Программа курса

«ОПТИКА НАНОСИСТЕМ»

5-й курс, 9-й семестр

Лекция 1.

Основные понятия оптики конденсированных фаз вещества. Классификация

твердых тел по размерности, электронным и оптическим свойствам.

Уравнения Максвелла для среды с поглощением. Волновое уравнение.

Комплексные показатель преломления и диэлектрическая проницаемость.

Соотношения Крамерса-Кронига. Отражение света от границы раздела двух сред. Формулы Френеля. Угол Брюстера. Понятие о брюстеровской спектроскопии уровней и элипсометрии. Особенности описания оптических свойств наносистем и нанокомпозитов.

Лекция 2.

Взаимодействие света с металлами и диэлектриками. Особенности электронного спектра металлов, полупроводников и диэлектриков.

Поглощение и отражение света в металлах. Модель Друде. Плазмоны.

Ориентационная, ионная и электронная поляризуемости диэлектриков.

Дипольная релаксация. Модель Друде-Лоренца. Уравнение КлаузиусаМоссоти. Поглощение света на колебаниях решетки. Фононы. Соотношение Лиддейна-Сакса-Теллера. Полоса остаточных лучей. Влияние граничных условий на колебательный спектр наноструктур и наночастиц.

Поверхностные фононы.

Лекция 3.

Поглощение света в полупроводниках. Прямозонные и непрямозонные полупроводники. Прямые (вертикальные) и непрямые оптические переходы.

Поглощение света при прямых переходах, комбинированная плотность состояний. Дипольно-разрешенные и запрещенные переходы. Поглощение света при непрямых переходах, виртуальные состояния. Температурная зависимость коэффициента поглощения. Особенности поглощения света в вырожденных полупроводниках. Эффект Бурштейна-Мосса.

Лекция 4.

Экситонное и примесное поглощение света. Влияние примесей на энергетический спектр полупроводника. Экситоны Френкеля и Ванье-Мотта.

Спектр экситона Ванье-Мотта. Коллективные эффекты в системе экситонов:

электронно-дырочная жидкость и электронно-дырочные капли. Фазовый переход Мотта. Взаимодействие света со свободными носителями заряда в полупроводниках с точки зрения квантовой теории твердого тела и классической модели Друде-Лоренца. Плазменный минимум отражения.

Лекция 5.

Эмиссия излучения из твердых тел. Тепловое излучение. Люминесценция.

Межзонная рекомбинация. Формула Шокли-Русбрека. Излучательная рекомбинация с участием мелких уровней. Донорно-акцепторные пары.

Изоэлектронные ловушки. Связанные экситоны. Люминесценция свободных экситонов, электронно-дырочной жидкости и электронно-дырочных капель.

Лекция 6.

Оптические явления в неоднородных твердотельных системах. Матричные и статистические гетеросистемы. Концепция эффективной среды и эффективная диэлектрическая проницаемость гетеросистемы.

Электростатическое приближение. Фактор поля. Формула Максвелла.

Соотношение Максвелла-Гарнеттта. Приближение эффективной среды формула Бруггемана.

Лекция 7.

Оптические свойства твердотельных нанокомпозитов. Показатель преломления статистической гетеросистемы на основе полупроводниковых наноструктур. Фактор деполяризации и оптическая анизотропия формы в гетеросистемах. Двулучепреломление формы и анизотропия поглощения (дихроизм). Частотная зависимость Друде-поглощения в нанокомпозитах.

Распространение света в периодических средах. Оптическая анизотропия периодических сред.

Лекция 8.

Фотонные кристаллы. Распространение света в одномерном фотонном кристалле. Понятие о фотонной запрещенной зоне. Методы расчета оптических свойств фотонных кристаллов. Двумерные и трехмерные фотонные кристаллы. Квазипериодические фотонные кристаллы. Фотоннокристаллические среды и волноводы. Дисперсия света в фотоннокристаллических структурах. Использование фотонных кристаллов как брэгговских зеркал. Микрорезонаторы. Замедление света в фотонных кристаллах.

Лекция 9.

Рассеяние света в твердых телах. Динамические и статические флуктуации показателя преломления. Упругое и неупругое рассеяние. Рассеяние Рэлея, угловая и частотная зависимости. Рассеяние Ми. Рассеяние МандельштамаБриллюэна, стоксовы и антистоксовы компоненты рассеяния.

Комбинационное (рамановское) рассеяние света и зависимость его интенсивности от температуры. Рассеяние света в поглощающих средах.

Лекция 10.

Влияние размеров тел на их оптические свойства (I). Классификация низкоразмерных систем. Квантовый размерный эффект. Приближение эффективной массы. Модель квантового ограничения для потенциальной ямы с бесконечными стенками – квантовой ямы Квантовый размерный эффект для квантовых нитей и точек.

Лекция 11.

Влияние размеров тел на их оптические свойства (II). Функция плотности состояний для электронов в двумерных, одномерных и нульмерных системах. Квантовый размерный эффект в реальных наноструктурах.

Понятие о дробной (фрактальной) размерности. Влияние квантового размерного эффекта на поглощение и люминесценцию твердотельных наноструктур.

Лекция 12.

Экситоны в полупроводниковых наноструктурах. Модификация спектра экситона Ванье-Мотта в квантовой яме. Влияние размерности полупроводниковой наноструктуры и ее диэлектрической проницаемости ее окружения на энергия связи экситонов. Диэлектрическое усиление экситонов. Экситоны в гетероструктурах и сверхрешетках. Пространственная локализация экситонов. Возбужденные состояния экситонов. Трионы. Учет спинового состояния для энергии экситона. Обменное взаимодействие для экситонов в нанокристаллах. Стоксов сдвиг. Экситон-фононное взаимодействие, фактор Хуанг-Рисса.

