Disertacija skirta krūvininkų rekombinacijos tyrimams plačiatarpiuose nitridiniuose puslaidininkiuose bei jų dariniuose. Kompleksiniai eksperimentiniai tyrimai buvo atlikti naudojant kelias skirtingas metodikas. Atlikti krūvininkų dinamikos GaN sluoksniuose tyrimai labai žemų ir aukštų sužadinimų sąlygomis. Pasiūlytas naujas liuminescencijos gesimo kinetikų interpretavimo metodas, siejant liuminescencijos ir šviesa indukuotų dinaminių gardelių kinetikas. Naujas požiūris į geltonosios liuminescencijos juostą GaN sluoksniuose leido susieti geltonosios liuminescencijos intensyvumą su krūvininkų gyvavimo trukme. Skirtingomis technologijomis augintų AlGaN sluoksnių palyginimas suteikė informacijos apie juostos potencialo fliuktuacijas bei krūvininkų gyvavimo trukmę ribojančius veiksnius AlGaN medžiagose. Atskleista naujų krūvininkų dinamikos daugialakštėse AlGaN/AlGaN kvantinėse duobėse ypatumų – vidinio elektrinio lauko bei kvantinės duobės pločio fliuktuacijų sąlygotos lokalizacijos įtaka krūvininkų dinamikai. Dauguma tirtų bandinių buvo auginti naudojant MEMOCVDTM technologiją ir tyrimai patvirtino šios technologijos potencialą siekiant pagerinti medžiagų kokybę. / The thesis is dedicated to carrier recombination investigations in wide-band-gap semiconductors and their structures. The complex experimental studies were performed by combining several different techniques. Carrier dynamics in GaN epilayers were investigated under extremely low and high excitation conditions. A new method for interpreting photoluminescence decay kinetics was suggested by interrelating luminescence and light-induced grating decay transients. The new approach for studies of yellow band in GaN was shown by linking the carrier lifetime with yellow band intensity. Two AlGaN epilayers grown by different novel growth techniques were compared and the factors limiting carrier lifetime were identified. Moreover, more evidence on alloy mixing and band potential fluctuations in AlGaN was provided by our study. Essential knowledge was attained about carrier dynamics in high-Al-content AlGaN/AlGaN multiple quantum well structures: the influence of built-in electric field and carrier localization on carrier dynamics. Most of the samples under study were grown by MEMOCVDTM growth technique, and our study confirmed the high potential of this innovative growth technique for improving material quality.

The thesis is dedicated to carrier recombination investigations in wide-band-gap semiconductors and their structures. The complex experimental studies were performed by combining several different techniques. Carrier dynamics in GaN epilayers were investigated under extremely low and high excitation conditions. A new method for interpreting photoluminescence decay kinetics was suggested by interrelating luminescence and light-induced grating decay transients. The new approach for studies of yellow band in GaN was shown by linking the carrier lifetime with yellow band intensity. Two AlGaN epilayers grown by different novel growth techniques were compared and the factors limiting carrier lifetime were identified. Moreover, more evidence on alloy mixing and band potential fluctuations in AlGaN was provided by our study. Essential knowledge was attained about carrier dynamics in high-Al-content AlGaN/AlGaN multiple quantum well structures: the influence of built-in electric field and carrier localization on carrier dynamics. Most of the samples under study were grown by MEMOCVDTM growth technique, and our study confirmed the high potential of this innovative growth technique for improving material quality. / Disertacija skirta krūvininkų rekombinacijos tyrimams plačiatarpiuose nitridiniuose puslaidininkiuose bei jų dariniuose. Kompleksiniai eksperimentiniai tyrimai buvo atlikti naudojant kelias skirtingas metodikas. Atlikti krūvininkų dinamikos GaN sluoksniuose tyrimai labai žemų ir aukštų sužadinimų sąlygomis. Pasiūlytas naujas liuminescencijos gesimo kinetikų interpretavimo metodas, siejant liuminescencijos ir šviesa indukuotų dinaminių gardelių kinetikas. Naujas požiūris į geltonosios liuminescencijos juostą GaN sluoksniuose leido susieti geltonosios liuminescencijos intensyvumą su krūvininkų gyvavimo trukme. Skirtingomis technologijomis augintų AlGaN sluoksnių palyginimas suteikė informacijos apie juostos potencialo fliuktuacijas bei krūvininkų gyvavimo trukmę ribojančius veiksnius AlGaN medžiagose. Atskleista naujų krūvininkų dinamikos daugialakštėse AlGaN/AlGaN kvantinėse duobėse ypatumų – vidinio elektrinio lauko bei kvantinės duobės pločio fliuktuacijų sąlygotos lokalizacijos įtaka krūvininkų dinamikai. Dauguma tirtų bandinių buvo auginti naudojant MEMOCVDTM technologiją ir tyrimai patvirtino šios technologijos potencialą siekiant pagerinti medžiagų kokybę.

