Поверхностная люминесценция квантовых точек
Ученые ФИАН и МГУ им. М.В.Ломоносова впервые описали природу явления и возможные способы управления примесной люминесценцией, что открывает возможности для создания белых светодиодов или элементов квантовой электроники нового типа.
На рисунке - спектры фотолюминесценции полупроводниковых нанокристаллов CdS с шагом по температуре около 30К.
Люминесценция или свечение вещества после поглощения энергии возбуждения была главным направлением деятельности основателя ФИАН С.И. Вавилова. Сегодня сотрудники отдела люминесценции им. С.И. Вавилова ФИАН и факультета наук о материалах МГУ исследуют свойства квантовых точек, использующихся в составе разного рода излучателей.
Механизм люминесценции в твердом теле различается в зависимости от того, происходит она с участием электронной подсистемы всего кристалла или же внутри примесного центра. Что касается первого типа, межзонной люминесценции, обусловленной электронными переходами между валентной зоной и зоной проводимости, то она уже хорошо и подробно изучена. Однако с уменьшением размеров светоизлучающих нанокристаллов роль межзонной люминесценции заметно снижается - начинает доминировать примесная люминесценция, обусловленная электронными переходами между зонами и донорно-акцепторными уровнями примесных и поверхностных атомов. Цельного представления о природе этого явления пока не существует. Между тем, исследования примесной люминесценции и выявление возможностей управления ее характеристиками способны помочь в создании новых органических светоизлучающих диодов и элементов квантовой электроники. Оптики давно мечтают о создании источника белого света, идентичного естественному. Сейчас он получается лишь при комбинации излучателей красных, зеленых и синих цветов, а с грамотным использованием широкого спектра поверхностной люминесценции источники белого света можно будет получать на основе одного вещества.
«Люминесценцию кристаллов CdS изучают со середины ХХ века. Конечно, все это время исследовались в основном не квантовые точки, а обычные монокристаллы, но в них тоже наблюдалась достаточно интенсивная примесная люминесценция. Правда, что с ней дальше делать - оставалось непонятным, - рассказывает один из авторов исследовательской работы Алексей Кацаба - студент 5 курса МФТИ, работающий в отделе Люминесценции ФИАН под руководством д.ф.-м.н. Алексея Витухновского, - Мы же предлагаем некоторое развитие темы. Наши образцы выращены методом коллоидной химии, у них большая примесная люминесценция, имеющая сложную структуру и температурные зависимости, которые мы связываем с передачей энергии между уровнями, отвечающими за свечение поверхностных состояний. Таких результатов с четкой структурой примесной люминесценции раньше не наблюдалось».
Оптические свойства полупроводниковых нанокристаллов сейчас исследуются практически повсеместно и находят свое применение в разнообразных органических светодиодах, биологических маркерах, лазерах или элементах квантовой электроники. В большинстве случаев люминесценция полупроводников определяется межзонными переходами, и поэтому ее цвет можно контролировать, изменяя размеры нанокристаллов. Однако с их уменьшением на поверхность все больше выходят различные дефекты и примеси образцов, увеличивается и доля поверхностных атомов. Все это приводит к проявлению примесной люминесценции, свойства которой остаются неизученными.
В своей работе исследователи изучали наночастицы CdS характерных размеров в 4-5 нм. Они были получены из пересыщенного раствора высококипящего неполярного растворителя и дополнительно стабилизированы олеиновой кислотой. Такая обработка должна была связать поверхностные состояния и погасить примесную люминесценцию, но анализ образцов показал, что на поверхности наночастиц в изобилии остались непрореагировавшие участки. Поэтому полученная взвесь нанокристаллов в растворе излучала желтый свет, что по спектрам соответствовало примесной люминесценции. При этом на спектрах также присутствует и основной, малый по интенсивности, межзонный пик люминесценции на длинах волн синего цвета. Широкая же примесная область является суперпозицией трех отдельных пиков, поведение которых с изменением температуры различается. «Пик, связанный с зоной внутри квантовой точки, смещается с таким же характером, как межзонный экситонный переход. Получается, что некоторые переходы и линии в примесном спектре тоже зависят от размера квантовой точки. С изменением размера полоса будет сдвигаться. Об этом говорят и температурные зависимости», - объясняет Алексей Кацаба. На основе этих термических зависимостей спектров и кинетических кривых фотолюминесценции удалось построить модель энергетических уровней и переходов, отвечающих за оптические свойства образцов. Результаты исследования планируется опубликовать в Journal of Chemical Physics.
