Запрещенное резонансное комбинационное рассеяние света в сверхрешетках GaAs/AlAs: эксперимент и расчеты

Abstract

Рассчитаны и экспериментально исследованы спектры комбинационного рассеяния света сверхрешеток GaAs/AlAs(001) для различных направлений волнового вектора. Эксперименты проводились с применением конфокального оптического микроскопа, совмещенного со спектрометром комбинационного рассеяния света (micro-Raman) в различных геометриях рассеяния, как для фононов с волновым вектором, направленным по нормали к сверхрешетке, так и вдоль ее слоев (в англоязычной литературе " in-plane" геометрия). Частоты и собственные векторы фононов были рассчитаны в приближении расширенной модели Борна с учетом кулоновского взаимодействия в приближении жестких ионов. Спектры комбинационного рассеяния света были рассчитаны в рамках механизма деформационного потенциала; при этом оказалось, что в экспериментальных спектрах проявляются дополнительные пики, не описывающиеся в рамках данного подхода. Возможно, эти пики возникают вследствие проявления в резонансных условиях запрещенного правилами отбора комбинационного рассеяния света. Сделана попытка объяснить появление данных пиков в экспериментальных спектрах в рамках неупругого рассеяния фотонов на связанных зарядах (фононах с большим дипольным моментом). ВведениеСверхрешетки это гетероструктуры с искусственно заданным периодом, который определяет их зонную структуру, оптические и колебательные свойства [1][2][3]. Наиболее заметные эффекты фононного спектра сверх-решеток -это " свертка" акустических и локализация оптических мод [4][5][6][7][8][9][10]. С развитием техники применения оптической микроскопии в комбинационном рассеянии света (micro-Raman) появилась возможность исследо-вать зависимость дисперсии оптических фононов в сверхрешетках в зависимости от направления волнового вектора, в том числе и в геометрии, когда волновой вектор лежит в плоскости сверхрешетки ( " in-plane" геометрия) [11][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22].Резонансные явления в комбинационном рассеянии света привлекают внимание исследователей уже почти 50 лет [23,24]. Исходя из распространенного подхода диаграмм Фейнмана один из возможных механизмов для стоксова процесса выглядит так: фотон рождает N виртуальных фононов, затем N − 1 из этих фононов рождают рассеянный фотон, а один из фононов стано-вится реальным. Но, так как энергия фотона видимого диапазона в 20−30 раз превышает энергию оптических фононов, вероятность комбинационного рассеяния света по механизму прямого взаимодействия невелика [23], поэтому процесс неупругого рассеяния фотона на фо-нонах идет посредством взаимодействия с электронной подсистемой кристалла. В одной из последовательностей процессов диаграмм Фейнмана механизм для стоксова процесса выглядит так: фотон рождает виртуальную электрон-дырочную пару; электрон (либо дырка) рожда-ет фонон, потом электрон-дырочная пара рекомбинирует с рождением рассеянного фотона. Рассчитать вероят-ность электрон-фононного взаимодействия из первых принципов -это весьма сложная задача, поэтому разделяют несколько феноменологических механизмов. Механизм деформационного потенциала (будем далее обозначать е...