Ultrafast dynamics of excited carriers in GaAs by a time-resolved differential reflectivity
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Data de Publicação: | 2020 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | eng |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFJF |
Texto Completo: | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/13008 |
Resumo: | Neste estudo, a dinâmica dos portadores de carga fotoexcitados nos cristais de GaAs é investigada pelo m´método de refletância diferencial resolvida no tempo. O aparato ´e montado em uma configuração de “pump-probe”, com comprimento de onda ajustável e duração de pulso de 100 fs. Três amostras de cristais de GaAs, cada uma com diferentes n´níveis de dopagem, são consideradas neste trabalho. Os dados obtidos na espectroscopia de “pump-probe” revelam que o tempo de relaxação dos elétrons excitados na banda de condução ´e altamente dependente de sua energia. Um tempo de relaxação em torno de 4 ps foi medido para os elétrons excitados em 720 nm, enquanto que para excitação em 800 nm, o tempo de relaxação ´e de 12 ps. Esse comportamento ´e atribuído a diferentes mecanismos de interação elétron-fônon. De modo que, para baixa energia de excitação, a interação Frohlich ´e dominante, enquanto que para alta energia de excitação o espalhamento “intervalley” desempenha o papel principal na relaxação energética dos elétrons. Além disso, as amostras com diferentes n´níveis de dopagem são consideradas para observar o efeito da dopagem na dinâmica dos elétrons, particularmente na relaxação de energia. Os dados não mostram mudanças consideráveis no tempo de relaxa¸c˜ao dos elétrons para diferentes n´níveis de dopagem. No entanto, fica a influência da concentração de portadores de carga excitados considerável no tempo de relaxação e na recuperação das mudanças induzidas nas propriedades ópticas. A alta concentração de portadores de carga fotoexcitados gera rápida relaxação energética dos elétrons e recuperação dos efeitos ópticos não lineares. Além disso, os efeitos da difusão dos portadores de carga são estudados através de simulações baseadas no modelo ambipolar. Os resultados da simulação mostram que os efeitos de difusão no GaAs são mais pronunciados no menor comprimento de onda em uma configuração degenerada de “pump-probe”. |
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Os dados obtidos na espectroscopia de “pump-probe” revelam que o tempo de relaxação dos elétrons excitados na banda de condução ´e altamente dependente de sua energia. Um tempo de relaxação em torno de 4 ps foi medido para os elétrons excitados em 720 nm, enquanto que para excitação em 800 nm, o tempo de relaxação ´e de 12 ps. Esse comportamento ´e atribuído a diferentes mecanismos de interação elétron-fônon. De modo que, para baixa energia de excitação, a interação Frohlich ´e dominante, enquanto que para alta energia de excitação o espalhamento “intervalley” desempenha o papel principal na relaxação energética dos elétrons. Além disso, as amostras com diferentes n´níveis de dopagem são consideradas para observar o efeito da dopagem na dinâmica dos elétrons, particularmente na relaxação de energia. Os dados não mostram mudanças consideráveis no tempo de relaxa¸c˜ao dos elétrons para diferentes n´níveis de dopagem. No entanto, fica a influência da concentração de portadores de carga excitados considerável no tempo de relaxação e na recuperação das mudanças induzidas nas propriedades ópticas. A alta concentração de portadores de carga fotoexcitados gera rápida relaxação energética dos elétrons e recuperação dos efeitos ópticos não lineares. Além disso, os efeitos da difusão dos portadores de carga são estudados através de simulações baseadas no modelo ambipolar. Os resultados da simulação mostram que os efeitos de difusão no GaAs são mais pronunciados no menor comprimento de onda em uma configuração degenerada de “pump-probe”.In this thesis, the dynamics of the photoexcited carriers in the bulk GaAs are investigated by a time-resolved differential reflectance method. The setup is mounted in a pump-probe configuration, with tunable wavelength and 100 fs pulse duration. Three bulk GaAs samples, each with different doping levels are considered in this work. The obtained data from the pump-probe spectroscopy reveal that the relaxation time of the excited electrons in the conduction band is highly dependent on the energy of the electrons. A relaxation time around 4 ps is measured for the electrons that are excited by 720 nm while for 800 nm excitation 12 ps relaxation time is recorded for the electrons. The behavior is attributed to different mechanisms of the electron-phonon interaction such that at the low excitation energy Frohlich interaction is dominant while in the higher energy excitation the intervalley scattering plays the principal role in the energy relaxation of the electrons. Besides, GaAs samples with different doping levels are considered to observe the effect of the doping in the dynamics of the electron, particularly the energy relaxation. The data show no considerable changes in the relaxation time of the electrons for different doping levels. However, the influences of the excited carrier concentration are considerable in the relaxation time and the recovery of the induced optical properties changes. The high concentration of the photoexcited carriers gives rise to a faster energy relaxation of the electrons and the recovery of nonlinear optical effects. Moreover, the effects of carrier diffusion are studied by performing simulations based on an ambipolar model. The simulation results show that the diffusion effects in GaAs are more pronounced at shorter wavelength in a degenerate pump-probe setup.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorengUniversidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)Programa de Pós-graduação em FísicaUFJFBrasilICE – Instituto de Ciências ExatasAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICAEspectroscopia “pump-probe”Refletividade diferencial resolvida no tempoGaAsInteração elétron-fônonPump-probe spectroscopyTime-resolved differential reflectivyGaAsElectronphonon interactionUltrafast dynamics of excited carriers in GaAs by a time-resolved differential reflectivityinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFJFinstname:Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)instacron:UFJFORIGINALhamidrezadarabian.pdfhamidrezadarabian.pdfPDF/Aapplication/pdf5218186https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/13008/1/hamidrezadarabian.pdfdde6671de0f48302d204e8641347a9f2MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8805https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/13008/2/license_rdfc4c98de35c20c53220c07884f4def27cMD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/13008/3/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD53TEXThamidrezadarabian.pdf.txthamidrezadarabian.pdf.txtExtracted texttext/plain255165https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/13008/4/hamidrezadarabian.pdf.txteded96f74cd97c0e29e38d0f7f1bce20MD54THUMBNAILhamidrezadarabian.pdf.jpghamidrezadarabian.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1257https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/13008/5/hamidrezadarabian.pdf.jpg7fe67331217ec49462d718fefd3fa0c4MD55ufjf/130082021-06-30 03:22:26.217oai:hermes.cpd.ufjf.br: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Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufjf.br/oai/requestopendoar:2021-06-30T06:22:26Repositório Institucional da UFJF - Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)false |
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