Relaxação de portadores via interação elétron-fônon em pontos e poços quânticos

Orientadores: Gerald Weber, Luiz E. OliveiraTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: A interação entre elétrons e fônons é um importante ingrediente para qualquer discussão realista das propriedades ópticas em sistemas de dimensão reduzida. É também relevante para determinar a dinâmica de portadores em dispositivos semicondutores e para o estudo das transições radiativas em dispositivos fotônicos. Adicionalmente, existe muito interesse nos possíveis mecanismos de termalização de portadores fora do equilíbrio. Em pontos quânticos e outras nanoestruturas semicondutoras, os níveis eletrônicos e os modos vibracionais possuem um caráter discreto devido ao confinamento das três dimensões. O espectro de fônons em pontos quânticos consiste de modos confinados e modos de superfície associados às interfaces. O modelo macroscópico continuo é usado para determinar as hamiltonianas e os autovalores dos modos vibracionais. Os termos de acoplamento elétron-fônons são também determinados a partir de esta teoria. Medidas de espalhamento Raman corroboram a validade dos modelos contínuos e o caráter discreto dos modos vibracionais. Nesta tese revisamos alguns aspectos dos processos de relaxação em pontos e poços quânticos semicondutores. Discutimos os principais problemas associados ao cálculo de relaxação de portadores principalmente em pontos quânticos, tais como: (i) O comportamento quase atômico dos níveis eletrônicos. (ii) As dificuldades na descrição da densidade de estados. (iii) O caráter discreto dos modos vibracionais. (iv) A possível aparição de osciladores de Rabi. (v) O efeito phonon bottleneck. Nossos cálculos incluem efeitos de alargamento homogêneo nos níveis eletrônicos e não-homogêneos e estudamos processos de relaxação via modos ópticos e acústicos. Em particular, mostramos que a inclusão destes efeitos produzem significativas mudanças nas taxas de transição quando comparadas com taxas obtidas a partir da suposição de níveis absolutamente discretos. Para poços quânticos, calculamos taxas de transição intra e intersub-banda com contribuições de modos confinados e de interface em sistemas com forte não-parabolicidade. Observamos que as taxas de transição intra e intersub-banda em geral aumentam, exepto em algumas situações de confinamento fraco. Os efeitos da não-parabolicidade são mais importantes para transições que envolvem níveis altos de energia. Nosso trabalho evidencia a importância da análise da integral de overlap, já que esta quantidade é sensível às mudanças das funções de onda eletrônicas e dos potenciais associados com os modos de oscilação presentes em sistemas de baixa dimensionalidadeAbstract: The interaction between electrons and phonons is a very important ingredient for any realistic discussion of optical properties in quantum dosts. It is also fo relevance for determining the carrier dynamics in small, fast semiconductor devices and the study of radiative transitions is of importance for photonic devices. Additionally, there is much interest attached to possible mechanisms of nonequilibrium carrier termalization. In a semiconductor quantum dot and other nanostructures not only the electron levels by also the lattice vibration modes become descrete due to the three dimensional confinement. It has been found that the LO - phonon spectrum consists of confined modes and surface modes, which are associated with the interfaces. The dielectric continuum approximation is used to derive expressions of the eigenfuncitons corresponding to the confined - LO phonon modes and surface modes and obtained the coupling Hamiltonian for these modes. Recent resonant Raman scattering measurements confirmed the confined character of the phonon structure. In this work we revise the current issues on carrier relaxation in simiconductor quantum dots and quantum wells. We discuss the common theoretical problems addressed for the calculations of carrier relaxations in quantum dots, such as: the question of atomic - like discrete energy level, the so - called phonon bottleneck problem in quantum dots, the discreteness of phonon modes versus phonon bulk-like dispersion. In particular we will demonstrate that the "phonon bottleneck" removed by considering level broadening, i. e., by not considering the levels as atomic - like. Particulary, we showed that effects of inhomogeneous broadening due to quantum dot size distribution are also considered, and are shown to modify considerably the relaxation rates. For quantum wells, we have calculated the scattering rates for intrasubband and intersubband transitions due to electron - confined and interface - phonon interaction in quantum wells with strong subband nonparabolicity. We find that for intra and intersubband transitions the scattering rates are in general increased, except in some situations of low confinement. In particular for higher subbands and larger electron confinement the nonparabolicity effects becomes more important. We put into evidence that it is important to pay attention to the analysis of the overlap integral, since this parameter is not only sensitive to the variations of the electronic wave functions, but also to the electrostatic potential generated by the several phonon modes present in low dimensional systemsDoutoradoFísicaDoutor em Ciência