Лекция 13.

Динамика экситонов в ансамблях полупроводниковых нанокристаллов (I).

Феноменологические модели возбуждения и рекомбинации неравновесных носителей заряда в полупроводниковых наноструктурах. Учет связи между подсистемами экситонов и неравновесных фотовозбужденных носителей заряда. Зависимость концентрации экситонов от температуры.

Лекция 14.

Динамика экситонов в ансамблях полупроводниковых нанокристаллов (II).

Феноменологические модели возбуждения и рекомбинации неравновесных носителей заряда в полупроводниковых наноструктурах. Учет связи между подсистемами экситонов и неравновесных фотовозбужденных. Роль ожерекомбинации и ударной ионизации в динамике рекомбинации экситонов в нанокристаллах. Эффект мультиплицирования экситонов и его возможные применения. Время жизни экситонов в ансамблях нанокристаллов.

Фотосенсибилизация люминесценции редкоземельных ионов в структурах с нанокристаллами кремния.

Лекция 15.

Оптические свойства и применения полупроводниковых наноструктур.

Методы формирования и примеры низкоразмерных систем и наноструктур.

Квантовые ямы и сверхрешетки. Квантовые нити. Квантовые точки.

Механизм роста Странского-Крастанова. Пористый кремний. Сечение поглощения света нанокристаллами. Оптические свойства нанокомпозитов с учетом экситонных эффектов. Применения квантовых ям и сверхрешеток в оптоэлектронке. Использование оптических и люминесцентных свойств квантовых точек. Лазеры на квантовых точках.

Лекция 16.

Элементы спиновой оптики и спинтроники. Спин-зависимая рекомбинация носителей заряда в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах.

Спин-орбитальное взаимодействие и оптическая ориентация спинов.

Особенности спин-орбинального взаимодействия в полупроводниковых наноструктурах. Вклады Рашбы и Дрессельхауза. Поляризованная люминесценция. Фотогальванические спин-зависимые явления: циркулярный и линейный фотогальванические эффекты. Понятие о спинтронике.

Лекция 17.

Нелинейные оптические явления в твердотельных системах. Нелинейная поляризуемость среды. Генерация гармоник, смешение частот и оптическое выпрямление. Правила Клеймана. Генерация второй гармоники «на отражение» и «на прохождение». Фазовый синхронизм. Реализация фазового синхронизма в анизотропных кристаллах и средах с аномальной дисперсией.

Вынужденное комбинационное рассеяние света. Особенности вынужденного комбинационного рассеяния света в наноструктурах и волноводах.

Рамановский лазер.

Лекция 18.

Элементы нелинейной оптики наноструктур и нанокомпозитов. Фактор локального поля и нелинейная поляризуемость среды. Механизмы усиления оптических нелинейностей в твердотельных нанокомпозитах. Генерация оптических гармоник в анизотропных наноструктурах. Особенности фазового синхронизма в наноструктурах с двулучепреломлением формы.

Фазовый синхронизм и генерация гармоник в фотонных кристаллах.

Оптическое переключение в наноструктурах и фотонных кристаллах.

Использование методов нелинейной оптики для исследования наноструктрур и наноматериалов.

Список рекомендованной литературы по курсу

«ОПТИКА НАНОСИСТЕМ»

1. П.К.Кашкаров, В.Ю.Тимошенко. «Оптика низкоразмерных структур», М., Пульс, 2008, 292 с.

2. Ч. Китель. Введение в физику твердого тела. М., Наука, 1978.

3. К. В. Шалимова Физика полупроводников. М., Энергоатомиздат, 1985.

4. В.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников. Физика полупроводников. М., Наука, 1990.

5. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М., Наука, 1970.

6. Е. Ф. Венгер, А. В. Гончаренко, М. Л. Дмитрук. Оптика малых частиц и дисперсных сред. Киев, Наукова Думка, 1999.

7. Н.И. Коротеев, И.Л. Шумай. Физика мощного лазерного излучения. М., Наука, 1991.

8. А.П. Виноградов. Электродинамика композитных материалов. М., Урсс, 2001.

9. С.В.Гапоненко, Н.Н. Розанов, Е.Л.Ивченко, А. Ф. Федоров и др.

Оптика наноноструктур. Под ред. А. Ф. Федорова. СПб., Недра, 2005.

Дополнительная литература:

1. Ж. Панков. Оптические процессы в полупроводниках. М., Мир, 1973.

2. Т. Мосс, Г. Баррел, Б. Эллис. Полупроводниковая оптоэлектроника.

М., Мир, 1976.

3. Ю. И. Уханов. Оптические свойства полупроводников. М., Наука, 1977.

4. А. Берг, П. Дин. Светодиоды. М., Мир, 1979.

5. В.П. Драгунов, И.Г. Неизвесный, В.А. Гридчин.

наноэлектроники. М., Логос, 2006.

6. И. Р. Шен. «Принципы нелинейной оптики»,М., Наука, 1989.

7. S.V. Gaponenko. Optical properties of semiconductor nanocrystals.

Cambridge, 1998.

8. П. К. Кашкаров, Б. В. Каменев, Е. А. Константинова, A. И. Ефимова, носителей заряда в кремниевых квантовых нитях». Успехи Физ. Наук, 1998, т.168, №5, с.577-582.

9. Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров. «Оптические свойства нанокомпозитов на основе пористых систем».Успехи Физ.

Наук, 2007, 177, с.619- 638.

Программу подготовил профессор В.Ю.Тимошенко