Estudio Raman de ultra-alta resolución de la dinámica de fonones acústicos confinados en cavidades.
Los fonones en el rango de frecuencias de terahertz (THz), con longitudes de onda de pocos nanómetros y energías del orden de algunos meV, son de gran interés tanto desde el punto de vista básico como aplicado. Las propiedades de los fonones a estas frecuencias tienen un rol importante en el tran...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2011
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/370/1/1Rozas.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Los fonones en el rango de frecuencias de terahertz (THz), con longitudes de onda
de pocos nanómetros y energías del orden de algunos meV, son de gran interés tanto
desde el punto de vista básico como aplicado. Las propiedades de los fonones a estas frecuencias
tienen un rol importante en el transporte eléctrico y la propagación del calor,
y su interacción con los electrones y los fotones los hace candidatos para aplicaciones
en optoelectrónica y nanoscopía. Sin embargo, existe poca información sobre cómo las
limitaciones intrínsecas asociadas a los fonones de alta frecuencia, como la anarmonicidad
y los defectos en interfaces, afectan la eficiencia de los dispositivos acústicos de
THz.
En este trabajo, presentamos un estudio por dispersión Raman de nanocavidades
acústicas de THz basadas en multicapas semiconductoras. Los dispositivos acústicos
analizados están embebidos dentro de microcavidades ópticas planas, a fin de aprovechar
los efectos de amplificación y cambio de reglas de selección asociados a ellas.
Utilizamos para estudiar las cavidades acústicas una nueva técnica de espectroscopía
Raman de ultra-alta resolución, desarrollada especificamente durante esta tesis, alcanzando
resoluciones de hasta 0,008 cm"-1 sobre rangos espectrales de más de 5 cm"-1.
En primer lugar, investigamos tanto teórica como experimentalmente cómo las cavidades
ópticas afectan las propiedades ópticas, electrónicas y de dispersión Raman
del sistema. En el caso de los efectos puramente fotónicos, utilizamos un modelo macroscópico completo de la sección eficaz Raman, que considera el cálculo exacto de
los modos vibracionales y electromagnéticos de la estructura. El mismo nos permite
describir en detalle la intensidad de la dispersión y las reglas de selección Raman a
energías y geometrías arbitrarias, incluyendo la fuerte amplificación de la señal en el
modo óptico de cavidad y los efectos presentes en el borde del gap óptico.
En el caso de los efectos electrónicos, estudiamos la interacción fuerte entre el modo
óptico confinado y los estados excitónicos, analizando la formación de polaritones de
cavidad y los cambios que estos producen sobre el proceso Raman para fonones acústicos.
La utilización de fonones acústicos nos permite trabajar experimentalmente en
doble resonancia con un mismo estado polaritónico y sobre todas las ramas polaritónicas,
incluyendo la rama inferior, que es la relevante para la dinámica de polaritones en
estados condensados. Los perfiles de amplificación Raman correspondientes son reproducidos correctamente utilizando un modelo de factorización de la dispersión Raman
mediada por polaritones, que considera fenomenológicamente las vidas medias de los
estados involucrados.
En segundo lugar, la novedosa técnica de espectroscopía Raman de ultra-alta resolución desarrollada nos permite estudiar las cavidades acústicas de THz con un detalle
sin precedentes. Midiendo el ancho de línea del modo acústico confinado de cavidad,
demostramos por primera vez en forma experimental que el factor de calidad de estas
nanoestructuras fonónicas puede ser controlado sistemáticamente por diseño. Experimentos
en función de la temperatura muestran que el efecto de la anarmonicidad es
marginal, aún a temperatura ambiente y frecuencias de THz.
Basados en simulaciones de la dispersión Raman, mostramos que la eficiencia de
estas cavidades acústicas de THz está limitada por el ensanchamiento inhomogéneo
originado en fluctuaciones sub-monocapa en las interfaces. Sin embargo, los resultados
presentados establecen claramente el potencial de las nanocavidades acústicas semiconductoras
como resonadores para fonones de alta energía, con factores de calidad
medidos de Q ~ 260 a 1 THz y de ~ 1200 a 237 GHz.
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