The thesis is aimed at gaining new knowledge on carrier localization and recombination in InGaN epilayers and structures by using photoluminescence spectroscopy with sub-micrometer spatial resolution. Optical characterization is combined with the structural analysis to provide a deeper insight into peculiarities of InGaN luminescence. Studies of InGaN epitaxial layers showed the relaxed layers to contain nanocolumn-like structures that additionally contribute to inhomogeneous photoluminescence distribution in InGaN layers. The feasibility of suppressing the defect-related emission in InGaN epilayers by laser annealing is demonstrated. The influence of unintentional annealing at elevated temperatures during fabrication of InGaN structures is revealed. A novel interpretation for negative correlation between photoluminescence intensity and band peak wavelength in high-indium-content InGaN multiple quantum wells is suggested. The enhancement of emission efficiency in InGaN quantum wells due to coupling of the optical dipole with localized surface plasmons in silver nanoparticles is investigated and the influence of potential fluctuations on the coupling with localized surface plasmons is revealed. / Disertacija yra skirta krūvininkų lokalizacijos ir rekombinacijos tyrimams InGaN epitaksiniuose sluoksniuose ir dariniuose panaudojant fotoliuminescencinę spektroskopiją su submikrometrine erdvine skyra. Optinius bandinių tyrimus papildo struktūrinė analizė. Darbe parodyta, jog relaksavusiuose InGaN sluoksniuose egzistuoja į nanokolonas panašūs dariniai, kurie papildomai prisideda prie netolygaus fotoliuminescencijos pasiskirstymo InGaN epitaksiniuose sluoksniuose. Pademonstruota galimybė nuslopinti priemaišinės kilmės liuminescenciją InGaN sluoksnyje jį iškaitinus lazerio spinduliuote. Atskleistas netyčinis InGaN darinių aktyviojo sluoksnio iškaitinimas, vykstantis formuojant p tipo sluoksnius, kuris keičia InGaN kvantinių darinių optines sąvybes. Išnagrinėta neigiama koreliacja tarp fotoliuminescencijos intensyvumo ir juostos viršūnės bangos ilgio InGaN kvantiniuose dariniuose ir pasiūlytas naujas šios ypatybės interpretavimo modelis. Lokaliai stebėtas liuminescencijos intensyvumo padidėjimas dėl sąveikos su lokalizuotais paviršiniais plazmonais, indukuotais sidabro nanodalelėse. Parodytas potencialo fliuktuacijų daromas poveikis rezonansinei sąveikai tarp optinių dipolių kvantinėse duobėse ir lokalizuotų paviršinių plazmonų.

