We investigate ionization and high harmonic generation (HHG) from the interaction of a mid infra-red laser pulse with a solid state system confined to nano-dimensions. The theory of strong field processes in solids is developed for confined quantum systems in general. Here it is applied to two-dimensional quantum wires with a driving field linearly polarised along the axis of the wires. Our findings indicate that that we are able to control the ionization and high-harmonic output by altering the width of the wire. Control of ionization leads to an increased damage threshold which has important implications for nano-engineering and realizing all solid state coherent XUV sources.

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<p>We study the spin polarization and conductance in infinitely long quasi one-dimensionalquantum wires under various conditions in an attempt to reproduce and to explain some of theanomalous conductance features as seen in various experiments. In order to accomplish thistask we create an idealized model of a quantum wire in a split-gate semiconductorheterostructure and we perform self-consistent Hartree-Fock calculations to determine theelectron occupation and spin polarization. Based on those results we calculate the currentthrough the wire as well as the direct and differential conductances. In the frame of theproposed model the results show a high degree of similarity to some of the experimentallyobserved conductance features, particularly the 0.25- and 0.85-plateaus. These results lead usto the conclusion that those conductance anomalies are in fact caused by the electronsspontaneously polarizing due to electron-electron interactions when an applied potentialdrives a current through the wire.</p>

We study the spin polarization and conductance in infinitely long quasi one-dimensionalquantum wires under various conditions in an attempt to reproduce and to explain some of theanomalous conductance features as seen in various experiments. In order to accomplish thistask we create an idealized model of a quantum wire in a split-gate semiconductorheterostructure and we perform self-consistent Hartree-Fock calculations to determine theelectron occupation and spin polarization. Based on those results we calculate the currentthrough the wire as well as the direct and differential conductances. In the frame of theproposed model the results show a high degree of similarity to some of the experimentallyobserved conductance features, particularly the 0.25- and 0.85-plateaus. These results lead usto the conclusion that those conductance anomalies are in fact caused by the electronsspontaneously polarizing due to electron-electron interactions when an applied potentialdrives a current through the wire.

BATISTA JÚNIOR, Francisco Florêncio. Propriedades de transportes em fios e poços quânticos. 2009. 73 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2009. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-05-04T19:05:12Z No. of bitstreams: 1 2009_dis_ffbatistajunior.pdf: 2157799 bytes, checksum: 21fa9e91409293ec4b1914c4cd297c44 (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-05-07T14:47:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_dis_ffbatistajunior.pdf: 2157799 bytes, checksum: 21fa9e91409293ec4b1914c4cd297c44 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-07T14:47:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_dis_ffbatistajunior.pdf: 2157799 bytes, checksum: 21fa9e91409293ec4b1914c4cd297c44 (MD5) Previous issue date: 2009 / Semiconductor materials are responsible for the large development in electronic industry, what made it possible the creation of new devices. The heterostructures gave a large impulse to the solid-state physics. Semiconductors study is nowadays concentrated in the low-dimensional systems, as quantum wells, quantum wires, quantum dots and quantum rings. In this work, we investigate the transport properties of heterostructured quantum wires of double barrier. We begin with calculation of radial confinement energy in a quantum wire InAs/InP of double barrier. We use a cylindrical model of wire with gradual and abrupt nterfaces. Transmission coefficients are calculated. We study its behavior varying barriers width, distance between them and the wire radius. In the future, we will use these results to calculate electric current through the device. We also investigate transport properties of bidimensional systems with self-energy potential. We use heterostructures of Si/SiO2 and Si/HfO2. We solve Poisson’s equation with epsilon depending on z, expanding the potential in a Fourier-Bessel series, finding the image potential of the barriers. We calculate the electric current through this potential in function of the applied voltage, varying temperature and the distance between the barriers. We also consider gradual interfaces for the simple barrier case. / Materiais semicondutores são os principais responsáveis pelo grande crescimento da indústria eletrônica e pelo surgimento de novas tecnologias. A criação de heteroestruturas possibilitou um grande impulso à física do estado sólido. Atualmente, o estudo de semicondutores está concentrado em sistemas de dimensionalidade reduzida, como os poços, fios, pontos e aneis quânticos. Neste trabalho, investigamos as propriedades de transporte em fios quânticos heteroestruturados de barreira dupla e em sistemas bidimensionais de barreira simples e dupla. Iniciamos com o cálculo da energia do confinamento radial no fio quântico InAs/InP de barreira dupla. Usamos um modelo de fio cilíndrico com e sem interfaces graduais. Calculamos as transmissões através das barreiras e estudamos o comportamento das mesmas variando a largura das barreiras, a distância entre elas e o raio do fio. Futuramente utilizaremos estes resultados para o cálculo da corrente elétrica através do dispositivo. Também investigamos as propriedades de transporte em sistemas bidimensionais com potencial de auto-energia. Utilizamos heteroestruturas formadas por Si/SiO2 e Si/HfO2. Sendo as constantes dielétricas dos óxidos diferentes do silício, resolvemos a equação de Poisson com epsilon dependente de z. Expandimos o potencial em uma série de Fourier-Bessel, encontrando, por fim, o potencial imagem para as barreiras. Calculamos a corrente elétrica através deste potencial em função da voltagem, variando a temperatura, a distância entre as barreiras. Também levamos em conta as interfaces graduais para o caso de barreira simples.

