Оптические свойства наностуктур

или иной степени, как следствие влияния дальнодействующих  упругих 

напряжений. Для  первой группы упорядоченных наноструктур возможность 

спонтанного возникновения  структур с модуляцией состава связана  с 

неустойчивостью однородного твердого раствора относительно уже 

упоминавшегося  ранее спинодального распада. Твердый  раствор типа А^В^С 

с неоднородным составом типа с(г) = ?+ дс(г) имеет меньшую

свободную энергию, чем однородный раствор с(г) = с, а  следовательно, более 

устойчив. Это  связано с минимизацией свободной  энергии Гельмгольца,

которая определяется составом и упругими напряжениями типа

где Н — энтальпия, Sm\x — энтропия смешивания, Г — температура,

^elastic — упругая  энергия. Неустойчивость однородного  твердого 

раствора относительно изменения состава возникает  в случае, когда энтальпия образования  твердого раствора А^В^С из бинарных компонентов АС и ВС положительна (АН = Я(А,_1Ва;С) - A - с)Я(АС) - сЯ(ВС) > 0),

что выполняется  для полупроводниковых составов типа AIIIBV. Тогда при 

Г = 0 двухфазная смесь АС и ВС имеет меньшую  свободную энергию, чем 

однородный твердый  раствор A \-х B^ С, и последний оказывается 

неустойчивым. Повышение  температуры приводит к увеличению энтропийного вклада, что способствует перемешиванию компонентов и  стабилизирует однородный твердый  раствор. Упругая энергия зависит  от 

соотношения равновесного параметра решетки твердого раствора — а и состава раствора — с. Сопряжение, например, двух областей с разными 

величинами а  происходит путем упругой деформации, с которой связана 

упругая энергия. Поскольку -Elastic = 0 в однородном твердом  растворе

и Elastic > 0 в неоднородном массивном твердом растворе, получается,

что упругая  энергия стабилизирует однородный твердый раствор.

Для эпитаксиальных пленок твердых растворов происходит 

уменьшение упругих  напряжений вблизи поверхности по сравнению  с 

массивными образцами  и многие твердые растворы становятся неустойчивыми относительно спинодального распада уже при 450 -г 500° С. В результате была найдена равновесная структура с модуляцией состава в плоскости вдоль направления [100] и [010], а амплитуда модуляции максимальна на свободной поверхности и уменьшается вглубь пленки. Релаксация упругих напряжений вблизи поверхности способствует спонтанному  образованию наноструктуры, а упругая анизотропия определяет ориентацию наноструктуры (рис. 15.7я).

Для второй группы наноструктур (рис. 15.7 5) причиной 

спонтанного фасетирования  поверхности является ориентационная зависимость поверхностной энергии. Плоская поверхность имеет тенденцию 

самопроизвольно трансформироваться в систему впадин и гребней. Поверхностное натяжение  на поверхности кристалла приводит к действию, аналогичному поверхностному натяжению над искривленной поверхностью жидкости.

При этом скачок тензора поверхностных натяжений  на кристаллическом 

ребре приводит к возникновению полей упругих  деформаций в 

кристалле. Если рассмотреть полную энергию периодически фасетированной

поверхности с  периодом D в виде суммы [18]

Периодически  фасетированные поверхности дают возможность 

получения массивов изолированных квантовых проволок и сверхрешеток

квантовых проволок.

Третья группа наноструктур на поверхности подложки — структуры

плоских доменов (рис. 15.7 в) — возникает, когда на поверхности могут 

сосуществовать  различные фазы, островки монослойной  высоты и.т. д.

Соседние домены имеют различные значения тензора  поверхностных

натяжений, что  вызывает упругие деформации на поверхности. Выражение 

для полной энергии  в этом случае подобно A5.11) и включает

-C2-D* In (D/a), что опять дает минимум энергии при некотором D**.

Такой способ синтеза  также приводит к созданию квантовых 

проволок, например, для lnAs/GaAs.

Упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряженных 

островков представляют собой четвертую группу спонтанно-

упорядоченных наноструктур [19].

Изменение энергии  за счет образования островка можно  представить

как сумму вкладов [20]

В отличие от предыдущих наноструктур система напряженных 

островков обладает двумя особенностями. Первая — это  наличие двух 

источников полей  упругих напряжений: рассогласование  по постоянной

решетки между  осаждаемым материалом и подложкой и скачок тензора

поверхностных натяжений на ребрах островков, что  приводит к 

суммированию  объемной упругой энергии, упругой  энергии на ребрах и энергии взаимодействия двух упругих полей. Вторая — это  зависимость 

поверхностной энергии от деформации, обусловленной капиллярными 

эффектами. Соотношение  изменения поверхностной энергии  при образовании островка и вклада энергии ребер определяет оптимальный  размер и  условие получения отдельных  нанокластеров-островков на поверхности, при нарушении которого происходит коалесценция островков в один массив.

Такие массивы  когерентно напряженных островков InAs/GaAs @01)

были получены методом молекулярно пучковой эпитаксии. Морфология

поверхности контролировалась in situ с помощью дифракции быстрых

электронов.

