Кинетические эффекты, обусловленные взаимодействием электронов с акустическими колебаниями в квантовых гетероструктурах
|
СтатусДиссертация была зашищена 26 апреля 2006Утверждена Национальным Советом 29 июня 2006 Автореферат – 1.37 Mb / на румынском – 1.50 Mb / на русскомДиссертацияCZU 539.21
|
Ключевые слова
акустические фононы, плоские гетероструктуры, цилиндрические и прямоугольные гетеронити, скорость рассеяния электронов, транспортное время релаксации электронов, подвижность электронов, теплопроводность, термоэлектрический коэффициент "figure of merit" ZTАннотация
Диссертационная работа посвящена комплексному исследованию акустических и кинетических свойств плоских гетероструктур с внутренним GaN-слоем, прямоугольных и цилиндрических GaN-нитей, покрытых оболочками с большей или меньшей, чем в GaN, скоростью звука.
В рамках континуальной модели с учётом анизотропии вьюрцитных GaN (AlN) материалов впервые получены уравнения движения для упругих колебаний в плоских гетероструктурах, в прямоугольных и цилиндрических квантовых гетеронитях.
Осуществлено решение этих уравнений численным методом конечных разностей. Рассчитаны энергетические спектры и групповые скорости акустических фононов в трёхслойных (AlN/GaN/AlN, пластик/GaN/пластик) и пятислойных (пластик/AlN/GaN/AlN/пластик) гетероструктурах, а также в квантовых GaN-нитях цилиндрического и прямоугольного сечения, покрытых акустически быстрыми AlN и акустически медленными пластиковыми оболочками. Показано, что обкладки с меньшей скоростью звука сжимают спектр акустических фононов и существенно (в 2-4 раза для рассмотренных наноструктур) уменьшают среднюю групповую скорость акустических фононов по сравнению со скоростью в однородных пластинах и нитях. Обкладки с большей скоростью звука ( акустически быстрые ) растягивают энергетический спектр акустических фононов и увеличивают их среднюю групповую скорость (в 1.2~1.5 раза для рассмотренных наноструктур) по сравнению со скоростью в однородных пластинах и нитях. Установлено, что в наноструктурах, состоящих из слоёв с различными скоростями звука, происходит перераспределение компонент вектора смещения. Это приводит к появлению в слоях гетероструктур и гетеронитей эффектов фононного обеднения и обогащения, сущность которых состоит в том, что фононные моды выталкиваются из слоёв с большей скоростью звука в слои с меньшей скоростью звука.
Впервые рассчитаны и изучены скорости рассеяния электронов акустическими фононами в AlN/GaN/AlN гетероструктурах. Рассмотрены деформационный и пьезоэлектрический механизмы взаимодействия электрона с акустическими фононами. Выведены гамильтонианы этих взаимодействий. Показано, что в трёхслойных AlN/GaN/AlN гетероструктурах высокие фононные моды активно взаимодействуют с электроном.
Для получения транспортного времени рассеяния численно решено кинетическое уравнение Больцмана (полученного для изотропного закона дисперсии энергии электрона), в котором, наряду с неупругостью электрон-фононного взаимодействия и дисперсией акустических фононов, впервые была учтена дисперсия оптических фононов.
Показано, что акустически медленные обкладки (1) понижают скорость рассеяния электронов во внутреннем GaN-слое (канале) гетероструктуры и увеличивают подвижность электронов (благодаря эффекту фононного обеднения); (2) уменьшают решёточную теплопроводность в гетероструктурах благодаря эффектам сжатия спектра и уменьшения средней групповой скорости акустических фононов.
Одновременное увеличение подвижности электронов и уменьшение решёточной теплопроводности увеличивает коэффициент figure of merit ZT, то есть улучшает термоэлектрические свойства гетероструктур.
Полученные результаты опубликованы в 20 научных работах.
Диссертация написана на русском языке, содержит 120 страниц, 56 рисунков, 3
таблицы и 125 литературных ссылок.
Содержание
- 1.1. Акустические фононы в плоских однородных наноструктурах
- 1.2. Конфайнмент фононов в плоских многослойных наноструктурах
- 1.3. Дисперсии и групповые скорости акустических фононов в гетероструктурах
- 1.4. Эффекты фононного обеднения и обогащения в гетероструктурах
ГЛАВА 2. Акустические фононы в прямоугольных квантовых нитях, покрытых оболочкой
- 2.1. Прямоугольные квантовые нити как объект изучения
- 2.2. Конфайнмент фононов в прямоугольных квантовых нитях, покрытых оболочкой
- 2.3. Дисперсии и групповые скорости фононов в прямоугольных гетеронитях
ГЛАВА 3. Акустические фононы в цилиндрических квантовых нитях, покрытых оболочкой
- 3.1. Цилиндрические квантовые нити как объект изучения
- 3.2. Конфайнмент фононов в цилиндрических квантовых нитях, покрытых оболочкой
- 3.3. Дисперсии и групповые скорости фононов в цилиндрических гетеронитях
- 3.4. Эффекты фононного обеднения и обогащения в цилиндрических гетеронитях
ГЛАВА 4. Кинетические эффекты в квантовых гетероструктурах
- 4.1. Скорость рассеяния конфайнмент электронов конфайнмент акустическими фононами в трёхслойных гетероструктурах
- 4.1.1. Энергетический спектр и волновые функции конфайнмент электронов в трёхслойных AlN/GaN/AIN гетероструктурах
- 4.1.2. Взаимодействие конфайнмент электрона с конфайнмент акустическими фононами
- 4.1.3. Скорость рассеяния конфайнмент электрона на конфайнмент акустических фононах
- 4.2. Подвижность электронов в AlN/GaN/AIN и Pl/AlN/GaN/AlN/Pl гетероструктурах
- 4.2.1. Двухмерный электронный газ (2DEG) в гетероструктурах AlN/GaN/AIN и пластик/АШ/ОаК/АШ/пластик
- 4.2.2. Взаимодействие электрона с оптическими фононами в AlN/GaN/AIN и Pl/AlN/GaN/AlN/Pl гетероструктурах
- 4.2.3. Кинетическое уравнение Больцмана для взаимодействия электрона с оптическими и акустическими фононами
- 4.2.4. Рассеяние электронов на заряженных дислокациях и поверхностных несовершенствах
- 4.2.5. Влияние эффекта фононного обеднения на значение подвижности в гетероструктурах
- 4.3. Фононная теплопроводность AlN/GaN/AIN и Pl/AlN/GaN/AlN/Pl гетероструктур
- 4.4. Термоэлектрические свойства трёхслойной AlN/GaN/AIN и пятислойной пластик/АШ/ОаК/АШ/пластик гетероструктур
- 4.4.1. Электропроводность и коэффициент Зеебека
- 4.4.2. Электронная теплопроводность и ZT
Официальные оппоненты
- Elerlanj Sineavschii
доктор хабилитат, профессор - Igor Belousov
доктор хабилитат, профессор, Институт прикладной физики
Диссертации