<p> Semiconductor quantum wire (QWR) structure is a promising candidate for potential applications in long wavelength laser devices. In this thesis, the investigations were focused on the growth and characterization on the structural and optical properties of InAs quantum wires deposited on InGaAlAs lattice matched with InP substrate by gas source molecular beam epitaxy. </p> <P> The practical growth parameters were first determined by studying the samples containing single InAs layer embedded within Ino.s3Gll{)_37Alo.10As barrier layers. These parameters were then employed for fabricating multilayer quantum wires with different (1) spacer layer thicknesses; (2) quantum wire layer thicknesses; and (3) different Al concentrations in the spacer/barrier layer materials. </P> <P>Structural properties of the quantum wires were characterized by (scanning) transmission electron microscopy based techniques. The composition variation, elastic field and the variation of QWR stacking patterns in multilayer samples were qualitatively studied through diffraction contrast imaging. Quantification of the In distribution in individual QWRs and the QWR-induced In composition modulation in barrier layers were obtained by electron energy loss spectrometry and energy dispersive X-ray spectrometry, respectively. These experimentally observed structural features were explained through finite element simulations. </P> <P> The optical properties of the QWR structures were studied by photoluminescence. Optical emission at room temperature was achieved from selected multilayer QWR samples after etching and rapid thermal annealing. The emission wavelength ranging from 1.53 to 1.72 μm makes the QWR structure suitable candidates for laser device applications. </P> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

OLIVEIRA, Claudio Lucas Nunes de. Excitons em Sistemas Quânticos 0-2D. 2005. 116 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2005. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-05-07T17:09:25Z No. of bitstreams: 1 2005_dis_clnoliveira.pdf: 1729842 bytes, checksum: 61191dfaedb56331176b4cb1c951e7e7 (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-05-07T17:23:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2005_dis_clnoliveira.pdf: 1729842 bytes, checksum: 61191dfaedb56331176b4cb1c951e7e7 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-07T17:23:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2005_dis_clnoliveira.pdf: 1729842 bytes, checksum: 61191dfaedb56331176b4cb1c951e7e7 (MD5) Previous issue date: 2005 / In the last few decades the physics of low dimensional semiconductor systems have attracted much attention due to the potential applications that arise from their due to electronic and optical properties. For example, InGaAs and InGaAsP heterostructures are currently used in optoelectronic applications that operate in the infrared spectrum. In such systems, the con_nement of charges can be realized in one, two or in three dimensions. The optical properties of quantum con_nement systems are basically determined by electronic transitions. Excitons, formed by an electron-hole pair bounded by coulombic interaction, are the responsible for the emission wavelenght. The aim of this work is to computer the ground state exciton energies in quantum wells, cylindrical quantum wires and pyramidal quantum dots as a function of the their size and shape. The results show that the exciton energies of In0:4Ga0:6As/GaAs quantum wells and wires are in the range from 0.9 to 1.3 eV. The results of In0:4Ga0:6As/GaAs pyramidal quantum dots show that the e-lh (e-hh) recombination energies are approximately 1.3-1.4 (1.18-1.28) eV. / A física de sistemas semicondutores de baixa dimensionalidade tem evoluído bastante nas últimas décadas. Em parte, porque essas estruturas oferecem a oportunidade de testarmos vários modelos teóricos, mas também porque existe um grande potencial de aplicação tecnológica derivada das propriedades de tais estruturas e dos materiais que a formam. Como exemplo, temos as heteroestruturas semicondutoras formadas com os materiais InGaAs e InGaAsP que são de grande