Автор: По материалам АНИ «ФИАН-информ»
Источник: www.nkj.ru, www.fian-inform.ru
На рисунке - спектры фотолюминесценции полупроводниковых нанокристаллов CdS с шагом по температуре около 30К.
Люминесценция или свечение вещества после поглощения энергии возбуждения была главным направлением деятельности основателя ФИАН С.И. Вавилова. Сегодня сотрудники отдела люминесценции им. С.И. Вавилова ФИАН и факультета наук о материалах МГУ исследуют свойства квантовых точек, использующихся в составе разного рода излучателей.
Механизм люминесценции в твердом теле различается в зависимости от того, происходит она с участием электронной подсистемы всего кристалла или же внутри примесного центра. Что касается первого типа, межзонной люминесценции, обусловленной электронными переходами между валентной зоной и зоной проводимости, то она уже хорошо и подробно изучена. Однако с уменьшением размеров светоизлучающих нанокристаллов роль межзонной люминесценции заметно снижается - начинает доминировать примесная люминесценция, обусловленная электронными переходами между зонами и донорно-акцепторными уровнями примесных и поверхностных атомов. Цельного представления о природе этого явления пока не существует. Между тем, исследования примесной люминесценции и выявление возможностей управления ее характеристиками способны помочь в создании новых органических светоизлучающих диодов и элементов квантовой электроники. Оптики давно мечтают о создании источника белого света, идентичного естественному. Сейчас он получается лишь при комбинации излучателей красных, зеленых и синих цветов, а с грамотным использованием широкого спектра поверхностной люминесценции источники белого света можно будет получать на основе одного вещества.
«Люминесценцию кристаллов CdS изучают со середины ХХ века. Конечно, все это время исследовались в основном не квантовые точки, а обычные монокристаллы, но в них тоже наблюдалась достаточно интенсивная примесная люминесценция. Правда, что с ней дальше делать - оставалось непонятным, - рассказывает один из авторов исследовательской работы Алексей Кацаба - студент 5 курса МФТИ, работающий в отделе Люминесценции ФИАН под руководством д.ф.-м.н. Алексея Витухновского, - Мы же предлагаем некоторое развитие темы. Наши образцы выращены методом коллоидной химии, у них большая примесная люминесценция, имеющая сложную структуру и температурные зависимости, которые мы связываем с передачей энергии между уровнями, отвечающими за свечение поверхностных состояний. Таких результатов с четкой структурой примесной люминесценции раньше не наблюдалось».
Оптические свойства полупроводниковых нанокристаллов сейчас исследуются практически повсеместно и находят свое применение в разнообразных органических светодиодах, биологических маркерах, лазерах или элементах квантовой электроники. В большинстве случаев люминесценция полупроводников определяется межзонными переходами, и поэтому ее цвет можно контролировать, изменяя размеры нанокристаллов. Однако с их уменьшением на поверхность все больше выходят различные дефекты и примеси образцов, увеличивается и доля поверхностных атомов. Все это приводит к проявлению примесной люминесценции, свойства которой остаются неизученными.
В своей работе исследователи изучали наночастицы CdS характерных размеров в 4-5 нм. Они были получены из пересыщенного раствора высококипящего неполярного растворителя и дополнительно стабилизированы олеиновой кислотой. Такая обработка должна была связать поверхностные состояния и погасить примесную люминесценцию, но анализ образцов показал, что на поверхности наночастиц в изобилии остались непрореагировавшие участки. Поэтому полученная взвесь нанокристаллов в растворе излучала желтый свет, что по спектрам соответствовало примесной люминесценции. При этом на спектрах также присутствует и основной, малый по интенсивности, межзонный пик люминесценции на длинах волн синего цвета. Широкая же примесная область является суперпозицией трех отдельных пиков, поведение которых с изменением температуры различается. «Пик, связанный с зоной внутри квантовой точки, смещается с таким же характером, как межзонный экситонный переход. Получается, что некоторые переходы и линии в примесном спектре тоже зависят от размера квантовой точки. С изменением размера полоса будет сдвигаться. Об этом говорят и температурные зависимости», - объясняет Алексей Кацаба. На основе этих термических зависимостей спектров и кинетических кривых фотолюминесценции удалось построить модель энергетических уровней и переходов, отвечающих за оптические свойства образцов. Результаты исследования планируется опубликовать в Journal of Chemical Physics.
Автор: По материалам АНИ «ФИАН-информ»
Источник: www.nkj.ru, www.fian-inform.ru