Disertacija yra skirta krūvininkų lokalizacijos ir rekombinacijos tyrimams InGaN epitaksiniuose sluoksniuose ir dariniuose panaudojant fotoliuminescencinę spektroskopiją su submikrometrine erdvine skyra. Optinius bandinių tyrimus papildo struktūrinė analizė. Darbe parodyta, jog relaksavusiuose InGaN sluoksniuose egzistuoja į nanokolonas panašūs dariniai, kurie papildomai prisideda prie netolygaus fotoliuminescencijos pasiskirstymo InGaN epitaksiniuose sluoksniuose. Pademonstruota galimybė nuslopinti priemaišinės kilmės liuminescenciją InGaN sluoksnyje jį iškaitinus lazerio spinduliuote. Atskleistas netyčinis InGaN darinių aktyviojo sluoksnio iškaitinimas, vykstantis formuojant p tipo sluoksnius, kuris keičia InGaN kvantinių darinių optines sąvybes. Išnagrinėta neigiama koreliacja tarp fotoliuminescencijos intensyvumo ir juostos viršūnės bangos ilgio InGaN kvantiniuose dariniuose ir pasiūlytas naujas šios ypatybės interpretavimo modelis. Lokaliai stebėtas liuminescencijos intensyvumo padidėjimas dėl sąveikos su lokalizuotais paviršiniais plazmonais, indukuotais sidabro nanodalelėse. Parodytas potencialo fliuktuacijų daromas poveikis rezonansinei sąveikai tarp optinių dipolių kvantinėse duobėse ir lokalizuotų paviršinių plazmonų. / The thesis is aimed at gaining new knowledge on carrier localization and recombination in InGaN epilayers and structures by using photoluminescence spectroscopy with sub-micrometer spatial resolution. Optical characterization is combined with the structural analysis to provide a deeper insight into peculiarities of InGaN luminescence. Studies of InGaN epitaxial layers showed the relaxed layers to contain nanocolumn-like structures that additionally contribute to inhomogeneous photoluminescence distribution in InGaN layers. The feasibility of suppressing the defect-related emission in InGaN epilayers by laser annealing is demonstrated. The influence of unintentional annealing at elevated temperatures during fabrication of InGaN structures is revealed. A novel interpretation for negative correlation between photoluminescence intensity and band peak wavelength in high-indium-content InGaN multiple quantum wells is suggested. The enhancement of emission efficiency in InGaN quantum wells due to coupling of the optical dipole with localized surface plasmons in silver nanoparticles is investigated and the influence of potential fluctuations on the coupling with localized surface plasmons is revealed.

Disertacijoje nagrinėjamas galimas aplinkos poveikis organinių molekulių elektroninių būsenų savybėms. Tam tikslui yra naudojami kompiuterizuotieji kvantinės mechanikos metodai, kuriais remiantis nagrinėjamos įvairių molekulių savybės. Ištirtos 2-(N-metil-α-iminoethyl)-fenol ir N-triphenylmethylsalicylidene imine molekelulių, esančių poliniame tirpiklyje, struktūros pagrindinėje ir sužadintose elektroninėse būsenose. Pirmą kartą parodyta, kad, norint gauti teisingą kokybinį ir artimą kiekybiniam vidujmolekulinės protono pernašos potencinės energijos paviršių, būtina atsižvelgti į polinių tirpiklio molekulių kuriamą vandenilinių ryšių tinklą bei į nulinių svyravimų energijas. Pastarieji ir nulemia protono pernašos vyksmo kryptį bei efektyvumą. Parodyta, kad anilų klasės molekulių konformerų susiformavimas priklauso nuo tirpiklio poliškumo, o jų susidarymas savo ruožtu konkuruoja su klasterių iš tirpiklio molekulių susiformavimo galimybėmis. Pirmą kartą parodyta, kad dipolinio momento vertė bakteriorodopsine yra nulemta membranos paviršiuose esančių radikalų. Pademonstruota, kad stilbazolio molekulė deformuojasi ir sudaro naujus konformerus (pademonstruota dviejų formų atsiradimo galimybė) tik esant molekulėms tirpalo apsuptyje. Šis rezultatas paaiškino eksperimente stebimus skirtuminių spektrinių pokyčių evoliucijos prigimtį. Apskaičiuotos ir išanalizuotos karotinoidų - luteino, violaksantino ir zeaksantino molekulių - žemiausios sužadintos elektroninės būsenos. Parodyta... [toliau žr. visą tekstą] / To explore changes caused by the environment on the internal characteristics of an organic molecule is the objective of the thesis. For this purpose we