utilidade em dispositivos optoeletrônicos emitindo na região do infravermelho. Nesses sistemas podemos fazer um confinamento dos portadores de carga, como elétrons e buracos, em uma, duas ou em três direções, aos quais são chamados de poço (2D), fio (1D) e ponto quântico (0D), respectivamente. As propriedades óticas dos semicondutores são determinadas pelos autovalores e autovetores do movimento dos elétrons e buracos. Os excitons que é o par elétron-buraco interagindo entre si são os maiores responsáveis pela emissão (pico da fotoluminescência) em sistemas de confinamento em semicondutores. A interação colombiana e o tipo de confinamento imposto pela construção dessas estruturas junto com suas interfaces graduais afeta o movimento desses portadores. O nosso objetivo neste trabalho é calcular a energia de emissão dos excitons elétron-buraco leve e elétron-buraco pesado em poços, fios cilíndricos e em pontos quânticos piramidais em função de seus parâmetros de dimensionalidade. Os resultados obtidos mostram as energias do exciton no poço e no fio quântico In0.4Ga0.6As/GaAs na mesma ordem de grandeza, estando na faixa de 0.9 à 1.3 eV. Para o ponto piramidal, as energias de recombinação do par e-hh (e-lh) estão na faixa de 1.3-1.4 (1.18-1.28) eV.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / In the last few decades the physics of low dimensional semiconductor systems have attracted much attention due to the potential applications that arise from their due to electronic and optical properties. For example, InGaAs and InGaAsP heterostructures are currently used in optoelectronic applications that operate in the infrared spectrum. In such systems, the con_nement of charges can be realized in one, two or in three dimensions. The optical properties of quantum con_nement systems are basically determined by electronic transitions. Excitons, formed by an electron-hole pair bounded by coulombic interaction, are the responsible for the emission wavelenght. The aim of this work is to computer the ground state exciton energies in quantum wells, cylindrical quantum wires and pyramidal quantum dots as a function of the their size and shape. The results show that the exciton energies of In0:4Ga0:6As/GaAs quantum wells and wires are in the range from 0.9 to 1.3 eV. The results of In0:4Ga0:6As/GaAs pyramidal quantum dots show that the e-lh (e-hh) recombination energies are approximately 1.3-1.4 (1.18-1.28) eV / A fÃsica de sistemas semicondutores de baixa dimensionalidade tem evoluÃdo bastante nas Ãltimas dÃcadas. Em parte, porque essas estruturas oferecem a oportunidade de testarmos vÃrios modelos teÃricos, mas tambÃm porque existe um grande potencial de aplicaÃÃo tecnolÃgica derivada das propriedades de tais estruturas e dos materiais que a formam. Como exemplo, temos as heteroestruturas semicondutoras formadas com os materiais InGaAs e InGaAsP que sÃo de grande utilidade em dispositivos optoeletrÃnicos emitindo na regiÃo do infravermelho. Nesses sistemas podemos fazer um confinamento dos portadores de carga, como elÃtrons e buracos, em uma, duas ou em trÃs direÃÃes, aos quais sÃo chamados de poÃo (2D), fio (1D) e ponto quÃntico (0D), respectivamente. As propriedades Ãticas dos semicondutores sÃo determinadas pelos autovalores e autovetores do movimento dos elÃtrons e buracos. Os excitons que à o par elÃtron-buraco interagindo entre si sÃo os maiores responsÃveis pela emissÃo (pico da fotoluminescÃncia) em sistemas de confinamento em semicondutores. A interaÃÃo colombiana e o tipo de confinamento imposto pela construÃÃo dessas estruturas junto com suas interfaces graduais afeta o movimento desses portadores. O nosso objetivo neste trabalho à calcular a energia de emissÃo dos excitons elÃtron-buraco leve e elÃtron-buraco pesado em poÃos, fios cilÃndricos e em pontos quÃnticos piramidais em funÃÃo de seus parÃmetros de dimensionalidade. Os resultados obtidos mostram as energias do exciton no poÃo e no fio quÃntico In0.4Ga0.6As/GaAs na mesma ordem de grandeza, estando na faixa de 0.9 à 1.3 eV. Para o ponto piramidal, as energias de recombinaÃÃo do par e-hh (e-lh) estÃo na faixa de 1.3-1.4 (1.18-1.28) eV.

