Введение к работе
Актуальность проблемы. Особый интерес в последние годы вызывают исследования нульмерных полупроводниковых структур - квантовых точек (КТ). Размерные эффекты в КТ важны как с точки зрения фундаментальных исследований, так и в связи с возможностями их применения в оптоэлектро-нике, аналитической химии и т.д. Это связано с тем, что спектральные свойства систем, содержащих бинарные нанокристаллы соединений групп II—VI (CdSe, CdTe, CdS и др.), определяются не только химическим составом, но и в гораздо большей степени пространственными размерами оптически активных областей. Нанокристаллы, диспергированные в стеклянных матрицах, широко используются в качестве модельных объектов для изучения квантово-размерных эффектов в полупроводниковых нульмерных системах. Гибкость технологии синтеза нанокристаллов позволяет получать в стекле кристаллиты различных полупроводниковых соединений, направленно варьировать размеры нанокристаллов, менять их кристаллическую модификацию и химический состав Поэтому полупроводниковые квантовые точки на основе соединений А2В6 в диэлектрических матрицах и, в частности CdSe, являются перспективными материалами современной оптоэлектроники для создания эффективных светоизлучателей, диодов и лазеров с высокой квантовой эффективностью и рекордно малыми плотностями накачки.
Цели и задачи работы. Целью работы являлось экспериментальное исследование спекроскопическими методами образцов с квантовыми точками в области края собственного поглощения полупроводника CdSe и CdTe и выявление новых данных о квантово-размерных эффектах в области сильного и промежуточного конфайнмента. Для этого было необходимо:
Найти подходящие спектроскопические методы определения размеров нанокристаллов в области 5-20 нм.
Получить спектры поглощения градиентных по размерам КТ образцов фторфосфатного стекла с нанокристаллами CdSe с целью установки поведения электрон-дырочных состояний в области промежуточного конфайнмента.
На основе математической обработки данных получить зависимость энергии конфайнментных переходов относительно первого возбужденного состояния как функции положения первого возбужденного состояния.
Провести сравнительный анализ полученных экспериментальных данных с существующими теоретическими моделями.
Установить путем расчета в рамках микроскопического подхода природу квантоворазмерных эффектов в колебательных спектрах нанокристаллов.
Научная новизна. Выполнены наиболее полные исследования спектров поглощения и люминесценции вблизи края собственного поглощения нанокристаллов CdSe в широкой области размеров. Такое стало возможным при использовании градиентного по размерам квантовых точек образца фторфосфат-ного стекла. Экспериментальные данные подтвердили теоретические модели трансформации электронных состояний в нанокристаллических образованиях CdSe в широком диапазоне размеров. Впервые проанализирована форма контура линии фундаментального колебания нанокристаллов CdSe при помощи методов факторного анализа.
Научные положения, выносимые на защиту.
Учет рассеяния Ми в композитах с полупроводниковыми квантовыми точками, находящимися в стекловидной матрице, позволяет определять величину нанокристаллов в области размеров от 5 до 50 нм.
Включения металлического индия в кристалле полупроводника InN не играют значительной роли при формировании края собственного поглощения кристалла. Вклад рассеяние Ми на частицах металлического In не может быть причиной сдвига края собственного поглощения полупроводника InN.
Несовпадение энергии, при которой начинается проявляться расщепление электронных и дырочных состояний в полупроводниковых квантовых точках, с шириной запрещенной зоны объемного полупроводника является проявлением эффекта промежуточного конфайнмента.
Исследование структуры края собственного поглощения полупроводниковых КТ в широкой области размеров позволяет установить поведение электронно-дырочных состояний как в режиме сильного, так и режиме промежуточного конфайнмента. С увеличением размера нанокристалла происходит переход от несвязанных кулоновским взаимодействием электронно-дырочных пар к связанным, и как следствие - переход от квантованного межзонного поглощения к экситонному, что соответствует условию R > 2ав (Д - радиус КТ, ав - эффективный радиус Бора объемного экситона).
Изменения спектра ФЛ в зависимости от размера нанокристаллов полупроводника определяется дополнительным вкладом в процесс излучательной рекомбинации не только переходов с уровней размерного квантования КТ, но и обусловлено дополнительным вкладом в этот процесс переходов электрон-дырочных пар, связанных на дефектах и интерфейсах нанокристалла, а Сто-ксов сдвиг имеет размерную зависимость для всех радиусов КТ.
6. Принципиальные изменения зонных колебательных состояний и возникновение квантово-размерных эффектов в нанокристаллах CdSe возникают, когда размер КТ составляет не более 3-4 нм.
Научная и практическая значимость работы. Исследования, проведенные в представленной работе, расширяют и, в заметной степени, дополняют существующие представления о квантово-размерных эффектах в полупроводниковых нанокристаллах, диспергированных в диэлектрических матрицах. В работе показано, что учет рассеяния Ми в композитах с полупроводниковыми квантовыми точками, внедренными в стекловидную матрицу, позволяет определять размер нанокристаллов. Выяснено, что поведение электронно-дырочных состояний как в режиме сильного, так и режиме промежуточного конфайнмента согласуются с современными теоретическими представлениями. Полученные результаты являются важными для понимания трансформации электронных и колебательных состояний в зонные состояния объемных материалов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 7 Всероссийских и Международных конференциях по физике полупроводников: 5-ой Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Санкт-Петербург, 1-5 декабря, 2003г.; 6-й Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой оптоэлектроники. 6-10 декабря 2004 г. Санкт-Петербург; XI Национальной конференции по росту кристаллов. Москва, 14-17 декабря 2004. Москва; XII Национальной конференции по росту кристаллов. Москва, 23-27 ноября 2006. Москва; X Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой оптоэлектроники 6-10 декабря 2008г.; V Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. Санкт-Петербург, апрель 2008г.; XI Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. 30 ноября-4 декабря 2009, г. Санкт-Петербург.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 6 работах в рецензируемых журналах и в 9 сборниках трудов конференций. Библиографический список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 частей, заключения и списка цитируемой литературы из 105 наименований. Объем диссертации составляет 135 станиц, включая 62 рисунка, 2 таблицы.
