Excitons

A incidência de fótons numa estrutura semicondutora pode excitar um elétron da banda de valência para a banda de condução. A quase-partícula de carga positiva, conhecida como buraco, criado na banda de valência tem carga de sinal oposta a do elétron excitado. A interação coulombiana entre o elétron, pode gerar um estado ligado conhecido como éxciton, geralmente representado como X. Em semicondutores III-V, a massa efetiva do buraco nas bandas de valência, geralmente, é significativamente maior do que a massa efetiva do elétron na banda de condução, de modo que o sistema excitônico é similar ao átomo de hidrogênio. Podemos considerar que o exciton se movimenta como uma partícula livre de massa M=me*+ mh*, onde me* e mh* são as massas efetivas do elétron e do buraco,

respectivamente, e que o movimento relativo do éxciton está associado a uma massa reduzida, . No modelo hidrogenóide, a energia de ligação do éxciton num material bulk é dada por:

(3.5)

Onde

a



e

a constante dielétrica do semicondutor. Usando os valores típicos para o GaAs bulk, obtemos uma energia de ligação do exciton de 4,2 meV e um radio de Bohr de 150 Å.

Em poços quânticos, a ligação excitônica é reforçada pelo confinamento quântico dos portadores que localizam elétrons e buracos numa região limitada do espaço. Como resultado, fortes picos de absorção são obtidos com energias justo antes das energias dos níveis relacionados as transições fundamentais elétron-buraco. A figura 3.6 compara o espectro típico de absorção para múltiplos poços quânticos de GaAs/AlGaAs e do GaAs Bulk para a mesma temperatura.

19 Fig. 3.6 –Espectro de absorção de múltiplos poços quânticos de GaAs/Al0.28Ga0.72As, na figura também é apresentado o espectro de absorção para o GaAs bulk. Ambos medidos a T=300K. Fonte: referência 32

Picos estreitos de absorção associados à formação de éxcitons dos diferentes níveis de energia do poço quântico serão discutidos nos nossos resultados, a análise destes picos e sua relação com as principais transições do poço serão determinantes para a caracterização óptica das estruturas estudadas nesta tese.

Em poços quânticos de semicondutores III-V, esta energia de ligação é da ordem de alguns meV, depende da espessura do poço. Para poços de 100 Å é da ordem de 7 meV. Portanto, altas temperaturas (maiores que ~80 K), a energia térmica tende a quebrar esta ligação excitônica.

3.4.1. Acoplamentos excitonicos

A seguir definimos alguns conceitos importantes relacionados com a formação de sistemas complexos envolvendo éxcitons e outras excitações do cristal.

Exciton ligado: Um defeito cristalino ou um átomo de impureza podem criar um potencial atrativo que pode capturar um par elétron-buraco, resultando em um éxciton

20 ligado (bound éxciton, BE). O estado ligado do éxciton ao defeito/impureza implica numa redução da energia de recombinação de um BE comparado com o exciton livre.

Polaron: O Polaron é uma quase-partícula que descreve a ligação entre um elétron e vibrações na rede, isto é, fônons em um cristal polar. Este tipo de acoplamento também pode ocorrer para éxcitons, gerando a formação de um polaron excitônico. Na verdade, o conceito de polaron pode ser usado de maneira mais geral, sendo estendido para descrever outras ligações entre portadores com alguma flutuação do cristal onde parte da energia de ligação se origina de uma polarização do meio. Vários resultados teóricos e experimentais tem demonstrado que os portadores confinados em QDs apresentam um forte acoplamento com as vibrações da red do semicondutor [33]. Os polarons excitônicos são mais comumente observados em pontos quânticos,onde a densidade de estados reduzida favorece a formação destes estados ligados gerando uma absorção com energia igual a energia fundamental do exciton mais a energia de um fonon [34]. Este efeito é menos frequente em poços quânticos, porém já foi observado em algumas estruturas com características particulares [35].

Polaron magnético: Em semicondutores magnéticos diluídos, os portadores podem se acoplar com spins localizados dos íons magnéticos através da interação de troca. Como discutiremos no capítulo seguinte, esta interação causa o alinhamento ferromagnético dos spins dos portadores nas vizinhanças de um íon magnético. Assim, os íons magnéticos geram uma nuvem de spins polarizados que pode ser considerada como uma molécula magnética com momento magnético total da ordem de centenas de magnetons de Bohr [36]. Sistemas com spins organizados mediante este mecanismo são chamados de polarons magnéticos (Magnetic polarons, MP).

Polaron magnético ligado: Este estado se origina da ligação de portador localizado a uma impureza magnética. De maneira similar ao MP, no caso do polaron magnético ligado (bound magnetic polaron, BMP)os portadores e os íons magnéticos se acoplam devido à interação de troca minimizando a energia total do sistema. Entretanto, esta interação é relativamente mais forte porque o portador envolvido está num estado localizado. Assim, podemos usar coordenadas relativas, incluindo uma coordenada associada ao centro da impureza deste sistema para descrever o BMP, o que simplifica

21 consideravelmente a descrição teórica. Além disso, o tempo de vida do portador localizado na impureza é geralmente muito maior do que os tempos de vida característicos de portadores livres, gerando um estado mais estável que pode atingir seu estado de equilíbrio. Assim como caso geral, este conceito é estendido para éxcitons ligados a impurezas magnéticas. Na verdade, o conceito envolve também diferentes tipos de BMPs, dependendo do tipo de localização das partículas envolvidas[37]. Este efeito foi observado em poços quânticos de CdTe /(Cd, Mn)Te e foi caracterizado por um red-shift da energia fundamental com o aumento do campo magnético [38]