investigate a variety of organic molecules. Using various methods of quantum mechanics calculations possible influence of a polar solvent on the ground and excited states of 2-(N-metil-α-iminoethyl)-fenol and N-triphenylmethylsalicylidene imine is considered. It is shown for the first time that in order to obtain the correct qualitative and quantitative interpretation of possible pathways of the intermolecular proton transfer the hydrogen network of the polar solvent molecules together with the zero point energy have to be taken into consideration. It is also shown that conformational variability of anil-type molecules in polar solvents is competing with clusters formation of solvent molecules. It is shown for the first time that the dipole moment of bacteriorhodopsin is mainly defined by cytoplasmic and extracellular coils on the surfaces of the membrane. It is also demonstrated that the stilbazole molecule experiences the deformation resulting in formation of new conformers (at least two forms are present) in the solvent surrounding. The experimental data of the transient spectroscopy were explained in the basis of these model calculations. The lowest excited states of carotinoids, such as lutein, zeaxanthin and violoxantin are calculated and analyzed. Sensitivity of the excited electronic state on the polar environment is... [to full text]

Elektroninio sužadinimo evoliucija šviesai jautriose molekulėse yra reiškinys, kuriuo remiantis įmanoma nagrinėti daugelį natūralių ir dirbtinių procesų: augalų ir bakterijų fotosintezę, regos mechanizmą, optomechaninių bei optoelektroninių prietaisų (pavyzdžiui, organinių šviestukų) veikimą. Teoriškai šis reiškinys modeliuojamas sprendžiant laikinę Šriodingerio lygtį. Deja, toks sprendimas realiems, praktiškai panaudojamiems junginiams šiandien yra per sudėtingas uždavinys, todėl jį tenka keisti supaprastinant nagrinėjamų junginių modelius arba sprendimo metodiką. Šioje disertacijoje aprašomų tyrimų tikslas buvo elektroninės struktūros skaičiavimų metodais (t. y. sprendžiant paprastesnę nuostoviąją Šriodingerio lygtį) ištirti elektroninio sužadinimo sukeltus procesus fotoaktyviose molekulėse ir sudaryti sužadinimo relaksaciją apibūdinančius potencinės energijos paviršių modelius. Parodoma, jog ta pačia metodika atliekamų tyrimų rezultatai paaiškina įvairiuose junginiuose vykstančius reiškinius: bakteriorodopsino baltymo funkcinės grupės vykdomą protono pernašą poliniame tirpiklyje, indolo-benzoksazino junginio optomechaninį ciklą, našią fosforescenciją organiniame silicio polimere bei šviestukams naudojamo metaloorganinio komplekso su prijungtomis krūvininkų pernašos grupėmis ypatybes. / Evolution of the electronic excitation is a general process that can be used to explain many natural and artificial phenomena, such as photosynthesis in plants and bacteria, biological mechanism of vision, and operating principles of optomechanical and optoelectronic devices. This process is theoretically modeled by solving the time-dependent Schroedinger equation. However, such treatment is too computationally expensive to be used for practical molecular systems. Therefore, either models of the structure of the systems or the solving procedure itself must be simplified to get the desired results. The main goal of the research presented in this dissertation was to study processes caused by the electronic excitation in photoactive molecules using computational methods of electronic structure (i. e. solving the simpler time-independent Schroedinger equation) and to construct the potential energy surface models describing the energy relaxation in the investigated molecules. It is shown that the results of different investigations performed using the same procedure provide explanations of different phenomena in various compounds, such as: proton transfer in polar solvent, performed by a functional group of the bacteriorhodopsin protein; optomechanical cycle of the indolo-benzoxazine compound; efficient phosphorescence of the silicon-based organic polymer; and optical properties of organometallic emitter compound with additional charge-carrier groups.

