Cálculo e determinação experimental da energia de ligação excitônica em poços quânticos simples e duplos de AlGaAs/GaAs

Este trabalho objetiva o cálculo e a determinação experimental da energia de ligação excitônica em poços quânticos simples e duplos. Foram estudadas duas amostras, as quais possuem, no total, um poço quântico simples e três poços quânticos duplos de Al0.25Ga0.75As/GaAs com diferentes espessuras de barreira central. Nos poços duplos, o material da barreira central é constituído do mesmo material das barreiras laterais. Para todas as estruturas foram determinados, teoricamente, os níveis de energia para elétrons e buracos, a energia de ligação excitônica para o estado 1S, a dimensionalidade do sistema e as energias das transições óticas permitidas pela regra de seleção. O cálculo da energia de ligação excitônica e da dimensionalidade foi realizado utilizando o modelo de cálculo proposto por Mathieu et al. [1], dentro do formalismo do espaço dimensional fracionário. Para a determinação experimental da energia da transição ótica e da energia de ligação excitônica, foram feitas medidas de fotoluminescência e magneto-fotoluminescência a baixas temperaturas. Os espectros de fotoluminescência obtidos a 10 K permitiram a obtenção do valor experimental das energias de transição das estruturas. Já os espectros de magneto-fotoluminescência obtidos a 4 K, com campo magnético variando entre 0 Te 12 T, foram utilizados na obtenção das curvas de deslocamento diamagnético em função do campo magnético aplicado. Ajustando estas curvas com modelos adequados para campos de alta e baixa intensidade foi possível a determinação experimental da dimensionalidade, da massa reduzida efetiva e da energia de ligação excitônica do estado 1S para todos os poços. Os cálculos teóricos da energia de ligação excitônica, da dimensionalidade e da energia de transição apresentam concordância muito boa com os resultados experimentais e, de forma geral, mostram que quanto mais espessa é a barreira central nos poços duplos, maior é o confinamento dos portadores, gerando um aumento na energia de ligação excitônica e uma diminuição da dimensionalidade do sistema. Assim, constata-se que o método MLC de cálculo de energia de ligação de éxcitons pode ser aplicado a poços quânticos simples e duplos, o que simplifica consideravelmente a determinação deste parâmetro.This work aims the calculation and the experimental determination of the excitonic binding energy in simple and double quantum wells. Two samples, which have in total one single quantum well and three Al0.25Ga0.75As/GaAs double quantum wells, were investigated. In the double quantum wells, the central barrier material is constituted of the same material as the lateral barriers. It was theoretically determined for all structures the energy levels for electrons and holes, the 1S excitonic binding energy, the system dimensionality and the energies of the optical transitions allowed by the selection rule. The calculation of the excitonic binding energy and of the dimensionality was accomplished using the MLC calculation model, in the fractional dimension approach. For the experimental determination of the optical transition energy and of the excitonic binding energy, photoluminescence and magnetophotoluminescence measurements were carried out at low temperatures. The photoluminescence spectra obtained at 10 K allowed the experimental determination of the value for the transition energy values for all the structures. The magnetophotoluminescence spectra obtained at 4 K, with magnetic field ranging between 0 T and 12 T, were used to the obtain the diamagnetic shift curves as a function of the applied magnetic field. Through the fitting of these curves with appropriated models for high and low field intensities, it was possible to determine experimentally the dimensionality, the effective mass and the 1S excitonic binding energy. The theoretical calculations for the excitonic binding energy, for the dimensionality and for the transition energy present a very good agreement with the experimental results and, in a general way, they show that with an increase in the central barrier thickness of the double wells there is an increase in the confinement degree of the carriers, what increases the excitonic binding energy and reduces the system dimensionality. Therefore, it is verified that the MLC method for calculating the exciton binding energies can be applied to single and double quantum wells, what simplifies considerably the determination of this parameter