Anéis quânticos semicondutores ideais

• Autor(a) principal: Costa, Diego Rabelo da
• Data de Publicação: 2011
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)
• Texto Completo: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/12556
• topic: Semicondutores; Heteroestruturas; Anéis quânticos

Nos últimos anos, numerosos avanços alcançados nas técnicas de crescimento de materiais deram origem à formação de várias heteroestruturas de semicondutores, onde se podem confinar elétrons e buracos em uma ou mais direções, através de barreiras de potencial. Muitos pesquisadores recentemente têm estudado estruturas de baixas dimensionalidades, tais como pontos e fios quânticos, devido à sua importância em inúmeras aplicações tecnológicas em dispositivos opto-eletrônicos como, por exemplo, LASERS, sensores biológicos, diodos e transistores. Um exemplo interessante que é alvo de estudo nesse trabalho é a estrutura chamada anel quântico, uma estrutura de confinamento tridimensional obtida após um processo de annealing no crescimento de pontos quânticos. No estudo das propriedades opto-eletrônicos de anéis quânticos, é de grande importância calcular os níveis de energia dos portadores de carga e as funções de onda a fim de analisar os autoestados do sistema. Desse modo, resolvemos a equação de Schrödinger independente do tempo para elétrons confinados em um anel quântico semicondutor na presença de um campo magnético, perpendicular ao plano do anel, utilizando a aproximação da massa efetiva. Sob algumas aproximações, consideramos que o confinamento dentro da região do anel é muito forte, tal que o problema é reduzido à variável angular, onde a largura e altura contribuem somente com termos constantes para a energia total. Avaliamos numérica e analiticamente o problema do anel na ausência de qualquer força externa, obtendo o Efeito Aharonov-Bohm, no qual o espectro de energia oscila periodicamente com a variação do campo magnético. Estudamos também os efeitos de potenciais perturbativos no espectro de energia de anéis quânticos. Primeiramente, consideramos o caso de um potencial gerado pela aplicação de um campo elétrico no plano do anel. Encontramos soluções analíticas e numéricas para o problema do anel com e sem um campo magnético axial. Mostramos que a presença de campo elétrico ergue a degenerescência angular dos estados de energia do elétron, suprimindo as oscilações Aharonov-Bohm para os níveis mais baixos de energia. Investigamos também as influências no espectro de energia devido à presença de uma ou mais impurezas positivas localizadas de maneira simétrica e assimetricamente ao longo do anel. Para N impurezas igualmente espaçadas, observamos as oscilações Aharonov-Bohm para os estados de menor energia e a formação de sub-bandas de energia compostas por N estados, enquanto para sistemas assimétricos o efeito não foi visto e os estados que formam as sub-bandas não mais se cruzam. De maneira análoga ao caso das impurezas, vimos que a presença de superredes de poços de potenciais quadrados acopla os estados de energia em sub-bandas, devido à simetria rotacional do anel quântico. Analisamos também o comportamento das 'minibandas', formadas pelos estados ligados da superrede, com relação ao confinamento do potencial e comparamos o espectro de energia com a variação do campo magnético para um e mais poços quadrados. Por fim, discutimos os efeitos no espectro de energia do exciton no anel quântico devido à presença de um campo elétrico e de uma impureza negativa. Mostramos que os estados de mais baixa energia do exciton não oscilam quando consideramos o potencial coulombiano de interação elétron-buraco, mas a presença de uma impureza em certas localizações ergue as oscilações Aharonov-Bohm, que podem ser suprimidas pela adição do campo elétrico no plano do anel. Expomos assim o comportamento instável das oscilações nas energias excitônicas na presença de perturbações.