Materiais semicondutores sÃo os principais responsÃveis pelo grande crescimento da indÃstria eletrÃnica e pelo surgimento de novas tecnologias. A criaÃÃo de heteroestruturas possibilitou um grande impulso à fÃsica do estado sÃlido. Atualmente, o estudo de semicondutores està concentrado em sistemas de dimensionalidade reduzida, como os poÃos, fios, pontos e aneis quÃnticos. Neste trabalho, investigamos as propriedades de transporte em fios quÃnticos heteroestruturados de barreira dupla e em sistemas bidimensionais de barreira simples e dupla. Iniciamos com o cÃlculo da energia do confinamento radial no fio quÃntico InAs/InP de barreira dupla. Usamos um modelo de fio cilÃndrico com e sem interfaces graduais. Calculamos as transmissÃes atravÃs das barreiras e estudamos o comportamento das mesmas variando a largura das barreiras, a distÃncia entre elas e o raio do fio. Futuramente utilizaremos estes resultados para o cÃlculo da corrente elÃtrica atravÃs do dispositivo. TambÃm investigamos as propriedades de transporte em sistemas bidimensionais com potencial de auto-energia. Utilizamos heteroestruturas formadas por Si/SiO2 e Si/HfO2. Sendo as constantes dielÃtricas dos Ãxidos diferentes do silÃcio, resolvemos a equaÃÃo de Poisson com epsilon dependente de z. Expandimos o potencial em uma sÃrie de Fourier-Bessel, encontrando, por fim, o potencial imagem para as barreiras. Calculamos a corrente elÃtrica atravÃs deste potencial em funÃÃo da voltagem, variando a temperatura, a distÃncia entre as barreiras. TambÃm levamos em conta as interfaces graduais para o caso de barreira simples. / Semiconductor materials are responsible for the large development in electronic industry, what made it possible the creation of new devices. The heterostructures gave a large impulse to the solid-state physics. Semiconductors study is nowadays concentrated in the low-dimensional systems, as quantum wells, quantum wires, quantum dots and quantum rings. In this work, we investigate the transport properties of heterostructured quantum wires of double barrier. We begin with calculation of radial confinement energy in a quantum wire InAs/InP of double barrier. We use a cylindrical model of wire with gradual and abrupt nterfaces. Transmission coefficients are calculated. We study its behavior varying barriers width, distance between them and the wire radius. In the future, we will use these results to calculate electric current through the device. We also investigate transport properties of bidimensional systems with self-energy potential. We use heterostructures of Si/SiO2 and Si/HfO2. We solve Poissonâs equation with epsilon depending on z, expanding the potential in a Fourier-Bessel series, finding the image potential of the barriers. We calculate the electric current through this potential in function of the applied voltage, varying temperature and the distance between the barriers. We also consider gradual interfaces for the simple barrier case.