Evolution of the electronic excitation is a general process that can be used to explain many natural and artificial phenomena, such as photosynthesis in plants and bacteria, biological mechanism of vision, and operating principles of optomechanical and optoelectronic devices. This process is theoretically modeled by solving the time-dependent Schroedinger equation. However, such treatment is too computationally expensive to be used for practical molecular systems. Therefore, either models of the structure of the systems or the solving procedure itself must be simplified to get the desired results. The main goal of the research presented in this dissertation was to study processes caused by the electronic excitation in photoactive molecules using computational methods of electronic structure (i. e. solving the simpler time-independent Schroedinger equation) and to construct the potential energy surface models describing the energy relaxation in the investigated molecules. It is shown that the results of different investigations performed using the same procedure provide explanations of different phenomena in various compounds, such as: proton transfer in polar solvent, performed by a functional group of the bacteriorhodopsin protein; optomechanical cycle of the indolo-benzoxazine compound; efficient phosphorescence of the silicon-based organic polymer; and optical properties of organometallic emitter compound with additional charge-carrier groups. / Elektroninio sužadinimo evoliucija šviesai jautriose molekulėse yra reiškinys, kuriuo remiantis įmanoma nagrinėti daugelį natūralių ir dirbtinių procesų: augalų ir bakterijų fotosintezę, regos mechanizmą, optomechaninių bei optoelektroninių prietaisų (pavyzdžiui, organinių šviestukų) veikimą. Teoriškai šis reiškinys modeliuojamas sprendžiant laikinę Šriodingerio lygtį. Deja, toks sprendimas realiems, praktiškai panaudojamiems junginiams šiandien yra per sudėtingas uždavinys, todėl jį tenka keisti supaprastinant nagrinėjamų junginių modelius arba sprendimo metodiką. Šioje disertacijoje aprašomų tyrimų tikslas buvo elektroninės struktūros skaičiavimų metodais (t. y. sprendžiant paprastesnę nuostoviąją Šriodingerio lygtį) ištirti elektroninio sužadinimo sukeltus procesus fotoaktyviose molekulėse ir sudaryti sužadinimo relaksaciją apibūdinančius potencinės energijos paviršių modelius. Parodoma, jog ta pačia metodika atliekamų tyrimų rezultatai paaiškina įvairiuose junginiuose vykstančius reiškinius: bakteriorodopsino baltymo funkcinės grupės vykdomą protono pernašą poliniame tirpiklyje, indolo-benzoksazino junginio optomechaninį ciklą, našią fosforescenciją organiniame silicio polimere bei šviestukams naudojamo metaloorganinio komplekso su prijungtomis krūvininkų pernašos grupėmis ypatybes.

Disertacijoje nagrinėjamas galimas aplinkos poveikis organinių molekulių elektroninių būsenų savybėms. Tam tikslui yra naudojami kompiuterizuotieji kvantinės mechanikos metodai, kuriais remiantis nagrinėjamos įvairių molekulių savybės. Ištirtos 2-(N-metil-α-iminoethyl)-fenol ir N-triphenylmethylsalicylidene imine molekelulių, esančių poliniame tirpiklyje, struktūros pagrindinėje ir sužadintose elektroninėse būsenose. Pirmą kartą parodyta, kad, norint gauti teisingą kokybinį ir artimą kiekybiniam vidujmolekulinės protono pernašos potencinės energijos paviršių, būtina atsižvelgti į polinių tirpiklio molekulių kuriamą vandenilinių ryšių tinklą bei į nulinių svyravimų energijas. Pastarieji ir nulemia protono pernašos vyksmo kryptį bei efektyvumą. Parodyta, kad anilų klasės molekulių konformerų susiformavimas priklauso nuo tirpiklio poliškumo, o jų susidarymas savo ruožtu konkuruoja su klasterių iš tirpiklio molekulių susiformavimo galimybėmis. Pirmą kartą parodyta, kad dipolinio momento vertė bakteriorodopsine yra nulemta membranos paviršiuose esančių radikalų. Pademonstruota, kad stilbazolio molekulė deformuojasi ir sudaro naujus konformerus (pademonstruota dviejų formų atsiradimo galimybė) tik esant molekulėms tirpalo apsuptyje. Šis rezultatas paaiškino eksperimente stebimus skirtuminių spektrinių pokyčių evoliucijos prigimtį. Apskaičiuotos ir išanalizuotos karotinoidų - luteino, violaksantino ir zeaksantino molekulių - žemiausios sužadintos elektroninės būsenos. Parodyta... [toliau žr. visą tekstą] / To explore changes caused by the environment on the internal characteristics of an organic molecule is the objective of the