Введение к работе
з
Актуальность темы.
Адсорбированные малоатомные частицы и наночастицы значительно изменяют оптические свойства кристаллов. Их наличие на поверхности приводит к ряду специфических эффектов - гигантское комбинационное рассеяние света, резкое увеличение флуоресценции и вероятности антистоксового возбуждения люминесценции кристаллов. Взаимодействие этих частиц с молекулами органических красителей сенсибилизирует светочувствительность кристаллов с ионно-ковалентной связью, что часто имеет отрицательное значение, если эти кристаллы являются элементами оптических систем. Двух и многофотонный характер взаимодействия света с кристаллами, содержащих на своей поверхности адсорбированные частицы, приводит к нелинейным эффектам, которые используются в оптоэлектронике. На поверхности ионно-ковалентных кристаллов под действием актиничного излучения идут процессы преобразования (разрушение, укрупнение) адсорбированных атомов даже при низких температурах, что также имеет значение для практики.
В тоже время природа перечисленных эффектов, механизмы взаимодействия световых потоков с такого рода атомно-шероховатой поверхностью изучены еще недостаточно. В литературе существуют противоречивые представления относительно этих эффектов и роли адсорбированных частиц во многих явлениях. Поэтому необходимы дальнейшие исследования, прежде всего оптических свойств этих частиц, их спектральных особенностей и особенностей их взаимодействия с излучением. Получение такой информации очень важно для глубокого понимания механизма антистоксовой люминесценции некоторых ионно-ковалентных кристаллов. Это позволит создать эффективные преобразователи световых потоков в оптоэлектронике, элементы оптической 3D памяти с уверенным считыванием записанной информации, новые способы зондирования в ближнепольной микроскопии.
Поскольку концентрации адсорбированных частиц, как правило, значительно ниже концентрации объемных дефектов кристаллов и часто составляют малую долю концентрации атомов, составляющих монослой, их исследование вызывают значительные экспериментальные трудности. Необходимо развитие новых методов и способов исследования поверхностных состояний. Особое значение имеет исследование возможности использования поверхностных электромагнитных волн, локализованных вблизи поверхности. Эти волны наиболее эффективно могут взаимодействовать с поверхностными состояниями, и поэтому их применение позволит выделить эти состояния и успешно их изучать.
Цель и задачи работы.
Целью работы является исследование процессов взаимодействия световых потоков с атомно-шероховатыми поверхностями и центрами кластерного типа, адсорбированных на них, а также разработка способов таких исследований.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы основные задачи научной работы:
Разработка метода нанесения и исследования оптических свойств металлических атомов и их малоатомных кластеров адсорбированных на поверхности ионно-ковалентных кристаллов.
Получение спектров фотоионизации атомов серебра и их малоатомных кластеров, адсорбированных на поверхности монокристаллов AgCl и ZnS.
Исследование процесса фотостимулированного формирования на поверхности монокристалла AgCl малоатомных серебряных кластеров из адатомов серебра.
Исследование процесса релаксации неравновесных носителей заряда, локализованных на поверхностных серебряных центрах, в фотовозбужденном монокристалле сульфида цинка.
Экспериментальное изучение термического возбуждения и конверсии поверхностных плазмонов в фотоны на краю металлической пластины.
Объекты исследований.
Исследование оптических свойств серебряных атомов и малоатомных кластеров, а также процессов их фотостимулированных преобразований были проведены на поверхности монокристаллов AgCl и ZnS. Перечисленные системы обладают достаточно высоким квантовым выходом люминесценции, что позволяет использовать высокочувствительный метод фотостимулированной вспышки люминесценции для исследования глубоких электронных состояний. Исследование конверсии поверхностных плазмонов в фотоны проводилось на медной пластине.
Научная новизна работы заключается в том, что:
Впервые проведены сравнительные исследования оптических свойств атомов и монодисперсных малоатомных кластеров серебра, адсорбированных на поверхности разных ионно-ковалентных кристаллов. Получены спектры фотоионизации отдельных, невзаимодействующих друг с другом, серебряных атомов и кластеров Ag2, а также атомов золота, адсорбированных на поверхности монокристаллов хлористого серебра и сульфида цинка. Исследованы спектральные свойства кластеров Ag3, адсорбированных на поверхности монокристалла AgCl. Определены оптические глубины электронных ловушек в запрещенной зоне указанных кристаллов соответствующих этим центрам.
