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Light scattering by a multicomponent plasma coupled with longitudinal-optical phonons Raman spectra of p-type GaAs Zn

Abstract

研究了 p-GaAs（掺 Zn）中的的声子、空穴、表面等离激元的耦合。 由于载流子浓度较大，只有一个这样耦合的峰。（为什么？ 使用 random phase approximation 从理论上估计了多种表面等离激元的拉曼散射的强度， 包括了轻重空穴带之间的与波矢有关的跃迁，以及这些带内部的跃迁。 有限时间效应通过 generalized Mermin 近似考虑。 理论估计的峰的形状与实验进行了比对，比对结果很好，并且不需要加入额外的拟合参数，只是由空穴浓度、迁移率。 低温时，带内跃迁不能忽略，导致峰展宽。 GaP 的峰受到温度的影响不同，我们也讨论了它的机制。

Introduction

对于n型的情况讨论得比较多。 前人讨论的都是高载流子迁移速率、低载流子有效质量的情况，在这种情况下 CPPM 会存在两个峰。 在载流子迁移速率较低、有效质量较大的情况下，只有一个峰（overdamped CPPM），这种情况讨论得较少。 这种情况下峰偏移和展宽都比较小，并且需要考虑声子（晶格振动）的寿命。

p型的情况更复杂。一方面载流子迁移率更低，一方面空穴往往分成几类分别作用。 对于 GaAs，只有 5% 是轻空穴。但由于它们的迁移率更高、激元的能量更小，它们对 CPPM 的贡献也同样重要。

有人研究了 p-GaAs（掺 Zn）中空穴浓度 10^{17}\sim10^{20} 时的 CPPM，它们解释它们的结果时认为，波矢不守恒和选择定则的破坏是因为离子杂质。

Raman-scattering efficiency

要计算拉曼散射的效率，我们要分两步走：

• 计算各种因素导致的电极化率变化。包括下面三种：

  • 声子（原子位移）导致的晶格中周期性势能的变化，进一步导致的电子分布变化，于是导致电极化率变化。
  • 声子本身带有极化，这个极化导致的电子重新分布，进一步导致的电极化率变化
  • 掺杂导致半满带产生，其中的载流子（即空穴）导致的电极化率变化。

• 由电极化率的变化，来计算拉曼散射的效率。

对于后者的推导，没有详细展开，只提到其中的积分使用涨落-耗散定理推导和任意相位近似。具体情况需要在别的地方看。

对于前者中的三种情况 ，它讨论了下面两个因素：

• 声子直接造成的极化，这会出现在第一和第二种情况中，记为 $P_o$。
• 由于载流子造成的极化，这会出现在第二和第三种情况中，记为 $P_i$。
• 除此以外，在第二种情况中，还存在已有的电子屏蔽这个极化的效应，因此还需要再乘上一个系数。

将这三种因素加起来，就是总的极化率的变化。

最终的结果是，通常情况下，CPPM 有两部分组成，一部分是声子的贡献，是实数，一部分是电荷密度的抖动造成的影响，是虚数，两者可以直接相加。但如果激光的能量接近禁带的能量，就会有别的效应；在我们的论文中避免了这种情况。

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