циклотрон-фононный резонанс

ЦИКЛОТРОН-ФОНОННЫЙ РЕЗОНАНС - резонансное поглощение эл--магн. энергии, обусловленное переходами электронов между уровнями Ландау при участии оптич. фононов. Наблюдается при распространении эл--магн. волн в полупроводнике, находящемся в пост. магн. поле H. Необходимыми условиями возникновения Ц--ф. р. являются наличие достаточно сильного (квантующего) магн. поля H>mckT/|e|(т - эфф. масса электрона, T-темп-ра, е - заряд электрона; см. Гальваномагнитные явления)и оптич. ветви в колебат. спектре полупроводника (см. Колебания кристаллической решётки).

Электроны в квантующем магн. поле имеют непрерывный энергетич. спектр для движения вдоль магн. поля и дискретный - для поперечного движения. Если зависимость энергии электрона от его квазиимпульса p изотропна и квадратична, то энергия электрона определяется соотношением (см. Ландау уровни:)

Здесь n - целое положит. число, р_H - компонента квазиимпульса в направлении H, w_с = |е|Н/тс- циклотронная частота электрона. Условие (w - частота внеш. эл--магн. поля, р_H фиксировано) приводит к циклотронному резонансу. Однако если расстояние между уровнями Ландау совпадает с суммой или разностью энергий оптич. фонона и фотона, в поглощении эл--магн. энергии также наблюдается резонанс на частоте w (рис. 1).

Рис. 1. Электронные переходы с участием оптического фонона (=1).

Если учесть возможность многофононных и многофотонных процессов, условие циклотрон-фононного резонанса будет иметь вид:

Здесь w₀ - частота оптич. фонона. Величина i-l называется номером гармоники. Далее будет считаться i₁ = 1, i₂= b1.

Ц--ф. р. обусловлен перебросом электронов между уровнями Ландау за счёт взаимодействия электронов с оптич. фононами и фотонами. В отсутствие фотона Ц--ф. р. переходит в магнитофононный резонанс .Коэф. поглощения эл--магн. энергии при Ц--ф. р. зависит от характера поляризации эл--магн. волны. Если вектор электрич. поля волны E | H, то Ц--ф. р. имеет место, в обратном случае Ц--ф. р. отсутствует.

Коэффициент затухания x волны зависит от величины расстройки резонанса D_i = w - w_i(w_i-резонансная частота).

Кривая поглощения (рис. 2) резко асимметрична. При определ. условиях линия Ц--ф. р. может принимать более сложную форму, напр. расщепиться на неск. линий, и у осн. линий Ц--ф. р. могут появиться спутники. Ц--ф. р. чувствителен к внеш. воздействиям: напр., наличие поперечного пост. электрич. поля "размывает" пик x.

Рис. 2. Линия поглощения циклотрон-фононного резонанса.

Если хотя бы один из размеров образца d достаточно мал (напр., образец - тонкая плёнка), то возникает дополнит. размерное квантование спектра (см. Квантовые размерные эффекты ).Если ось оz направлена вдоль толщины плёнки, то энергетич. спектр электронов имеет вид

Дискретизация электронного спектра в направлении оz приводит к т. н. размерно-фононному резонансу, связанному с переходом электрона между уровнями размерно-квантованного спектра за счёт поглощения оптич. фонона и фотона. Если вдоль оси оz приложить квантующее поле H, то электронный спектр становится полностью дискретным и условие резонанса приобретает вид

Из ур-ния (4) видно, что кроме линий Ц--ф. р. (п²₁ - n²₂= 0) и размерно-фононного резонанса (i = 0) возникают новые серии линий размерно-циклотрон-фононного резонанса.

Наряду с обычным Ц--ф. р. наблюдаются Ц--ф. р., сопровождающийся переворотом спина электрона, и много-фононный Ц--ф. р. В полупроводнике при определ. условиях существует такая область параметров, в к-рой дисперсия преобладает над затуханием волны, и может возникать широкий набор циклотрон-фононных волн.

Лит.: Баканас P. К., Басе Ф. Г., Левинсон И. Б., Циклотрон-фононный резонанс в полупроводниках. "ФТП", 1978, т. 12, в. 8. с. 1457. Ф. Г. Касс.

   <<      Предметный указатель      >>