[pt] As premências da sociedade contemporânea têm dependido gradativamente mais do uso de dispositivos optoeletrônicos como solução para o aperfeiçoamento de inúmeras aplicações diárias. Notadamente na última década, áreas como a de geração de energia elétrica com células solares inorgânicas ou a de computação com o advento de computadores quânticos baseados em fótons únicos têm acumulado muitos investimentos em pesquisa. Este trabalho visa estudar e definir os parâmetros necessários para a produção de pontos quânticos (QD, do inglês Quantum Dot) de semicondutores III-V com o objetivo de aplicá-los como material ativo para células solares de banda intermediária (IBSC, do inglês Intermediate Band Solar Cell) e para emissores de fótons únicos quando inseridos em nanofios (QD-in-NW, do inglês QD in Nanowire). Para a aplicação em IBSC, os pontos quânticos são produzidos auto organizadamente pelo modo Stranski-Krastanow. A estrutura de banda do IBSC requer um poço de potencial fundo o suficiente para gerar 3 absorções em paralelo de fótons com energias distintas (um proveniente da energia de gap do material da barreira, um da absorção banda-banda do poço de potencial e o terceiro da absorção intra-banda do poço na banda de condução). Os materiais escolhidos foram barreiras de AlxGa1-xAs e poço de InAs crescidos sobre um substrato de GaAs(100). Os resultados do crescimento dessa estrutura foram analisados por microscopia de força atômica (AFM, do inglês atomic force microscopy), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e fotoluminescência (PL, do inglês photoluminescence). Para a aplicação em emissores de fótons únicos, os QDs (de InxGa1-xAs) são crescidos axialmente sobre nanofios de GaAs em substrato de GaAs(111)B. A técnica de crescimento escolhida neste caso foi o crescimento seletivo (SAG, do inglês selective area growth) que traz muitas vantagens com relação à qualidade cristalina e futuras litografias para fabricação do dispositivo. Tal técnica consiste na aplicação de uma máscara sobre o substrato com buracos nanométricos dentro dos quais a epitaxia ocorre exclusivamente. Os resultados de crescimento da estrutura foram analisados por MEV, MET, PL e espectroscopia de raios X por dispersão em energia (EDX, do inglês Energy-dispersive X-ray Spectroscopy). Em ambos os casos, o crescimento das estruturas finais foi otimizado. Foi possível obter correlações da influência de cada parâmetro de crescimento na morfologia, cristalinidade e composição das estruturas. No caso dos QDs para IBSC, o método usado de recobrimento por In-flush foi determinante para a melhoria da qualidade cristalina das camadas e da homogeneização da altura dos QDs. No caso da estrutura de QD-in-NW, primeiro precisou-se encontrar os parâmetros de crescimento dos nanofios para atingir uma razão de aspecto alta, e só posteriormente estudou-se as condições para que o InAs crescesse axialmente sobre o nanofio. As caracterizações, principalmente a ótica, de ambos os trabalhos indicam que as estruturas propostas foram produzidas. / [en] In contemporary society the dependence on optoelectronic devices for countless daily applications has increased gradually. Particularly in the last decade fields such as energy generation through inorganic solar cells or quantum computation based in exchange of single photons has been heavily funded for their development. The aim of this thesis is defining the production parameters needed to fabricate quantum dots (QD) based on III-V semiconductors with planar geometry for intermediate band solar cell (IBSC) and with nanowire geometry (quantum dot in nanowire, QD-in-NW) for single photon emitter applications. For IBSC, the QDs are generated via self-assembly by Stranski-Krastanow mode. The IBSC s band structure requires a potential well deep enough to have 3 parallel photon absorption in different energy ranges (one is the barrier s energy gap, another is from the valence band to the intermediate band and the third one is from the intermediate band to the top of the barrier). The selected materials were AlxGa1-xAs as barriers, InAs as well, all grown on GaAs(100) substrate. The growth results were analysed by atomic force microscopy (AFM), scanning eléctron microscopy (SEM), transmission eléctron microscopy (TEM) and photoluminescence (PL). For the single photon emitters, the QDs (InxGa1-xAs) are grown axially over GaAs nanowires on a GaAs(111)B substrate. The chosen growth technique was the selective area growth (SAG) that brings many advantages in crystal quality and device lithography. This technique consists of applying a mask over the substrate with nanometric holes inside which the epitaxy occurs. The results were analysed by SEM, TEM, PL and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). In both cases, the growth of the structures were optimized for better quality. The growth parameters could be correlated with the structure’s morfology, cristalinity and composition. For the IBSC, a capping method named In-flush was used to increase the crystal quality from the layers and the homogeneity from the QD s heights. For the QD-in-NW, firstly the nanowire s growth was optimized for higher aspect ratio and only then the growth of the InAs QD was optimized for axial growth over the nanowire. In both cases the optical measurements show that the proposed structures were grown successfully.