Введение к работе
Актуальность темы. Исторически первой публикацией по физике квазинульмерных твердотельных структур была работа X. Фрелиха, в которой были предсказаны термодинамические свойства малых металлических частиц, обусловленные дискретностью энергетического спектра электронов. Однако начало систематического изучения квазинульмерных полупроводниковых структур началось спустя почти пятьдесят лет и связано с работами В. А. Цехомского, А. И. Екимова и А. А. Онущенко, в которых было впервые продемонстрировано смещение экситонных полос кристаллитов CuCl в стекле при изменении их размера, а также с работой А. Л. и Ал. Л. Эфросов, в которой было предложено теоретическое описание этого эффекта в рамках модели "частица в потенциальном ящике". С тех пор до настоящего времени по этой тематике опубликовано более тысячи экспериментальных и теоретических работ.
Современная технология позволяет создавать кристаллические структуры, размер которых в одном, двух или трех направлениях сопоставим с дебройлевской длиной волны электрона и дырки или с воровским радиусом экситона. К числу таких объектов и относятся наноструктуры пористого кремния, нанокристаллиты полупроводниковых соединений, введенные в твердую матрицу, а также молекулы красителя в пористом стекле. Движение элементарных электронных возбуждений в таких структурах происходит, соответственно, в двумерном (квантовый слой), одномерном (квантовая проволока) или нульмерном (квантовая капля) пространстве. В отличие от структур, ограшгченных в одном или двух направлениях, в квантовых каплях отсутствуют коллективные процессы в электронной подсистеме полупроводника и, следовательно, невозможно применять теорию, основанную на представлениях о газе ква-зичастиц.
Поскольку в течение длительного времени считалось, что свойства вещества определяются только составом и агрегатным состоянием, весьма актуальным представляется изучение того, как изменяются свойства наноструктур с изменением характерного размера. Это позволяет
проследить за эволюцией свойств вещества при переходе от отдельных атомов к кристаллу и установить фундаментальные закономерности атомно-молекулярной физики и физики твердого тела. С другой стороны, большое число элементарных возбуждений в пересчете на единицу объема позволяет рассматривать наноструктуры как хороший объект для изучения нелинейных оптических эффектов, не имеющих аналогов среди кристаллических сред.
Наряду с обратимыми эффектами при лазерном возбуждении в квазинульмерных структурах происходят необратимые процессы, имеющие фотохимическую природу. Вследствие большого количества поверхностных атомов, а также из-за большого количества нарушенных химических связей на границе матрица-кристаллит, вероятность фотостимули-рованных химических реакций в квазинульмерных структурах значительно выше, чем в других структурах пониженной размерности. Таким образом, одним из основных препятствий на пути к практическому применению материалов на основе наноструктур может оказаться фотодеградация их оптических свойств. С другой стороны, изучение фотодеградации методами лазерной спектроскопии может дать дополнительную информацию о механизме люминесценции.
Очевидные трудности, возникающие при исследовании кристаллитов размером в несколько нанометров электрическими методами, делают эти методы малоэффективными. Поэтому, изучение электронных процессов в квантовых каплях и структурах пониженной размерности в настоящее время базируются, в основном, на методах лазерной спектроскопии. Метод селективной лазерной спектроскопии, применимый ко всем классам наноструктур даже при отсутствии коллективных процессов в электронной подсистеме, в отличие от электрических методов является пока единственным, позволяющим сравнить свойства наноструктур разных классов между собой, но требует разработки нового экспериментального оборудования на базе новейших многоканальных фото-чувствительных приборов. Многоканалыюсть регистрирующей аппаратуры, повышающая скорость информационного потока и объем получаемых данных в тысячи раз, оказывается таким же важным требованием, как и её высокая линейность и чувствительность, особенно при изучении нелинейных быстропротскающих оптических процессов.
