тематичних наук Київ ~ Дисертацією є рукопис Робота виконана в Інституті фізики нап
Работа добавлена на сайт samzan.net:
ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ІМЕНІ В.Є. ЛАШКАРЬОВА
НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ
КУНЕЦЬ ВОЛОДИМИР ПЕТРОВИЧ
УДК 535.34; 621.315.592
ЕВОЛЮЦІЯ ФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ
НАПІВПРОВІДНИКІВ АIIВVI ГЕКСАГОНАЛЬНОЇ СИНГОНІЇ
ПРИ ПЕРЕХОДІ ДО РОЗМІРІВ КВАНТОВИХ МАСШТАБІВ
01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора фізико-математичних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова
НАН України
Науковий консультант:
доктор фізико-математичних наук, професор, академік НАН України
Лисиця Михайло Павлович
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України,
головний науковий співробітник
Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України
Сизов Федір Федорович,
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України,
завідувач відділу;
доктор фізико-математичних наук, професор
Покутній Сергій Іванович,
Іллічівський навчально-науковий центр при Одеському національному
університеті імені І.І. Мечникова, директор;
доктор фізико-математичних наук, професор Берченко Микола Миколайович,
Національний технічний університет “Львівська політехніка”, професор
Провідна установа: Інститут фізики НАН України, відділ нелінійної оптики, м. Київ
Захист відбудеться “28” травня 2004 р. о 14годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.199.02 при Інституті фізики напівпровідників
імені В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: Київ 03028, проспект Науки, 41.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: Київ 03028, проспект Науки, 41.
Автореферат розісланий “_27_” квітня 2004 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
доктор фізико-математичних наук, професор Іщенко С.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Характерною ознакою сучасного етапу розвитку фізики напівпровідників є дослідження різноманітних низьковимірних (квантових) гетероструктур, включаючи напівпровідникові квантові ями, квантові нитки та квантові точки. Інтерес до них мотивується не лише тенденцією поступового зменшення розмірів робочих частин напівпровідникових електронних пристроїв мікро- та оптоелектроніки, але і необхідністю вирішення більш загальних проблем, зокрема проблеми керування фундаментальними параметрами напівпровідника: шириною забороненої зони, ефективною масою та рухливістю носіїв заряду, електронним енергетичним спектром та ін. При переході до нанометрового діапазону розмірів (1100 нм) властивості напівпровідника стають розмірно-залежними внаслідок прояву ефектів розмірного квантування руху (енергії) носіїв заряду та екситонів, ефектів тунелювання, поляризаційних ефектів, модифікації фононного спектра та ін. З появою методів синтезу високоякісних гетероструктур, зокрема методу молекулярно-пучкової епітаксії, та потужних методів їх характеризації, таких як скануюча тунельна мікроскопія, атомно-силова мікроскопія та ін., виникли також необхідні передумови для розвитку нанотехнологій нового напрямку у матеріалознавстві, фізиці, хімії, біології, медицині та інших областях знань.
Як і при дослідженні атомів, молекул та масивних кристалів, оптична спектроскопія є основним джерелом інформації про електронні процеси в низьковимірних наногетероструктурах. Дана робота присвячена дослідженню методами оптичної спектроскопії закономірностей еволюції фізичних властивостей напівпровідників АIIВVI гексагональної сингонії при переході до повного, тобто одночасно в трьох напрямках простору, квантового ( довжини хвилі де-Бройля електрона провідності в масивному кристалі) просторового обмеження руху в них носіїв заряду.
Актуальність теми роботи визначається потребами сучасного етапу розвитку нанофізики та наноелектроніки:
) у встановленні загальних закономірностей зміни фізичних властивостей та фундаментальних параметрів напівпровідників при зменшенні їх лінійних розмірів до квантових масштабів ();
) у з’ясуванні механізмів впливу просторового квантового обмеження руху носіїв заряду на природу електронних та оптичних явищ;
) у розробці оптичних методів характеризації квантових точок та квантових гетероструктур, зокрема з квантовими точками АIIВVI;
) у з’ясуванні причин та механізмів зміни під дією світла властивостей квантових точок АIIВVI, синтезованих в матрицях силікатних стекол, з метою подолання ефектів деградації параметрів створених на їх основі нелінійно-оптичних пристроїв;
) у розвитку нових фізичних ідей, які можна було б застосувати для розробки
ефективних діодних та лазерних структур, сонячних елементів, нелінійних оптичних ключів та інших електронних і нелінійно-оптичних пристроїв на основі гетероструктур з квантовими точками АIIВVI.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає основним науковим напрямкам діяльності Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України і виконувалась згідно розпоряджень Президії НАН України та постанов Бюро Відділення фізики і астрономії НАН України.
