Влияние электронных корреляций на спектры двойной фотоионизации двухэлектронных примесных
центров в многоямных квантовых структурах 

Владимир Дмитриевич Кревчик, доктор физико-математических наук, профессор, декан факультета информационных технологий и электроники, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), physics@pnzgu.ru
Алексей Викторович Разумов, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры общей физики и методики обучения физике, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), physics@pnzgu.ru
Михаил Борисович Семенов, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), physics@pnzgu.ru
Ирина Михайловна Мойко, асситент кафедры высшей и прикладной математики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), physics@pnzgu.ru 

535.8; 537.9; 539.33 

DOI

10.21685/2072-3040-2021-3-10 

Актуальность и цель. Примеси различных химических элементов неизбежно возникают в процессе изготовления полупроводниковых наноструктур либо вводятся целенаправленно для изменения их транспортных и оптических свойств. При этом большинство примесей могут иметь в связанном состоянии не один, а два и более электронов. В этом случае важную роль начинают играть межэлектронные корреляции, благодаря которым возможна одна из фундаментальных реакций – процесс двойной фотоионизации примесного атома. Целью данной работы является расчет вариационным методом первого потенциала ионизации двухэлектронного примесного центра в полупроводниковой квантовой яме, а также теоретическое исследование влияния корреляций на спектры двойной фотоионизации двухэлектронных примесных центров в многоямной квантовой структуре. Материалы и методы. Расчет энергии связи и первого потенциала ионизации двухэлектронного атома осуществлялся вариационным методом, где в качестве эмпирического параметра брался второй потенциал ионизации. Выражение для коэффициента примесного поглощения света получено в дипольном приближении с учетом дисперсии ширины квантовых ям. Результаты. Проведено обобщение метода потенциала нулевого радиуса на случай двухэлектронных примесей с эффективным зарядом ядра, равным нулю, в полупроводниковых квантовых ямах. В рамках полуэмпирической модели вариационным методом получено аналитическое выражение для первого потенциала ионизации двухэлектронного примесного центра. В дипольном приближении рассчитан коэффициент примесного поглощения света при фотоионизации двухэлектронной примеси в многоямной квантовой структуре одним фотоном. Выводы. Показано, что из-за пространственного ограничения в квантовой яме в одном направлении имеет место усиление электронных корреляций, что приводит к большим пороговым значениям второго потенциала ионизации, чем в квантовых точках и, как следствие, к более жестким условиям существования двухэлектронных примесных состояний. Также показано, что уменьшение влияния квантового размерного эффекта и рост электронной корреляции в многоямных квантовых структурах, по сравнению с квазинульмерными структурами, приводит к трансформации кривой поглощения, что выражается в увеличении провала между пиками двугорбого профиля спектральной кривой.

Ключевые слова

квантовая яма, двухэлектронные примесные центры, межэлектронная корреляция, потенциал ионизации, двойная фотоионизация, коэффициент поглощения 

 Скачать статью в формате PDF

1. Анисимова Г. П., Капелькина Е. Л., Семенов Р. И., Тучкин В. И. Учет контактных взаимодействий в матричных элементах оператора энергии двухэлектронных конфигураций // Оптика и спектроскопия. 1996. Т. 81, № 4. С. 543–548.
2. Зайцев С. А., Кныр В. А. Реакция двойной фотоионизации атомов в J-матричном подходе // Вестник тихоокеанского государственного университета. 2010. № 1 (16). С. 13–18.
3. Алешин М. С., Зайцев С. А. Исследование роли начального состояния в описании процесса двойной фотоионизации атома гелия // Вестник тихоокеанского государственного университета. 2011. № 3 (23). С. 13–18.
4. Михайлов А. И., Михайлов И. А. Двойная ионизация и ионизация с возбуждением в комптоновском рассеянии высокоэнергетических фотонов на метастабильных состояниях гелиеподобных ионов // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1999. Т. 116, № 6 (12). С. 1889–1902.
5. Есеев М. К., Матвеев В. И. Исследование аналитических волновых функций двухэлектронных систем в динамических взаимодействиях с многозарядными ионами и ультракороткими импульсами электромагнитного поля // Журнал технической физики. 2008. Т. 78, № 8. С. 28–33.
6. Пресняков М. Е., Усков Д. Б. Двойная ионизация атомов многозарядными ионами и сильным электромагнитным полем: эффекты корреляции в непрерывном спектре // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 1997. Т. 66, № 1.
7. Матвеев В. И., Парилис Э. С. Встряска при электронных переходах в атомах // Успехи физических наук. 1982. Т. 138. С. 573–602.
8. Волкова Е. А., Попов А. М., Тихонова О. В. Двухэлектронная ионизация квантовой системы в лазерном поле: эффект перерассеяния и межчастичные корреляции // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2000. Т. 118 (4). С. 816–823.
9. Делоне Н. Б., Зон Б. А., Крайнов В. П., Преображенский М. А. О механизме двухэлектронной многофотонной ионизации атомов // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 1979. Т. 30 (5). С. 260–262.
10. Грызлова Е. В., Магунов А. И., Роттер И., Страхова С. И. Фотоионизация атома гелия с участием связанных циркулярно-поляризованным лазерным полем автоионизационных состояний // Квантовая электроника. 2005. Т. 35 (1). С. 43–47.
11. Надыкто Б. А. Полуэмпирическая модель расчета энергий состояний многоэлектронных атомов // Успехи физических наук. 1993. Т. 163. С. 37–74.
12. Pandey R. K., Manoj K. Harbola, Vijay A Singh. Helium-like donors in semiconductor quantum dots // J. Phys.: Condens. Matter. 2004. № 4. P. 1769–1776.
13. Krause M. O., Wulleumier F. Elektron and Photon Interactions with Atoms. New York : Plenum Press, 1976. 682 с.
14. Гринберг А. А., Белорусец Е. Д. Об энергетическом спектре многозарядных примесных центров в полупроводниках // Физика твердого тела. 1978. С. 1970–1978. 
15. Кревчик В. Д., Разумов А. В., Будянский П. С. Двойная фотоионизация двухэлектронных примесных центров в квазинульмерных структурах // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2014. № 3. С. 228–240.
16. Кревчик В. Д., Яфасов А. Я. Поглощение света при двухфотонных переходах с нейтральных глубоких примесных центров в квантовой полупроводниковой
пленке // Физика и техника полупроводников. 1981. Т. 15. С. 2263.