Efeitos de não-parabolicidade das taxas de transição intra e intersub-banda em poços quânticos via emissão de fônons óticos

Orientador: Gerald WeberDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de campinas, Instituto de Fisica "Gleb Wataghin"Resumo: Esta tese discute a influência da não-parabolicidade da banda de condução na interação elétron-fónon em poços quânticos de GaAs-AIGaAs. Calculamos as taxas de transição elétron-fónon devido a fonons confinados e de interface em poços quânticos de GaAs-AIGaAs considerando a influência da não-parabolicidade das bandas de energia. Um modelo da camada dielétrica reformulado é usado para descrever os fonons confinados e assume-se um modelo simples para levar em conta os efeitos da não-parabolicidade. Foram obtidas expressões analíticas no limite quântico extremo para as taxas de transição intra e intersub-banda. Apresentamos também resultados para taxas parabólicas com o propósito de fazer comparações e mostrar que ocorrem importantes diferenças quantitativas, desta forma podemos determinar as situações onde a não-parabolicidade pode ou não ser desprezada. Foi encontrado que nas transições intra e intersub-banda devido a fonons confinados, as taxas de transição são significativamente incrementadas, enquanto para fonons de interface as taxas de transição decrescem. A taxa de transição total é consideravelmente afetada pela não parabolicidade das sub-bandasAbstract: This thesis discusses the influence of the nonparabolicity of the conduction band on the electron-phonon interaction in GaAs-AIGaAs quantum well8. We calculate the electron-LO-confined and interface-phonon scattering rates in GaAs-AIGaAs quantum wells considering the influence of nonparabolicity on the energy bands. A reformulated slab model is employed to describe the confined phonon and a simple model is assumed to take these nonparabolicity effects into account. Analytic expressions for the intra and intersubband scattering rates in the extreme quantum limit were obtained. We show also results of scattering rates in the parabolic approximation in order to make comparisons and show that important quantitative differences occur, in this way we are able to determine for which situations the subband nonparabolicity can be neglected or not. It is found that for intra and intersubband transitions due to emission of confined phonons the scattering rates are significantly increased, while for interface phonons the scattering rates are decreased. The total scattering rate is considerably affected by the subband nonparabolicityMestradoFísicaMestre em Físic

Electron-phonon scattering in graded quantum dots

Theoretical calculations of electron-phonon scattering rates in GaAs/AlxGa1¡xAs spherical quantum dots have been performed by means of effective mass approximation in the frame of finite element method. The influence of a roughness interface and external magnetic fields are analysed for different scattering rate transition. Our results open interesting channels for electron dephasing times manipulation. Keywords: Theoretical calculations; Electron-phonon scattering; GaAs/AlxGa1¡xA

Synthesis and characterization of PbS quantum dots embedded in oxide glass

The fusion method was used to produce PbS quantum dots (QDs) embedded in S-doped glass matrix (SiO2- Na2CO3-Al2O3-PbO2-B2O3:S). Measurements of optical absorption (OA), photoluminescence (PL) and atomic force microscopy (AFM) have been carried out in order to characterize the produced QDs. A strong red-shift observed in the optical features with an increase of the annealing time indicates an increase in QD-size. The QD sizes predicted by k.p theoretical results were confirmed by AFM observation