Efeitos eletrônicos, elásticos e estruturais em sistemas semicondutores nanoscópicos

• Main Author: Cesar, Daniel Ferreira
• Other Authors: Richard, Victor Lopez
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de São Carlos 2016
• Subjects: Física da matéria condensada; Nanoestrutura - propriedades ópticas; Semicondutores III-V; Estrutura eletrônica; Método k.p; CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
• Online Access: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/4940

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4172.pdf: 7642766 bytes, checksum: 9dacbeac3b1c3b074d74029cfe1395d6 (MD5) Previous issue date: 2012-02-16 === Financiadora de Estudos e Projetos === The present work aims the study of electronic, elastic and structural properties of a whole class of nanoscopic semiconductors systems, which include quasi-two-dimensional, one-dimensional and zero-dimensional confined systems. Within two-dimensional systems, the effects caused by strain and temperature on the electronic structure of AlGaAs=GaAs multiple quantum wells oriented along [001] and [113] crystallographic directions were studied. The energy difference between light- and heavy-hole states as a function of temperature, for both crystallographic directions, was obtained from photoluminescence spectra. Using k _ p calculations, it was possible to phenomenologically explain experimental data and to show that electronic structure of quantum wells grown along [113] direction presents higher sensitivity to temperature variation. A second task in quasi-two-dimensional systems was the study of the magnetic response of neutral excitons in AlGaAs=GaAs simple quantum wells grown along [110] crystallographic direction. The Zeeman splitting and the degree of circular polarization (DCP) for the sample was extracted from circularly polarized photoluminescence spectra. Using k _ p calculations, it was possible to show that the valence band presents a high hybridization of spin states in this kind of system. To simulate the relative occupation of hybridized states, a dynamic model for spin relaxation combined with electronic structure calculations was performed. Based on theoretical results, the experimental data of the Zeeman splitting and DCP were satisfactorily and phenomenologically explained. As the last task in quasi-two-dimensional systems, the effect of in-plane magnetic field in a AlGaAs=GaAs double quantum well system was studied. As the main result, the envelope functions required for an efficient k _ p calculation in this kind of system was constructed. Concerning one-dimensional confined systems, structural properties of a twin-plane superlattice in InP nanowires were studied. The system was simulated along [111] crystallographic direction by molecular dynamics. The latter provided, besides nanowire atomic structure, stress tensor elements and elastic constants at T = 0 K. Giving the molecular dynamics results, it was possible to theoretically calculate strain tensor components and the potential profiles at the valence and conduction energy bands. The calculations showed how the strain potential profiles modulate the electronic band structure of the nanowire, generating a one-dimensional superlattice. Finally, within zero-dimensional confined systems, dynamic effects detected in the time-resolved emission from InAs quantum dots ensembles were studied. To explain the experimental behavior of the time decay as a function of quantum dots emission energy, the electron-phonon interaction, considering Fröhlich Hamiltonian model, and a carrier dynamics, that takes in account nonlinear effects such as carrier imbalance, were included in theoretically calculations. The theoretical results show that, when the system behaves like an ensemble, collective effects predominate, and different relaxation processes stand out in the system, distinguishing it from that one of isolated quantum dots. By means of theoretical calculations it was possible to satisfactorily explain the experimental data. === Este trabalho visa o estudo das propriedades eletrônicas, elásticas e estruturais de toda uma classe de sistemas semicondutores denominada de nanoscópica, a qual abrange sistemas quase bidimensionais, unidimensionais e zero-dimensionais. Nos sistemas quase bidimensionais se investigou os efeitos que o strain e a temperatura provocam na estrutura eletrônica de poços quânticos múltiplos de AlGaAs=GaAs orientados ao longo das direções cristalográficas [001] e [113]. A partir de espectros de fotoluminescência se obteve a dependência da diferença de energia entre os estados de buraco pesado e buraco leve em função da temperatura para as duas direções cristalográficas. Calculando a estrutura de bandas via método k _ p foi possível explicar fenomenologicamente os dados experimentais, e mostrar que a estrutura eletrônica do poço crescido ao longo da direção [113] é mais sensível aos efeitos da temperatura. Estudou-se também a resposta magnética de éxcitons neutros em poços quânticos simples de AlGaAs=GaAs orientados ao longo da direção cristalográfica [110]. Por meio da fotoluminescência com luz circularmente polarizada se obteve experimentalmente o desdobramento Zeeman e o grau de polarização circular (DCP). O cálculo da estrutura de bandas via k _ p mostrou que neste sistema a banda de valência se mostra altamente sensível à hibridização dos estados de spin. Para simular a ocupação relativa destes estados hibridizados combinou-se um modelo dinâmico de taxas de relaxação de spins com cálculos de estrutura eletrônica. A partir dos resultados teóricos foi possível explicar de forma satisfatória o comportamento experimental tanto do desdobramento Zeeman quanto do DCP. Ainda nos sistema bidimensionais estudou-se também o efeito da aplicação do campo magnético perpendicular à direção de quantização na estrutura eletrônica de poços quânticos duplos acoplados de AlGaAs=GaAs. Como principal resultado se obteve a função envelope, necessária para um cálculo eficiente da estrutura eletrônica via k_p neste tipo de sistema. No estudo voltado para sistemas unidimensionais foram investigadas as propriedades estruturais de uma super-rede twinning em um nanofio de InP. O sistema foi simulado ao longo da direção [111] por dinâmica molecular, que forneceu, além da estrutura atômica do nanofio, os elementos do tensor de stress e as constantes elásticas a 0 K. A partir destes resultados obteve-se teoricamente os elementos do tensor de strain e o perfil de potencial gerado pelo campo de strain. Os cálculos mostraram que estes potenciais geram uma modulação na estrutura de bandas do nanofio, criando um perfil de potencial do tipo gerado por uma super-rede unidimensional. Por fim, em sistemas zero-dimensionais se estudou os efeitos dinâmicos detectados a partir da emissão resolvida no tempo de um ensemble de pontos quânticos de InAs. Para explicar o comportamento experimental do tempo de decaimento óptico, em função da energia de emissão do sistema, foram feitos cálculos teóricos do tempo de decaimento levando-se em conta a interação elétron-fônon, por meio do Hamiltoniano de Fröhlich, e uma dinâmica de portadores, a qual inclui efeitos não lineares como o desbalanço de cargas. Os resultados mostraram que quando o sistema se apresenta como um ensemble os efeitos coletivos predominam, fazendo com que o sistema apresente propriedades diferenciadas com relação a um sistema de pontos quânticos isolados. Por meio dos cálculos teóricos foi possível explicar de maneira satisfatória os resultados experimentais.