Впервые исследован процесс фотостимулированного формирования на поверхности монокристаллов AgCl малоатомных серебряных кластеров из адатомов серебра за счет их фотостимулированной миграции. Показано, что эволюция одних серебряных центров в другие происходит последовательно через стадии ди- и тримеризации. Обнаружено, что процесс фотостимулированной диффузии адатомов серебра по поверхности исследуемых монокристаллов осуществляется как в результате последовательной перезарядки адсорбированных атомов и ионов серебра, так и в результате прыжкового механизма диффузии.
На примере монокристалла ZnS впервые исследована природа и механизм уменьшения концентрации электронов, запасенных на глубоких ловушках, обусловленных поверхностными серебряными центрами. Показано, что уменьшение концентрации этих электронов происходит в результате их безызлучательной рекомбинации с дырками, термически освобождаемых с мелких уровней локализации. Обнаружено, что на уменьшение величины высвеченной светосуммы существенное влияние оказывает процесс термической ионизации электронов, локализованных на мелких электронных ловушках ионно-ковалентных кристаллов.
Впервые исследован процесс конверсии термически возбуждаемых поверхностных плазмонов в фотоны на краю медной пластины.
Практическая значимость работы.
Полученные в данной диссертационной работе результаты, относительно оптических свойств металлических атомов и кластеров, адсорбированных на поверхности ионно-ковалентных кристаллов, процессов их фотостимулированных преобразований, могут найти применение в следующих прикладных областях современной оптики:
фотостимулированное формирование из атомов монодисперсных наночастиц с заданными свойствами;
сканирующая микроскопия ближнего поля отдельных адсорбированных на поверхности ионно-ковалентных кристаллов атомов и кластеров;
разработка нового поколения низкопороговых преобразователей частоты и интенсивности оптического излучения видимого и ближнего ПК-диапазона;
разработка новых элементов 3D - памяти с люминесцентным считыванием информации.
Положения, выносимые на защиту:
Сравнительные данные о спектрах фотоионизации адатомов и димеров серебра на монокристаллах хлорида серебра и сульфида цинка. Данные о спектрах фотоионизации тримеров серебра на монокристалле хлорида серебра.
Экспериментальные данные о формировании под действием световых потоков из адсорбированных на поверхности монокристалла AgCl атомов серебра сначала димеров, а затем тримеров серебра и более крупных серебряных кластеров.
Экспериментальное доказательство того, что для монокристалла ZnS уменьшение концентрации электронов, запасенных на глубоких ловушках, обусловленных примесными поверхностными серебряными центрами происходит в результате их безызлучательной рекомбинации с дырками, термически освобождаемых с мелких уровней локализации, а также того, что на уменьшение величины высвеченной светосуммы существенное влияние оказывает процесс термической ионизации электронов, локализованных на мелких электронных ловушках.
Экспериментальные данные, полученные при исследовании конверсии тепловых поверхностных волн в инфракрасном диапазоне на краю медной пластины.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на двух Всероссийских конференциях «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (Воронеж, 2004 г., 2006 г.); III международной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (Казань, 2005 г.); VIII международной конференции «Опто- и наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2006 г.); X международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах» (Кемерово, 2007 г.); всероссийском симпозиуме «Нанофотоника» (Черноголовка, 2007 г.); Ill International Conference on Surface Plasmon Photonics (France, 2007).
Публикации.
По результатам диссертационной работы опубликовано 17 работ. В их числе 8 статей в реферируемых научных журналах и 9 работ, являются материалами и тезисами докладов на международных и всероссийских научных конференциях и симпозиумах.
Личный вклад автора.
Работа выполнена на кафедре оптики и спектроскопии Воронежского госуниверситета. Все вошедшие в диссертацию результаты выполнены лично автором или совместно с преподавателями и аспирантами кафедры. Автором осуществлено методическое обоснование использованных в работе методов исследования и проведены экспериментальные измерения. Проведен анализ и интерпретация полученных результатов. Сформулированы основные выводы и научные положения, выносимые на защиту.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 218 наименований. Работа содержит 159 страниц машинописного текста, включая 4 таблицы и 34 рисунка.