Связь работы с научными программами и темами. Отдельные этапы работы выполнялись в рамках различных программ и проектов:
Республиканская комплексная программа "Разработка проблем лазерной оптики и распространения света в средах", 1986 -1990 гг. (тема "Оптика 2.20");
Республиканская комплексная программа "Разработка проблем генерации, взаимодействия с веществом и использования лазерного излучения", 1991 -1995 гг. (тема "Лазер 3.03");
Государственная научно-техническая программа СССР "Перспективные информационные технологии", 1988 - 1990 гг. (тема "Оптима 1.09");
Проект Фонда фундаментальных исследовашги РБ "Оптические процессы в квантовых каплях", 1992 - 1994 гг.;
Проект Международного научного фонда "Экситоп-экситонные взаимодействия в квантовых точках", 1994 - 1995 гг.
Цель и задачи исследования. Целью работы является установление основных закономерностей поглощения и испускания света в наноструктурах на основе непрямозонных полупроводников и в гетерогенных наноструктурах, выяснение возможности использования квазинульмерньгх структур в качестве материалов для различных устройств квантовой электроники и оптоэлектроники.
Для достижения этой цели необходимо было разработать и создать автоматизированный экспериментальный комплекс для проведения измерений методом селективной лазерной спектроскопии, применив оптический многоканальный анализатор на базе прибора с зарядовой связью для повышения чувствительности и точности измерений. Затем с его помощью исследовать оптические свойства и причины их изменения в образцах пористого кремния, сульфида кадмия в полимертюй матрице и красителя акридинового ораігжевого в матрицах из тяжелого и пористого (композитного) стекла ігри оптическом воздействии, сопоставить свойства неорганических и органических микроструктур в диэлектрических матрицах.
Научная новизна полученных результатов. Обнаружено неоднородное ушнрение спектров поглощения структур на основе пористого
кремния и исследованы его проявления в спектрах возбуждения, в кинетике и поляризации люминесценции, а также в процессе фотодсградации люминесценции. Впервые исследованы разрешенные во времени спектры излучения кремниевых наноструктур. Впервые обнаружены стабильные провалы в спектрах пропускания полупроводниковых нанокри-сталлов, обусловленные селективным фотолизом резонансно возбужденных кристаллитов в неоднородно уширенном ансамбле. Исследованы межмолекулярные взаимодействия в системе "органические молекулы в неорганической матрице" и установлено, что структура димера акридинового оранжевого соответствует простой экситонной теории. Разработаны методики компенсации нелинейной чувствительности оптического многоканального анализатора на базе ПЗС-матрицы к интенсивности и длине волны падающего света.
Практическая значимость полученных результатов. Исследованные в работе фотолюминесцентные свойства кремниевых наноструктур свидетельствуют о потенциальной возможности изготовления оптических компонентов современных высокоскороспгых оптоэлектронпых приборов на основе имеющейся кремниевой микроэлектронной технологии, включая кремниевые светоизлучающие приборы, активные матрицы для экранов мониторов, датчики для устройств искусственного обоняния. Установленное в работе влияние межмолекулярных взаимодействий на люминесцентные свойства оргаїшческих молекул в неорганических матрицах имеет существенное значение при использовании этих структур в качестве светотрансформаторов в устройствах преобразования солнечной энергии, а также в качестве акгивных сред перестраиваемых лазеров видимого спектрального диапазона. Создашіая в ходе выполнения работы аппаратура и программное обеспечение могут быть использованы для разработки приборов и устройств контроля параметров излучения в оптической промышленности, построения приборов контроля за состоянием окружающей среды и содержания вредных веществ в пищевых продуктах, а также для исследования различных фотостимулированных процессов в биологии и медицине. Разработанная в ходе выполнения работы методика компенсации амплитудной нелинейности многоэлементных полупроводниковых фотоприемников и соответствующее программное обеспечение представляют готовый коммерческий продует,
который может непосредственно использоваться в фирмах, КБ и научно-исследовательских организациях, разрабатывающих оптические приборы с применением таких фотоприемников.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Спектр излучения микроструктур на основе пористого кремния неоднородно уширен, что проявляется в зависимости положения максимума спектра люминесценции от длины волны возбуждения, смещении спектра излучения в процессе затухания, в изменении степени поляризации излучения при возбуждении поляризованным светом с различной длиной волны, а также в смещении максимума спектра при фотодеградации.
-
Спектры возбуждения и испускания, а также поляризационные характеристики люминесценции акридинового оранжевого в неорганической стеклянной матрице в значительной степени определяются сосуществованием мономеров и димеров. Свойства димеров акридинового оранжевого непротиворечиво описываются простой экситонной теорией без учета колебательных состояний молекул.
-
При селективном воздействии света на полупроводниковые наноструктуры происходит фотодеструкция резонансно возбужденных кристаллитов вследствие их фотоионизации, приводящей к серии фотохимическігх реакций, что проявляется в образовании стабильного спектрального провала в спектрах пропускания на частоте возбуждающего излучения.
-
Использование для регистрации оптического излучения многоканальных систем на базе приборов с зарядовой связью и применение разработанных методик компенсации неравномерности и нелинейности их характеристик в реальном времени позволило создать автоматизировяішьій лазерно-спектроскопический комплекс обеспечивающий регистрацию отдельных спектров со скоростью до 30 спектров в секунду (3,6 X 105 бит/сек) при коэффициенте нелинейности 1 %и дифференциальной чувствительности 0,1 %.
Личный вклад соискателя и соавторов. Соискателю принадлежит создание аппаратно-программного комплекса для изучения оптических свойств спектрально-неоднородных структур, выполнение большинства измерений и интерпретация экспериментальных результатов,
вошедших в диссертацшо. Автор глубоко признателен своим коллегам и соавторам, без участия и помощи которых выполнение работы было бы невозможным. Руководителям работы В. П. Грибковскому и С. В. Гапоненко принадлежит общее научное руководство, постановка задачи и помощь при проведении исследований и интерпретации их результатов, вошедших в диссертацию; А. П. Ступак (ИМАФ АНБ) и Е. П. Петров вьшошіили время-разрешенные и поляризационно-разрешенные измерения фотолюминесценции кремниевых наноструктур и молекул акридинового оранжевого в стеклянных матрицах, анализ и моделирование кинетик фотолюминесценции пористого кремния;
B. А. Цсхомский с сотрудниками (ГОИ им. С. И. Вавилова,
C. Петербург), Р. Рейсфельд с сотрудниками (Иерусалимский ун-т, Изра
иль), В. Е. Борисешсо с сотрудниками (БГУ ИР), М. А. Артемьев (БГУ), а
также Я. X. Ксие (Лаборатории Белла, США) предоставили образцы на
ноструктур разных типов. Автор выражает благодарность А. П. Быку,
А. М. Аксенову, И. И. Кравцевичу (НИИ ПФП БГУ) и А. М. Капитонову
- за помощь в создании оптического многоканального анализатора, а
также Л. Г. Зимину, И. Э. Малиновскому и В. 10. Лебедю - за помощь
при освоении лазерной техники и экспериментального оборудования.
Апробация результатов. Результаты диссертации представлялись в 9-ти докладах на следующих конференциях:
XXVI Международный коллоквиум по спектроскопии (София, 1989 г.),
II Европейская конференция по квантовой электронике (Дрезден, ГДР, 1989 г.),
XIV международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991 г.),
Всесоюзная конференция "Физические принципы и методы опги-ческой обработки информации " (Гродно, 1991 г.),
7-я Международная конференция "Широкозонные полупроводники" (Триест, Италия, 1992 г.),
Международная конференция "Фотонные переключения" (Минск, 1992 г.)
12-я Конференция Отделения твердого тела Европейского физического общества (Прага, 1992 г.),
I Российская Конференция по физике полупроводников (Нижний
Новгород, 1993 г.).
XV международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург, 1995 г.).
Опубликованность результатов. Результаты диссертации опубликованы в 11-ти статьях, в том числе - 6 статей в международных журналах, 2 статьи в журналах СНГ, 3 статьи в сборниках трудов различных конференций, а также в 9-ти тезисах конференций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, списка литературы. Полный объём диссертации — 124 страниц. Диссертация содержит 63 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 173 наименований, которые занимают 33 страницы.
