А.М. Мандель1, В.Б. Ошурко2, С.Г. Веселко3, К.Г. Соломахо4, А.А. Шарц5

1–5 МГТУ «СТАНКИН» (Москва, Россия)

Постановка проблемы. В работе решается задача расчета вероятности и спектра рекомбинационного излучения в тонких квантовых нитях в продольном электрическом поле. Считается, что наиболее чистый спектр рекомбинационного излучения дают квантовые точки, поскольку в них движение частиц ограничено по всем трем направлениям. Квантовые нити имеют одну классическую степень свободы. Тем не менее, спектральные и ориентационные свойства излучения при однофотонной рекомбинации в них обладают рядом существенных преимуществ перед излучением квантовых точек.

Цель. Рассчитать вероятность, сечение и поток энергии излучения при однофотонной рекомбинации электрона и дырки в основном состоянии поперечного спектра в продольном электрическом поле. Показать, что именно этот процесс является наиболее вероятным и устойчивым (т.е. конкурирующие процессы естественным образом подавлены) в данных условиях.

Результаты. Установлено, что спектр однофотонной рекомбинации в тонкой квантовой нити в продольном электрическом поле является монохроматическим, несмотря на возможность классического движения квазичастиц. Более того, излучаемый фотон может двигаться только вдоль нити. На основе квазиклассического подхода показано, что квазичастицы в нити в электрическом поле движутся «в среднем равноускоренно», а рассеивание на фононах и примесных центрах подавлено за счет энергетических щелей в спектре поперечного движения. Сам процесс рекомбинации локализован в двух точках нити, где выполняются дисперсионные соотношения для излучаемого фотона. При этом частота фотона линейно растет с ростом напряженности поля, а вероятность рекомбинации зависит от нее сложным «осцилляционным» образом.

Практическая значимость. Доказана теоретическая возможность создания высокоэффективных компактных (без специальной фокусирующей оптики и т.д.) монохроматических излучателей с перестраиваемой частотой на базе квантовых нитей. Возможно также улучшение характеристик лазеров на квантовых нитях (quantum wire lasers).

Мандель А.М., Ошурко В.Б., Веселко С.Г., Соломахо К.Г., Шарц А.А. Особенности рекомбинационного излучения тонких квантовых нитей в электрическом поле // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 3. С. 44–52. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202303-04

1. Haverkort J.E.M., Carnett E.C. and Bakkers E.P.A.M. Fundamentals of the nanowire solar cell: Optimization of the open circuit voltage // Appl. Phys. Rev. 5, 031106 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5028049.
2. Coktas N.I., Wilson P., Ghukasyan A. and all. Nanowires for energy: A review. // Appl. Phys. Rev. 5, 041305 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5054842.
3. Chavez‐Pirson A., Ando H., Saito H. and Kanbe H. Quantum wire microcavity laser made from GaAs fractional layer superlattices // Appl. Phys. Lett. 64. 1994. Р. 1759–1774. https://doi.org/10.1063/1.111799.
4. Tivari S. and Woodall J. Experimental comparison of strained quantum‐wire and quantum‐well laser characteristics // Appl. Phys. Lett. 64, 1994. Р. 2211–2219. https://doi.org/10.1063/1.111676.
5. Pokatilov E.P., Fonoberov V.A., Balaban S.N. and Fomin V.M. Electron states in rectangular quantum well wires (single wires, finite and infinite lattices) //J. Phys.: Condens. Matter. 12. 2000. Р. 9037–9052. 10.1088/0953-8984/12/42/309.
6. Arai S., Maruyama T. GaInAsP/InP quantum wire lasers // Ieee Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, July 2009. DOI: 10.1109/JSTQE.2008.2010872.
7. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. М.: Наука. 1978.
8. Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел. М.: Наука. 1967.
9. Догонкин Е.Б., Зегря Г.Г., Полковников А.С. Микроскопическая теория Оже – рекомбинации в квантовых нитях // ЖЭТФ. 2000. 117 (2). Р. 429–439.
10. Сурис Р.А. Пограничные состояния в гетеропереходах // ФТП. 1986. 20 (11). Р. 2008–2014. IP: 85.249.37.101.
11. Мандель А.М., Ошурко В.Б., Соломахо Г.И., Соломахо К.Г. Идеальные квантовые нити в магнитном поле – энергия самоорганизации, критические размеры и управляемая проводимость // Радиотехника и электроника. 2018. 63 (3). Р. 268–276. DOI: 10.7868/S0033849418030087.
12. Мандель А.М., Ошурко В.Б., Веселко С.Г., Соломахо К.Г., Шарц А.А. Перенормировка эффективной массы и фактора Ланде электрона в квантовых нитях // Успехи современной радиоэлектроники. 2019. № 8. С. 18–28. DOI: 10.18127/j20700784-201907-08.
13. Мандель А.М., Ошурко В.Б., Першин С.М., Веселко С.Г., Карпова Е.Е., Шарц А.А., Аристархов А.А. Об эффекте пересечения подзон размерного квантования в тонких квантовых нитях // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2020. № 10. С. 11–17. DOI: 10.3103/S1068335620100073.
14. Мандель А.М., Ошурко В.Б., Карпова Е.Е. Механизм перенормировки фактора Ланде и эффективной массы в малых сферических квантовых точках // Радиотехника и электроника. 2019. 64 (10). С. 1010–1018. DOI: 10.1134/S0033849419100085.
15. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.: Наука. 1974.
16. Мандель А.М., Ошурко В.Б., Соломахо Г.И., Соломахо К.Г., Веретин В.С. Применение качественных методов для расчета спектра идеальных квантовых точек //Успехи современной радиоэлектроники. 2015. № 8. С. 18–27.
17. Mandel A.I., Grigoryev S.N., Loskutov A.I., Oshurko V.S., Solomakho G.I. Cold Emission Model of Scanning Tunneling Microscopy // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2015. V. 12. N. 10. Р. 3036–3043. DOI: http://dx.doi.org/10.1166/jctn.2015.4078.