Desenvolvimento e aplicação do método k.p para investigar propriedades óticas e de spin em nanostruturas semicondutoras

Autor(es)

Paulo Eduardo de Faria Júnior

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Carlos.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Física de São Carlos (IFSC/BT)
• Data de defesa: 2016-06-30

Membros da banca

Guilherme Matos Sipahi; Jose Carlos Egues de Menezes; Iouri Poussep; Victor López Richard; Erasmo Assumpção de Andrada e Silva

• Orientador: Guilherme Matos Sipahi; Igor Zutic

Resumo

Diversas propriedades observáveis de sistemas semicondutores, como transporte e transições óticas, são manifestações de suas estruturas de bandas eletrônica, isto é, os níveis energéticos que elétrons podem ocupar no semicondutor. Entre as abordagens teóricas para o cálculo de estrutura de bandas, o método k.p é uma ferramenta versátil que pode ser estendida para tratar sistemas confinados, superando as limitações computacionais de métodos de primeiros princípios. Nesta tese, nós desenvolvemos e aplicamos Hamiltonianos k.p para fenômenos físicos óticos e de spin em sistemas semicondutores não convencionais. Especificamente, nós consideramos três tópicos diferentes: lasers de spin, politipismo em semicondutores III-V e efeitos do acoplamento spin-órbita em materiais com estrutura cristalina wurtzita. Para os lasers de spin, investigamos o comportamento de sua região ativa, em uma geometria VCSEL, baseada em poços quânticos de zinc-blende GaAs/AlGaAs através do cálculo do coeficiente de ganho dependente de spin. Assumindo elétrons com polarização de spin, nossos cálculos mostraram as características de filtro de spin e de redução do limiar de laser encontradas em experimentos e pela abordagem convencional de equações de taxa no regime estacionário. Motivados pelas evidências experimentais de operação dinâmica mais veloz para a polarização da luz devido às anisotropias do sistema, calculamos o coeficiente de birrefringência para a região ativa sob efeito de uma tensão uniaxial. Nossos cálculos mostraram que, mesmo para um pequeno valor de tensão aplicada, o coeficiente de birrefringência pode facilmente exceder 200 GHz. Na realidade, nossas predições foram demonstradas experimentalmente para valores de até 250 GHz em um dispositivo VCSEL de spin de GaAs/AlGaAs similar ao nosso sistema estudado. Para o politipismo, desenvolvemos um modelo k.p combinado com a aproximação da função envelope para investigar o politipismo em sistemas semicondutores III-V com mistura de estruturas cristalinas zinc-blende e wurtzita. Aplicamos o modelo para poços quânticos politípicos de InP para investigar efeitos de confinamento quântico e de tensão. Também estendemos esse modelo politípico para incluir explicitamente o acoplamento entre as bandas de condução e valência com o intuito de investigar propriedades óticas em superredes politípicas de InP. Para nanofios com fase cristalina pura, modelados por cálculos na forma bulk com inclusão do confinamento ótico, observamos as mesmas características experimentais para a polarização da luz, isto é, a fase zinc-blende favorece a polarização da luz ao longo do eixo do nanofio enquanto a fase wurtzita favorece a polarização perpendicular ao eixo. Incluindo a mistura cristalina e os efeitos de confinamento quântico, obtemos o grau de polarização linear variando entre os valores de nanofios puros de zinc-blende e wurtzita e, mais especificamente, que esse grau de polarização é muito sensível ao tamanho das regiões de zinc-blende, uma característica também observada em medidas de fotoluminescência. Finalmente, desenvolvemos um Hamiltoniano k.p realista, com parâmetros obtidos de estruturas de bandas por primeiros princípios, para investigar propriedades eletrônicas e efeitos do acoplamento spin-órbita em materiais semicondutores de InAs e InP com estrutura cristalina wurtzita. Nosso modelo k.p 8×8 descreve as bandas de condução e valência, incluindo spin, em torno da energia de gap. N´os também incluímos o termo de acoplamento spin-órbita dependente de k, geralmente desprezado na literatura, para descrever corretamente a assimetria de inversão de bulk da estrutura wurtzita. Mostramos que todas as bandas de energia investigadas possuem um valor esperado de spin que segue a textura de spin do tipo Rashba, com orientação no sentido horário ou anti-horário. Nós enfatizamos que todas as características da estrutura de bandas, abertura de spin e orientação de spin dos cálculos de primeiros princípios foram sistematicamente checadas para fornecer o melhor conjunto de parâmetros. Usando o Hamiltoniano k.p 8×8, calculamos a densidade de estados e obtemos a densidade de portadores como função da energia de Fermi. Fornecemos também uma abordagem analítica para a banda de condução e uma descrição compacta para a banda de valência, no entanto, o Hamiltoniano 8×8 é a melhor abordagem para modelar os cálculos de primeiros princípios em uma ampla região da primeiro zona de Brillouin. (AU)

• Processo FAPESP: 12/05618-0 - Dinâmicas de spin e transporte de spin em dimensões reduzidas: do grafeno aos lasers de spin
• Beneficiário: Paulo Eduardo de Faria Junior
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado