Введение к работе
Актуальность темы. Исследование физических процессов в полупроводниках в экстремальных условиях ( сильные электрические поля, высокие уровни возбуждения) в последние годы нашли широкое развитие. Большинство современных приборов опто-, микро- и квантовой электроники, таких как инжекционные лазеры, светоизлучаю-шие диоды, лазерные экраны (квантоскопы), фотоприемники, модуляторы, преобразователи излучения и др., работают именно в таких условиях, а многие явления, протекающие при атом в объеме и на поверхности полупроводников, изучены недостаточно, что ограничивает возможности их применения.
В исследовании полупроводников особое место занимают оптические методы, отличающиеся высокой точностью и надежностью, большой информативностью. Экситонная спектроскопия (отражение, поглощение и люминесценция) используется для исследования поверхностных и объемных свойств полупроводников: поверхностных состояний, беззкситонного или нарушенного приповерхностного слоя, процессов дефектообразования при различных видах воздействия.
, Полупроводниковые соединения AnBVI широко используются в различных приборах квантовой и оптозлектроники, а также служат модельными материалами для изучения фундаментальных свойств полупроводников. Большая интенсивность и сравнительная узость эк-ситонных линий в спектрах поглощения, отражения и люминесценции этих соединений делают их удобными для определения оптических параметров. Однако установление точной связи между оптическими спектрами экситона и его энергетическим спектром осложняется тем, что наблюдаемые спектральные линии обычно трансформированы вследствие поляритонных эффектов или перепоглощения в объеме.
В настоящее время многие вопросы, такие как: причины трансформации оптических спектров экситонов под действием поверхностного электрического поля, условия, определяющие форму экситонных полос излучения и отражения вблизи поверхностей разной кристаллографической ориентации, механизмы влияния электрического поля на процессы связывания носителей заряда в экситоны еще не поняты однозначно. Вместе с тем, механизмы самопоглощения и реабсорбции резонансного излучения экситонов достаточно подробно исследованы
лишь при очень низких температурах, когда значительную роль играют поляритонные эффекты. Отсутствует ясная физическая картина образования дублетной структуры, наблюдаемой в спектрах экситон-ного излучения кристаллов кубической модификации.
В последние годы продолжает возрастать интерес к изучению оптических явлений в квантово-размерных полупроводниковых частицах (нанокристаллах) в прозрачных матрицах. Нанокристаллы обладают свойствами промежуточными между молекулярными и объемно-кристаллическими соединениями, а их электронная структура и оптические параметры изменяются в зависимости от размеров, что может быть использовано при разработке элементов для оптических информационных систем. Большая величина энергии связи экситонов в нанокристаллах соединений AnBvl приводит к отчетливым резонансам экситонного поглощения даже при комнатной температуре. Несмотря на значительное количество работ, в которых исследовалась ФЛ таких кристаллов, механизмы рекомбинации, роль поверхностных состояний и причины ограничения квантового выхода ФЛ до сих пор однозначно не интерпретированы.
Связь работы с научными програшами.
Исследования проводились в рамках тем, входивших в планы важнейших научно-исследовательских работ по республиканским-комплексным программам: "Создание элементов нелинейной!оптики.-и.: оптоэлектроники, изучение их рабочих " характеристик";- "Штика 2.21 и "Разработка, создание и исследование полупроводниковых лазеров, изучение процессов взаимодействия лазерного излучения и электрических полей с полупроводниками" - Лазер 3.03.
Цельм работы являлось . установление причин, приводящих к формированию структуры спектров экситонной фотолюминесценции монокристаллов и нанокристаллов сульфида кадмия под действием лазерного излучения и постоянного электрического поля, разработка новых способов улучшения их излучательных характеристик и определения параметров кристаллов.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
изучить влияние внешнего электрического поля, температуры и условий возбуждения на форму спектров излучения свободных экситонов в монокристаллах CdS и ZnSe.
исследовать влияние низкотемпературной термообработки на структуру спектров экситонной люминесценции монокристаллов CdS;
І І
установить взаимосвязь кристаллографической ориентации поверхности монокристаллов CdS и формы зкситонных полос излучения и отражения;
разработать теоретическую модель влияния поверхностного электрического поля на пространственное распределение концентрации экситонов, рассчитать на ее основе контуры полосы излучения свободных экситонов CdS с учетом самопоглощения и интерференции экситонного излучения в приповерхностном слое;
исследовать влияние электрического поля и лазерного излучения на эффективность и спектры люминесценции нанокристаллов CdS в полимерной матрице.
Научная навивна представленных в работе результатов заключается в следующем:
Впервые обнаружено сачообращение линий излучения свободных экситонов в кристаллах CdS, проявляющееся в возникновении провалов на реаонансной полосе свободных экситонов во внешнем электрическом поле, после низкотемпературной термообработки, а также в результате скалывания. Показано, что возникновение наблюдаемой структуры спектров ФЛ вызвано самопоглощением экситонного излучения, выходящего из объема, в слое с пониженной концентрацией экситонов, который возникает вблизи поверхности под воздействием внешнего электрического поля отрицательной полярности, а также поля, индуцированного термостимулированной адсорбцией кислорода и пироэлектрической поляризацией.
Обнаружено различие в ширине полос люминесценции свободных экситонов на анионной и катионной поверхностях кристаллов CdS (Hoooi < НоооТ)- Показано, что это явление обусловлено различием времен жизни экситонов на этих поверхностях (toooi < toooi). приводящем к анизотропии длины диффузии экситонов и эффективности самопоглощения экситонного излучения относительно полярной оси.
Показано, что возникновение провалов на резонансной полосе экситонной люминесценции кристаллов ZnSe не связано с поляри-тояныыи эффектами и что это явление может быть вызвано интерференцией излучения в безэкситонном слое вблизи поверхности.
Впервые обнаружено долговременное разгорание экситонной и примесной люминесценции нанокристаллов CdS в полимерной матрице при непрерывном возбуждении ультрафиолетовым лазерным излучением. Показано, что это явление вызвано фотостимулированкой де-
- 4 -сорбцией молекул кислорода с поверхности нанокристаллов.
- Установлено что постоянное внешнее электрическое поле приводит к увеличению скорости разгорания фотолюминесценции и изменениям в спектрах акситонного излучения нанокристаллов CdS.
Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем.
В результате изучения взаимосвязи кристаллографической ориентации поверхности и формы зкситонных полос излучения и отражения разработан и защищен патентом Российской Федерации неразру-шающий способ определения кристаллографической полярности поверхности полупроводниковых монокристаллов сульфида кадмия.
Результаты исследования обнаруженного эффекта наведенного самообращения линий излучения свободных экситонов могут быть использованы для интерпретации зкситонных спектров и оценки качества кристаллов.
Обнаруженные эффекты долговременного разгорания экситонной и примесной фотолюминесценции нанокристаллов CdS в полимерной матрице под воздействием лазерного излучения и электрического поля могут быть использованы для улучшения излучательных характеристик квантоворазмерных оптических структур.
Экономическая значимость полученных результатов заключается в том, что применение разработанного способа определения кристаллографической полярности поверхностей полупроводниковых кристаллов CdS приводит к сокращению трудовых, материальных и энергетических затрат, поскольку позволяет, не разрушая структуру поверхности, экспрессно и достоверно идентифицировать тип полярной поверхности образца.
Основные положения, выносимые иа защиту.
-
Самообращение резонансных линий излучения свободных экситонов в полупроводниках под воздействием внешних и внутренних электрических полей вызвано поглощением акситонного излучения в приповерхностном слое с градиентом концентрации свободных экситонов, возникающим вследствие дрейфа неравновесных носителей заряда и уменьшения коэффициента связывания их в экситоны.
-
Различие в ширине полос люминесценции свободных экситонов на полярных поверхностях кристаллов CdS (Ноооі <НйооІ) обусловлено различием времен жизни экситонов на этих поверхностях (toooi < "Сооої), приводящем к анизотропии зависимости длины диффузии и эффективности самопоглощения относительно полярной оси.
- є -
3. Эффект долговременного разгорания фотолюминесценции на-нокристаллов CdS в полимерной матрице в процессе возбуждения низкоинтенсивным непрерывным лазерным излучением вызван фотости-мулированной десорбцией с поверхности нанокрисгаллов молекул кислорода, являющихся ловушками электронов и снижающих эффективность иэлучательной рекомбинации.
Личный вклад автора. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается в непосредственном участии в выполнении экспериментальных и теоретический исследований, в обсуждении и анализе результатов работ, в постановке совместно с научными руководителями Г.П. Яблонским и А.А. Гладыщуком задач исследований. Другие соавторы работ синтезировали наногсристаллы или участвовали в проведении измерений.
Работа выполнена в ИФ АНБ и на кафедре физики БрПИ.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации докладывались на научных конференциях и семинарах:
- 6th Int.Conf.on II-VI Сотр., Newport,1993; XXIII Int. School on Phys. of semicond. сотр., Jaszowiec, 1994; Europ. Workshop on II-VI Semicoma!., Linz,1994; Int.Cnf .Nanomeeting-95, Minsk,1995; научно-технические конференции БрПИ (Брест 1991, 1992); международный семинар "Открытые системы - избранные вопросы теории и эксперимента" (Брест, 1992);
Опуйлииованность результатов. Результаты диссертации напечатаны в 8 статьях, 1 патенте на изобретение и в тезисах докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы. Она содержит 134 страницы, включая 8? страниц машинописного текста, 35 рисунков, 5 таблиц и списка использованных источников (161 наименований) .
