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.
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.
На рисунке – спектры фотолюминесценции полупроводниковых нанокристаллов CdS с шагом по температуре около 30К.
