Οπτικές ιδιότητες κβαντικών τελειών

Abstract

The scope of the present thesis is the systematic theoretical investigation of (A) the Near-Field magnetoabsorption and (B) the photoluminescence (PL) of individual quantum dots (QDs). Quantum dots are molecular sized islands of lower-bandgap material embedded in a surrounding matrix of higher-bandgap material, containing 103- 109atoms. Due to their reduced size, carriers are confined in all three spatial dimensions which results in discrete electronic energy levels as in the case of atoms or molecules. Hence, they are frequently referred to as artificial atoms (in the case of single QDs) or molecules (in the case of multiple QDs).

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η συστηματική θεωρητική μελέτη (Α) της μαγνητοαπορρόφησης εγγύς πεδίου και (Β) της φωτοφωταύγειας (Photoluminescence σντ PL) μεμονωμένων κβαντικών τελειών. Οι κβαντικές τελείες (quantum dots σντ QDs) είναι τεχνητές δομές με μεγέθη από μερικά nm έως μερικά μm και οι οποίες περιέχουν από 103 έως 109άτομα με αντίστοιχο αριθμό ηλεκτρονίων. Εξαιτίας του τρισδιάστατου περιοριστικού δυναμικού της τελείας, το ενεργειακό φάσμα των ηλεκτρονίων είναι διακριτό όπως των ατόμων και για τον λόγο αυτό, καλούνται τεχνητά άτομα (artificial atoms) στην περίπτωση μεμονωμένων τελειών ή τεχνητά μόρια (artificial molecules) στην περίπτωση πολλαπλών τελειών. Η δομή της διατριβής είναι η ακόλουθη: Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι κυριότερες μέθοδοι κατασκευής καθώς και οι κυριότερες εφαρμογές των κβαντικών τελειών. Στο τρίτο κεφάλαιο δίνονται οι βασικές έννοιες της πυκνότητας καταστάσεων και του εποικισμού καταστάσεων, της εξίσωσης ενεργού μάζας που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των μονοσωματιδιακών καταστάσεων και των καταστάσεων των εξιτονίων. Τέλος, παρουσιάζονται συνοπτικά οι ακτινοβολούσες και μη διαδικασίες επανασύνδεσης, οι διαδικασίες εφησυχασμού και διαδικασίες μηδενισμού της οπτικής πόλωσης (dephasing) που αποτελεί μέτρο της συνεκτικότητας του συστήματος, οι οποίες παίζουν καθοριστικό ρόλο στο φάσμα φωτοφωταύγειας. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το βασικό θεωρητικό πλαίσιο που καταλήγει στην παραγωγή της γενικής έκφρασης για τον συντελεστή απορρόφησης εγγύς πεδίου. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση συμπεριλαμβάνοντας την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου ποικίλου μέτρου και προσανατολισμού, η οποία καταλήγει στον υπολογισμό του συντελεστή μαγνητοαπορρόφησης εγγύς πεδίου απλών και διπλών κβαντικών τελείων. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση η οποία καταλήγει στην παραγωγή των εξισώσεων φωτοφωταύγειας για κβαντικές τελείες καθώς και στην παραγωγή της αναλυτικής έκφρασης της έντασης της φωτοφωταύγειας στην γραμμική περιοχή. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζεται η εφαρμογή των θεωρητικών αποτελεσμάτων για την ερμηνεία του φάσματος φωτοφωταύγειας σε θερμοκρασία δωματίου και για ασθενή διέγερση (γραμμική περιοχή), κβαντικής τελείας InxGa1-xAs σχήματος φακού. Υπολογίζονται αριθμητικά οι ακριβείς κυματοσυναρτήσεις και ενέργειες της κβαντικής τελείας σχήματος φακού. Γίνεται σύγκριση θεωρίας και πειράματος. Στο όγδοο κεφάλαιο δίνονται οι ερευνητικές προοπτικές.