изучением атомного строения (с использованием широкого набора методов структурного анализа). (2) Экспериментальное и теоретическое исследование энергетического спектра полученных гетероструктур. (3) Изучение оптических свойств долгоживущих непрямых экситонов в структурах первого рода. Основное внимание будет уделено детальному анализу динамики спиновой поляризации, релаксации и рекомбинации локализованных экситонов. Запланировано, детальное экспериментальное и теоретическое изучение эффектов, обусловленных динамической спиновой поляризации электронов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шамирзаев Т.С., Яковлев Д.Р., Коптева Н.Е., Кудлачик Д., Глазов М.М., Кречетов А.Г., Гутаковский А.К., Байер М. Spin dynamics of charged excitons in ultrathin (In,Al)(Sb,As)/AlAs and Al(Sb,As)/AlAs quantum wells with an indirect band gap PHYSICAL REVIEW B, 106, 7, 075407 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevB.106.075407

Публикации

1. Шамирзаев Т.С., Атучин В.В., Жилицкий В.Е., Горнов А.Ю. Dynamics of Vacancy Formation and Distribution in Semiconductor Heterostructures: Effect of Thermally Generated Intrinsic Electrons Nanomaterials, 13, 308 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13020308

2. Шамирзаев Т.С., Шумилин А.В., Смирнов Д.С., Кудлачик Д., Некрасов С.В., Кусраев Ю.Г., Яковлев Д.Р., Байер М. Optical Orientation of Excitons in a Longitudinal Magnetic Field in Indirect-Band-Gap (In,Al)As/AlAs Quantum Dots with Type-I Band Alignment Nanomaterials, 13, 729 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13040729

3. Шамирзаев Т.С. Формирование заряженных вакансий в анионной подрешетке AlAs Физика и техника полупроводников, 57,4,225 (год публикации - 2023)
10.21883/FTP.2023.04.55890.01k

4. Шамирзаев Т.С., Атучин В.В. Effect of n - and p-doping on Vacancy Formation in Cationic and Anionic Sublattices of (In,Al)As/AlAs and Al(Sb,As)/AlAs Heterostructures Nanomaterials, 13, 2136 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13142136

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Разработана технология эпитаксиального роста совершенных псевдомофно-напряженных, непрямозонных гетероструктур в гетеропаре GaSb GaP. Выращены совершенные структуры c квантовыми ямами Ga(Sb,P)/GaP. Обнаружено, что немонотонная сегрегация сурьмы в GaP приводит к формированию двух КЯ Ga(Sb,P)/GaP при осаждении единственного монослоя атомов Sb. 2. Изучена динамика рекомбинации и спиновой релаксации экситонов в синтезированных гетероструктурах Ga(Sb,P)/GaP с квантовыми ямами. Показано, что время жизни экситонов в КЯ увеличивается с уменьшением их энергии локализации. Это изменение времени жизни отражает перескоки экситонов в места с большей энергией локализации. Установлено, что приложение продольного магнитного поля приводит к быстрой спиновой поляризации носителей заряда в объемном слое GaP, в то время как спин-поляризованные носители заряда, захваченные в квантовые ямы Ga(Sb,P) из матрицы GaP, сохраняют свою поляризацию в течение миллисекунд, что указывает на очень большие (>1 миллисекунды) времена спиновой релаксации. Таким образом, гетероструктуры с квантовыми ямами или квантовыми точками Ga(Sb,P)/GaP представляют, в перспективе, большой интерес как объекты с большим временем жизни спина квазичастиц, поскольку релаксация спина является одним из ключевых препятствий для квантовой обработке информации на основе спина. Определена тонкая структура экситонных состояний в подансамбле непрямозоных квантовых точек (In,Al)As/AlAs, в которых при селективном возбуждении фотолюминесценции одновременно наблюдается и оптическая ориентация, и оптическое выстраивание. Показано, что появление оптического выстраивания в подансамбле непрямозоных КТ является результатом анизотропного обменного расщепления экситонных состояний, которое происходит из-за подмешивания Г-электронного состояния к X-электронному состоянию при формировании непрямого, в пространстве квазиимпульсов, экситона в КТ. Найдена зависимость величины анизотропного обменного расщепления от размера КТ. Проведена оценка модуля матричного элемента связи между Г и Х состояниями, равного 1.1 мэВ. 3. Изучена динамика степени циркулярной поляризации экситонной ФЛ в ансамблях (In,Al)As/AlAs КТ, отражающая динамику заселенности экситонных состояний. Показано, что заселенность спиновых состояний экситона не выходит на квазиравновесные значения в течение времени жизни экситонов (порядка 100 мкс). Показано, что немонотонное затухание экситонной ФЛ в различных поляризациях может быть описано в рамках динамики заселенности оптически активных и оптически неактивных состояний локализованного в квантовой точке экситона. 4. Мы предложили новую концепцию создания источников циркулярно-поляризованных фотонов с использованием рекомбинации спин поляризованных носителей заряда [A.V. Shumilin, at al., Phys.Rev.Lett. 132, 076202 (2024)]. Предлагаемые нами спин-поляризованные излучатели циркулярно-поляризованных фотонов не нуждаются в магнитных контактах для инжекции спин-поляризованных носителей заряда или хиральных элементах для поляризации излучения. Встраивая одиночную КТ в микрорезонатор, можно получить полностью твердотельное устройство с токовой накачкой, размером много меньше длины волны, излучающее одиночные циркулярно-поляризованные фотоны. Исследования, запланированные в рамках продолжения этого проекта, будут направлены на практическую реализацию источника циркулярно-поляризованных фотонов в рамках предложенной концепции.

Публикации

1. Некрасов С.В., Михайленко Н.О., Рагоза М.Д., Шамирзаев Т.С., Кусраев Ю.Г. Influence of Γ-X mixing on optical orientation and alignment of excitons in (In,Al)As/AlAs quantum dots PHYSICAL REVIEW B, Phys. Rev. B 110, 115435 (2024) (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevB.110.115435

2. Шамирзаев Т.С., Яковлев Д.Р., Кудлачик Д., Харкорт К., Путято М.А., Гутаковский А.К., Байер М. Thin Ga(Sb,P)/GaP quantum wells with indirect band gap: Crystal structure, energy spectrum, exciton recombination and spin dynamics Journal of Luminescence, Journal of Luminescence 277, 120888 (2025) (год публикации - 2025)
10.1016/j.jlumin.2024.120888

3. Шумилин А.В., Шамирзаев Т.С., Смирнов Д.С. Spin Light Emitting Diode Based on Exciton Fine Structure Tuning in Quantum Dots PHYSICAL REVIEW LETTERS , Phys. Rev. Lett. 132, 076202 (2024) (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevLett.132.076202

Возможность практического использования результатов
Мы ожидаем, что полученные в результате выполнения проекта результаты, будут востребованы при создании спиновых излучателей классического и квантового света. Полученные фундаментальные знания в области физики полупроводниковых нанострутур будут использованы в образовательных программах для студентов магистратуры в университетах РФ.