Ultrarychlá generace anizotropní populace elektronů ve vodivostním pásu polovodičů

• Název práce v češtině: Ultrarychlá generace anizotropní populace elektronů ve vodivostním pásu polovodičů
• Název v anglickém jazyce: Ultrafast generation of anisotropic electron population in conduction band of semiconductors
• Klíčová slova: Časově-rozlišená laserová spektroskopie|ultrakrátké pulzy|nelineární optika|údolní polarizace|valley-tronika
• Klíčová slova anglicky: Time-resolved laser spectroscopy|ultrashort pulses|nonlinear optics|valley polarization|valley-tronics
• Akademický rok vypsání: 2023/2024
• Typ práce: bakalářská práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra chemické fyziky a optiky (32-KCHFO)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Martin Kozák, Ph.D.
• Řešitel: Martin Čmel - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 19.10.2023
• Datum zadání: 19.10.2023
• Datum potvrzení stud. oddělením: 06.11.2023
• Datum odevzdání elektronické podoby: 08.05.2024
• Oponenti: RNDr. Branislav Dzurňák, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Cílem této práce bude experimentálně studovat možnost dosažení anizotropního rozložení elektronů ve vodivostním pásu diamantu či křemíku pomocí interakce s ultrakrátkými laserovými pulzy. Student se nejprve seznámí s problematikou a poté sestaví experimentální uspořádání pro pozorování tohoto jevu, které bude založeno na rozšířené metodě excitace a sondování. První pulz s energií fotonů vyšší než zakázaný pás vyexcituje populaci elektronů. Druhý infračervený pulz přicházející s daným časovým zpožděním bude urychlovat elektrony a generovat anizotropní populaci ve vodivostním pásu v závislosti na směru lineární polarizace vzhledem ke krystalografickým osám vzorku. Generovaná anizotropie bude měřena třetím, sondovacím pulzem, u nějž budeme detekovat polarizační anizotropii přechodné absorpce a/nebo polarizační závislost účinnosti generace 3. harmonické frekvence. V rámci práce student provede úvodní měření, která vyhodnotí a výsledky bude v rámci práce interpretovat.

Seznam odborné literatury

[1] Jan Isberg, Markus Gabrysch, Johan Hammersberg, Saman Majdi, Kiran Kumar Kovi & Daniel J. Twitchen, Nature Materials 12, 760–764 (2013).
[2] R. Boyd, Nonlinear Optics, Academic Press 2003.
[3] Ashcroft, Neil W., Solid State Physics, New York : Brooks/Cole, 1976.
[4] Rullière, Claude (Ed.): Femtosecond Laser Pulses: Principles and Experiments, Springer-Verlag, Berlin, 2005.
[5] J.-C. Diels, W. Rudolph: Ultrashort laser pulse phenomena, Elsevier, Heidelberg, 2006.
[6] J. Shah: Ultrafast Spectroscopy of Semiconductors and Semiconductor Nanostructures, Springer, Berlin, 1996.

Předběžná náplň práce

Energetické stavy elektronů v krystalických materiálech existují v podobě pásů dovolených a zakázaných energií. Polovodiče se vyznačují tím, že v nich existuje tzv. zakázaný pás, oblast energií, ve které se žádné stavy nenacházejí. Pokud polovodič excitujeme například fotony, je možné elektrony excitovat do vodivostního pásu a ty se pak mohou materiálem volně pohybovat. Základní polovodiče s kovalentními vazbami jako jsou křemík či diamant mají nepřímou pásovou strukturu s šesti energeticky degenerovanými minimy vodivostního pásu, tzv. údolími. V případě excitace těchto polovodičů fotony s energií vyšší než je energie zakázaného pásu se elektrony izotropně rozdělí mezi těchto šest minim. Nicméně, existuje způsob jak elektrony přerozdělit a docílit anizotropní populace v jednotlivých údolích. Tento princip využívá faktu, že tenzor efektivní hmotnosti elektronů je silně anizotropní a umožňuje indukovat selektivní meziúdolní rozptyl pomocí urychlování elektronů ve specifickém směru přiloženým elektrickým polem [1]. Tato „údolní polarizace“ by mohla být využitelná v elektronice, kdy nosičem informace by nebyl náboj, ale číslo údolí obsazeného elektronem.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

The energy states of electrons in crystalline materials exist in the form of bands of allowed and forbidden energies. Semiconductors are characterized by the fact that they have a so-called band gap, a region of energies in which no states exist. If we excite a semiconductor with, e.g., photons, it is possible to excite the electrons into the conduction band and they can move freely through the material. Basic semiconductors with covalent bonds such as silicon or diamond have an indirect band structure with six energetically degenerate minima of the conduction band, the so-called valleys. In the case of excitation of these semiconductors by photons with energy higher than the energy of the band gap, the electrons are isotropically distributed among these six minima. However, there is a way to redistribute electrons and achieve anisotropic populations in individual valleys. This principle uses the fact that the effective mass tensor of electrons is strongly anisotropic and allows to induce selective intervalley scattering by accelerating electrons in a specific direction applied by an electric field [1]. This "valley polarization" could be used in electronics, when the information would not be carried by electron charge, but by the number of the valley occupied by the electron.
The goal of this thesis is to experimentally study the possibility of achieving an anisotropic distribution of electrons in the conduction band of diamond or silicon by means of interaction with ultrashort laser pulses. Student will first familiarize himself with the topic and then build an experimental setup for observing this phenomenon, which will be based on the extended pump-probe method. The first pulse with photon energy higher than the band gap excites the electron population. A second infrared pulse arriving with a given time delay will accelerate the electrons and generate an anisotropic population in the conduction band depending on the direction of the linear polarization relative to the crystallographic axes of the sample. The generated anisotropy will be measured by the third, probe pulse, with which we will detect the polarization anisotropy of the transient absorption and/or the polarization dependence of the generation efficiency of the 3rd harmonic frequency. As a part of the thesis, the student will perform initial measurements, which will be evaluated and interpreted as part of the thesis.