Для получения  упорядоченной наноструктуры на основе кластеров-

наноостровков на поверхности и возможности  использования этих 

материалов в  оптоэлектронике и лазерах была разработана нанотехнология

получения массивов электронно-связанных квантовых  точек [21].

С этой целью  применялось поочередное осаждение InAs и GaAs,

причем количество GaAs выбиралось таким образом, чтобы  пирамида

InAs была выращена  лишь частично. Тогда в следующем  цикле осаждения

нанокластеры InAs, вырастающие над кластерами первого  слоя, должны

быть электронно связаны с точками первого  слоя. На рис. 15.8 

приведены изображения  вертикально связанных квантовых  точек-нанокластеров InAs в матрице GaAs.

Изображения были получены методом просвечивающей электронной

микроскопии в  плоскости поверхности и в  поперечном сечении. 

Вертикальный  рост наноструктуры осуществлялся  при поочередном осаждении 

0,55 нм InAs и 1,5 нм GaAs. Поперечное сечение структуры  

показывает, что  вертикально связанная наноструктура состоит из трех областей InAs, разделенных тонкими C -г 4 монослоя) областями GaAs. 

Изображение в  плоскости поверхности показывает, что точки имеют квадратное основание, ориентированное по направления [100] и [010].

Для использования нанокластеров в оптических устройствах 

необходим ряд  условий, связанных с их размерами.

Минимальный размер нанокластера определяется условием существования  в нем хотя бы одного электронного уровня и характеризует щель АЕС  в зоне проводимости,  отвечающую оптическому излучению. Этот электронный уровень для  прямоугольной потенциальной ямы существует, если АЕС превышает величину

где ml — эффективная  масса электрона, АЕ\ — энергия  первого уровня

в прямоугольной  яме шириной D. Если взять величину щели подобных

полупроводников 0,3 эВ, то диаметр нанокластера должен быть не 

меньше 4 нм.

Максимальный  размер нанокластера определяется из соображений,

когда расстояние между энергетическими уровнями кластера становится

сопоставимым  с тепловой энергией, что приводит к возрастанию 

заселенности  высоколежащих уровней 

где Ei, E\ — энергии  первого и второго энергетических уровней 

размерного квантования  нанокластера. В действительности достаточно условия 

Это условие  устанавливает верхний предел размера кластера 12-г20 нм

для различных  композиций GaAs и InAs.

Представляет  интерес проследить влияние числа  слоев нанокласте-

ров, размеров кластера, наличия дефектности структуры  на спектры 

фотолюминесценции. Увеличение числа слоев InAs вплоть до 4 приводит

к смещению спектров в длинноволновую часть, что связано  с увеличением 

размеров нанокластеров  арсенида индия. Дальнейшее увеличение числа 

слоев не сопровождается ростом размеров кластеров, однако 

вызывает увеличение плотности дислокаций, что сопровождается уменьшением интенсивности спектральных линий. Это подтверждает существование  оптимального размера кластера для данной композиции. Интересно также проследить влияние концентрации мышьяка на технологический процесс получения оптимальных для использования в оптических устройствах  наноструктур. На рис. 15.9 приводятся спектры фотолюминесценции для разных давлений мышьяка и электронно-микроскопические изображения нанокластеров InAs в матрице GaAs [17].

Оптимальное давление мышьяка Pas = 2 • 10~6 Торр приводит к 

формированию  упорядоченной наноструктуры, включающей нанокластеры -

квантовые точки. Такая упорядоченная структура  обеспечивает 

максимальную  интенсивность и узость линии  в спектре фотолюминесценции.

Уменьшение давления мышьяка подавляет образование нанокластеров

и приводит к  двумерной структуре, что сопровождается уширением линии 

и падением интенсивности  линии спектра. Увеличение давления 

приводит к  коалесценции и образованию больших  нанокластеров, уширению

спектральной  линии и падению ее интенсивности. Упорядоченные наноструктуры на основе вертикально связанных InGaAs позволяют создавать уже реальные лазерные устройства. На

рис. 15.10 приведена  схема лазера, излучающего с поверхности  на 

вертикально связанных  нанокластерах InGaAs в матрице GaAs [22].

Лазер включает активную зону на основе упорядоченной 

наноструктуры InGaAs/GaAs, среду для инжектирования электронов и дырок,

распределенные AlGaAs/AlO брэгговские рефлекторы в  качестве зеркал

и электроды. На рис. 15.11 представлены некоторые технические данные

такого лазера.

При комнатной  температуре в случае оптимального количества слоев 

верхнего брегговского рефлектора максимальная эффективность 

составила 16%, а  минимальный пороговый ток 68 мкА.

Полупроводниковые вертикально излучающие лазеры находят 

широкое применение в быстродействующих оптоволоконных системах для 

передачи информации. Подобные лазеры работают в диапазонах длин

волн 850 и 980 нм и  разработаны наноустройства для  генерации длин

волн 1,2 Ч- 1,5 мкм.

Для создания лазеров, генерирующих излучение в оптическом или 

ультрафиолетовом  диапазоне, на основе нанокластеров  полупроводников 

необходимо использование  широкозонных материалов. В качестве 

примера приведем результаты по синтезу и свойствам  лазера на основе ZnO.