thesis. For this purpose we investigate a variety of organic molecules. Using various methods of quantum mechanics calculations possible influence of a polar solvent on the ground and excited states of 2-(N-metil-α-iminoethyl)-fenol and N-triphenylmethylsalicylidene imine is considered. It is shown for the first time that in order to obtain the correct qualitative and quantitative interpretation of possible pathways of the intermolecular proton transfer the hydrogen network of the polar solvent molecules together with the zero point energy have to be taken into consideration. It is also shown that conformational variability of anil-type molecules in polar solvents is competing with clusters formation of solvent molecules. It is shown for the first time that the dipole moment of bacteriorhodopsin is mainly defined by cytoplasmic and extracellular coils on the surfaces of the membrane. It is also demonstrated that the stilbazole molecule experiences the deformation resulting in formation of new conformers (at least two forms are present) in the solvent surrounding. The experimental data of the transient spectroscopy were explained in the basis of these model calculations. The lowest excited states of carotinoids, such as lutein, zeaxanthin and violoxantin are calculated and analyzed. Sensitivity of the excited electronic state on the polar environment is... [to full text]

Disertacijoje nagrinėjamas galimas aplinkos poveikis organinių molekulių elektroninių būsenų savybėms. Tam tikslui yra naudojami kompiuterizuotieji kvantinės mechanikos metodai, kuriais remiantis nagrinėjamos įvairių molekulių savybės. Ištirtos 2-(N-metil-α-iminoethyl)-fenol ir N-triphenylmethylsalicylidene imine molekelulių, esančių poliniame tirpiklyje, struktūros pagrindinėje ir sužadintose elektroninėse būsenose. Pirmą kartą parodyta, kad, norint gauti teisingą kokybinį ir artimą kiekybiniam vidujmolekulinės protono pernašos potencinės energijos paviršių, būtina atsižvelgti į polinių tirpiklio molekulių kuriamą vandenilinių ryšių tinklą bei į nulinių svyravimų energijas. Pastarieji ir nulemia protono pernašos vyksmo kryptį bei efektyvumą. Parodyta, kad anilų klasės molekulių konformerų susiformavimas priklauso nuo tirpiklio poliškumo, o jų susidarymas savo ruožtu konkuruoja su klasterių iš tirpiklio molekulių susiformavimo galimybėmis. Pirmą kartą parodyta, kad dipolinio momento vertė bakteriorodopsine yra nulemta membranos paviršiuose esančių radikalų. Pademonstruota, kad stilbazolio molekulė deformuojasi ir sudaro naujus konformerus (pademonstruota dviejų formų atsiradimo galimybė) tik esant molekulėms tirpalo apsuptyje. Šis rezultatas paaiškino eksperimente stebimus skirtuminių spektrinių pokyčių evoliucijos prigimtį. Apskaičiuotos ir išanalizuotos karotinoidų - luteino, violaksantino ir zeaksantino molekulių - žemiausios sužadintos elektroninės būsenos. Parodyta... [toliau žr. visą tekstą] / To explore changes caused by the environment on the internal characteristics of an organic molecule is the objective of the thesis. For this purpose we investigate a variety of organic molecules. Using various methods of quantum mechanics calculations possible influence of a polar solvent on the ground and excited states of 2-(N-metil-α-iminoethyl)-fenol and N-triphenylmethylsalicylidene imine is considered. It is shown for the first time that in order to obtain the correct qualitative and quantitative interpretation of possible pathways of the intermolecular proton transfer the hydrogen network of the polar solvent molecules together with the zero point energy have to be taken into consideration. It is also shown that conformational variability of anil-type molecules in polar solvents is competing with clusters formation of solvent molecules. It is shown for the first time that the dipole moment of bacteriorhodopsin is mainly defined by cytoplasmic and extracellular coils on the surfaces of the membrane. It is also demonstrated that the stilbazole molecule experiences the deformation resulting in formation of new conformers (at least two forms are present) in the solvent surrounding. The experimental data of the transient spectroscopy were explained in the basis of these model calculations. The lowest excited states of carotinoids, such as lutein, zeaxanthin and violoxantin are calculated and analyzed. Sensitivity of the excited electronic state on the polar environment is... [to full text]