Η επίδραση της δομής στην υπερταχεία ηλεκτρονιακή δυναμική σε μη-στοιχειομετρικούς III - V ημιαγωγούς και μεταλλικές νανο-συνθέσεις

Abstract

Ultrafast pump and probe spectroscopy has been utilized in order to study the electronic trapping behavior in nonstoichiometric GaAs and AlGaAs and to study the effect of the size reduction of nanometer sized Au particles on the kinetics of the confined electron population. The dynamics of conduction band electrons of Low-Temperature-Grown GaAs and AlGaAs is studied by exciting electrons in the vicinity of the conduction band bottom and by probing the induced transient changes in the absorption from the top of the valence to the bottom of the conduction band of the semiconductor. The nonstoichiometric semiconductors, that we examine, contain As precipitates. The electron trapping behavior is found to depend on both the average As precipitate radius α and spacing R. The interplay of these parameters is for the first time experimentally determined to be governed by the law τ ∝ R3/α which can be predicted theoretically by assuming diffusion mediated trapping of electrons on the surfaces of the As precipitates. The kinetics of the confined electrons in Au nanoparticles is studied by perturbing the electron population in the vicinity of the Fermi energy and by probing the transient interband 3 transition from the d-bands to the Fermi surface. The mechanism of the internal electron energy re-distribution is experimentally found to accelerate with the reduction (enhancement) of the nanoparticle size (confinement). The results show an independency of the surrounding dielectric host and are in good agreement with a numerical model based on the reduction of the Coulomb screening interaction. The mechanism of the cooling of the thermalized electron population to the lattice is also found to accelerate with size reduction.

Η τεχνική της υπερταχείας φασματοσκοπίας άντλησης–ανίχνευσης χρησιμοποιήθηκε ώστε να μελετηθεί η ηλεκτρονιακή συμπεριφορά παγίδευσης σε μη-στοιχειομετρικό GaAs και AlGaAs και για να μελετηθεί η επίδραση της μείωσης του μεγέθους νανοσωματιδίων Au στην κινητική κατάσταση του ηλεκτρονιακού πληθυσμού τους. Η δυναμική κατάσταση των ηλεκτρονίων της ζώνης αγωγιμότητας σε Χαμηλής-Θερμοκρασίας-Ανάπτυξης GaAs και AlGaAs μελετάται μέσω διέγερσης ηλεκτρονίων στην περιοχή του πυθμένα της ζώνης αγωγιμότητας και ανίχνευσης των επαγώμενων μεταβατικών αλλαγών στην απορρόφηση από την κορυφή της ζώνης σθένους προς τον πυθμένα της ζώνης αγωγιμότητας του ημιαγωγού. Οι μη-στοιχειομετρικοί ημιαγωγοί που εξετάζουμε περιέχουν συσσωματώματα As. Η συμπεριφορά παγίδευσης των ηλεκτρονίων βρίσκεται να εξαρτάται από τη μέση ακτίνα α και τη μέση απόσταση R των συσσωματωμάτων As. Η αλληλοσυσχέτιση αυτών των δύο παραμέτρων για πρώτη φορά προκύπτει πειραματικά να καθορίζεται από το νόμο τ ∝ R3/α, οποίος μπορεί να προβλεφθεί θεωρητικά υποθέτοντας παγίδευση των ηλεκτρονίων στις επιφάνειες των συσσωματωμάτων As εν μέσω διάχυσης. Η κινητική κατάσταση των περιορισμένων, μέσα σε νανοσωματίδια Au, ηλεκτρονίων μελετάται μέσω διατάραξης του ηλεκτρονιακού πληθυσμού στην περιοχή της ενέργειας Fermi και ανίχνευσης των μεταβατικών διαζωνικών μεταβάσεων από τις ζώνες-d προς την επιφάνεια Fermi. Από την πειραματική μελέτη προκύπτει μία επιτάχυνση του μηχανισμού της εσωτερικής ηλεκτρονιακής ανακατομής της ενέργειας με τη μείωση (αύξηση) του μεγέθους του νανοσωματιδίου (περιορισμού). Τα αποτελέσματα δείχνουν μία ανεξαρτησία από τον περιβάλλοντα διηλεκτρικό ξενιστή και βρίσκεται σε συμφωνία με ένα αριθμητικό πρότυπο βασισμένο στην μείωση της θωρακισμένης αλληλεπίδρασης Coulomb. Ομοίως, ο μηχανισμός της ψύξης του θερμοποιημένου ηλεκτρονιακού πληθυσμού προς το πλέγμα επιταχύνεται με τη μείωση του μεγέθους.