Πειραματική και θεωρητική διερεύνηση των δομικών και οπτικών ιδιοτήτων των κβαντικών τελειών αρσενικούχου ινδίου ανεπτυγμένων σε υπόστρωμα αρσενικούχου γαλλίου κατά τη (211) κρυσταλλογραφική διεύθυνση
Authors: Διαλυνάς Γεώργιος 
Published: September 2021

Οι ημιαγωγικές κβαντικές τελείες (QDs), οι οποίοι βασίζονται σε ετεροδομές αρσενιδίων (As), παρουσιάζονται ως το ιδανικό σύστημα για τη μελέτη των θεμελιωδών ιδιοτήτων της ύλης καθώς και για την υλοποίηση καινοτόμων συσκευών. Στην περίπτωση που η ανάπτυξη των τελειών αυτών γίνεται σε υψηλού δείκτη κρυσταλλογραφικές διευθύνσεις όπως η (211) κρυσταλλογραφική διεύθυνση, στο χώρο των κβαντικών τελειών εμφανίζεται ισχυρό πιεζοηλεκτρικό πεδίο, το οποίο αναμένεται να προσδίδει ιδιαίτερες ιδιότητες στις τελείες αυτές. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μια μελέτη στις δομικές και οπτικές ιδιότητες των QDs αρσενικούχου ινδίου (InAs), οι οποίες αναπτύσσονται με τη μέθοδο της επίταξης μοριακών δεσμών (MBE) σε υπόστρωμα (211)B αρσενικούχου γάλλιου (GaAs). Οι δομικές και μορφολογικές ιδιότητες των InAs QDs μελετώνται με τη βοήθεια μικροσκοπίου ατομικών δυνάμεων (AFM). Η μελέτη αυτή καταδεικνύει ότι οι αναπτυσσόμενες τελείες έχουν σχήμα κόλουρης πυραμίδας. Εξετάζεται η επίδραση παραμέτρων της επίταξης στο μέγεθος και το σχήμα των αναπτυσσόμενων νανοδομών. Παρατηρείται αύξηση του ύψους των κβαντικών τελειών με αύξηση της θερμοκρασίας. Παρόμοια αύξηση του μέσου μεγέθους των τελειών εμφανίζεται και με μείωση του ρυθμού εναπόθεσης του InAs. Οι μετρήσεις AFM επιτρέπουν τον προσδιορισμό του πάχους του διδιάστατου wetting layer (WL) με μεγάλη ακρίβεια στην περιοχή των 1.0 – 1.3 μονoστρωμάτων (MLs) InAs. Η σύσταση των τελειών εξετάζεται με τη βοήθεια μετρήσεων ΤΕΜ και προσδιορίζεται το ποσοστό του In στο χώρο των τελειών. Το ποσοστό αυτό μεταβάλλεται από 30% στη βάση των τελειών σε 90% στην πάνω πλευρά τους. Παράλληλα οι οπτικές ιδιότητες τόσο δειγμάτων QDs όσο και μεμονωμένων QDs μελετώνται σε πειράματα φωτοφωταύγειας (PL) και μικρο-φωτοφωταύγειας (μ-PL) αντίστοιχα. Η μελέτη των φασμάτων εκπομπής PL αναδεικνύει ότι μόνο ένα μικρό μέρος των InAs QDs, με ύψος 2-3nm, είναι οπτικά ενεργές. Η μελέτη της εκπομπής μεμονωμένων QDs σε πειράματα μ-PL αναδεικνύει δύο βασικά χαρακτηριστικά των (211)B InAs τελειών. Καταρχήν, μελετώντας την πόλωση των φασματικών γραμμών εξιτονίου (Χ) και διεξιτονίου (ΧΧ) σε πειράματα μ-PL, συμπεραίνουμε ότι η μεγάλη πλειοψηφία των (211)B InAs QDs παρουσιάζει αμελητέο διαχωρισμό λεπτής υφής (FSS). Το γεγονός αυτό αποδίδεται στην παρουσία του PZ πεδίου, το οποίο αυξάνει τη συμμετρία του περιοριστικού δυναμικού και καθιστά τις δομές αυτές ιδανικούς υποψήφιους για χρήση σε εφαρμογές συζευγμένων φωτονίων. Επιπρόσθετα οι (211)Β InAs QDs, σε αντίθεση με όσες αναπτύσσονται σε υπόστρωμα (100) GaAs, παρουσιάζουν μεγάλη αντιδέσμια ενέργεια διεξιτονίου ( > 10meV). Για την ερμηνεία των παραπάνω αποτελεσμάτων και τη θεωρητική μελέτη των (211)Β InAs QDs αναπτύχθηκε μοντέλο, το οποίο επιτρέπει τον υπολογισμό των ενεργειών X και XX, λαμβάνοντας υπόψη φαινόμενα πολλών σωματιδίων μέσω της αλληλεπίδρασης σχηματισμών. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών αναδεικνύουν ότι η μεγάλη αντιδέσμια ενέργεια του διεξιτονίου είναι ένα ξεκάθαρο αποτέλεσμα της ύπαρξης του PZ πεδίου. Εξαιτίας του πιεζοηλεκτρικού πεδίου, η τιμή της αυξάνεται με αύξηση του ύψους των τελειών και του ποσοστού του In στο χώρο της τελείας και μπορεί να φτάσει τα 25meV για InAs/GaAs QDs με ύψος 4nm. Η μεγάλη διαφορά ανάμεσα στις ενέργειες εξιτονίου και διεξιτονίου καθιστά τις δομές αυτές ιδανικό υποψήφιο σύστημα για την κατασκευή εκπομπών μεμονωμένων φωτονίων σε υψηλές θερμοκρασίες.