. НДР №28 “Спектроскопія фононних, екситонних і домішкових збуджень в об’ємних напівпровідниках, квантово-розмірних шарах і багатошарових системах на основі кремнію і бінарних напівпровідникових структур” (1990-1994 рр., затверджена Постановою Бюро ВФА НАН України від 20.12.1994, протокол №9) № держреєстр. 0193U027461.
. НДР №22 “Оптика і спектроскопія нових матеріалів і структур, в тому числі квантово-розмірних систем на основі атомарних напівпровідників та сполук АIIВVI, АIVВVI, АIIIВV” (1995-1999 рр., затверджена Постановою Бюро ВФА НАН України від 20.12.1994, протокол №9) № держреєстр. 0195U024514.
. НДР №3 “Оптика і спектроскопія елементарних і колективних збуджень у напівпровідникових матеріалах та наноструктурах з різною розмірністю” (2000-2002 рр., затверджена Постановою Бюро ВФА НАН України від 16.11.1999, протокол №12) № держреєстр. 0100U000015.
. Проект ДФФД, шифр “ФЕС” “Багаточастинкові ефекти в гетероструктурах з квантовими ямами” (початок 1.07.2001, договір №Ф7/344-2001, Наказ Міннауки України № 537 від 20.07.01) № держреєстр. 0102U000087.
. НДР №3, “Оптичні та спектроскопічні дослідження напівпровідникових матеріалів та структур на їх основі” (початок 1.01.2003, затверджена Постановою Бюро ВФА НАН України від 27.11.2002, протокол №11) № держреєстр. 0103U000197.
Автор був виконавцем п/п тем по п. 1-3 та відповідальним виконавцем п/п тем по п. 4,5.
Мета і задачі досліджень. Мета досліджень полягала у з’ясуванні загальних закономірностей впливу квантового просторового обмеження руху носіїв заряду та зменшення загальної кількості елементарних комірок кристалічної гратки на фізичні властивості та параметри напівпровідників АIIВVI гексагональної сингонії. Для досягнення мети необхідно було вирішити такі задачі.
. Методами електронної мікроскопії дослідити розподіл розмірів квантових точок CdSXSe-X, синтезованих у матриці боросилікатного скла, та визначити значення середнього радіуса ().
. Дослідити вплив середнього радіуса квантових точок на тонку структуру їх краю смуги фундаментального поглинання в діапазоні розмірів 1.5-2.0 нм << 10.0 нм, де проявляються ефекти розмірного квантування руху електронів і дірок. З’ясувати закономірності еволюції краю смуги фундаментального поглинання при переході від масивного кристала до квантових точок нижньої межі розмірів (1.5-2.0 нм), для яких ще зберігається гексагональна структура кристалічної гратки. Визначити характеристики електронного енергетичного спектра та з’ясувати характер впливу на нього середнього радіуса, дисперсії розмірів, анізотропії ефективних мас дірок, компонентного складу, механічних напружень, кулонівських ефектів тощо.
. Встановити закономірності температурних змін краю смуги власного поглинання квантових точок в інтервалі температур (4.2600К). Перевірити виконання узагальненого правила Урбаха, визначити його основні параметри та прослідкувати за їх зміною при зменшенні розмірів квантових точок. Вияснити роль статичної (домішки та заряджені дефекти) та динамічної (фонони) невпорядкованостей кристалічної гратки квантових точок у розмитті їх краю смуги фундаментального поглинання. Визначити параметри електрон-фононної взаємодії та вплив на них розміру квантових точок.
. Дослідити температурну залежність оптичної ширини забороненої зони та вплив на неї розміру квантових точок. З’ясувати особливості електрон-фононної взаємодії в умовах порушення трансляційної симетрії пружних властивостей кристалічної гратки та зменшення загальної кількості елементарних комірок.
. Дослідити структуру спектрів фотолюмінесценції квантових точок CdSXSe-X та вплив на них квантово-розмірних ефектів. Ідентифікувати центри випромінювальної рекомбінації. Встановити причини і основні рушійні сили фотоіндукованого згасання фотолюмінесценції квантових точок (photodarkening effect); дослідити кінетику згасання смуг фотолюмінесценції, вплив на неї інтенсивності світла та температури. Дискримінувати можливі механізми процесу деградації фотолюмінесценції, провести математичне моделювання окремих його етапів, обгрунтувати відповідну модель.
. Дослідити ефекти нелінійного поляризаційного самовпливу оптичних хвиль в монокристалах CdS та CdSe і стеклах з квантовими точками CdSXSe-X.
. Обгрунтувати оптичні методи визначення основних фізичних параметрів квантових точок АIIВVI, визначити параметри та порівняти їх з даними інших незалежних методів. Встановити закономірності зміни параметрів гексагональних напівпровідників АIIВVI при переході до квантових точок.
Об’єктом досліджень були процеси поглинання світла та фотолюмінесценції квантових точок широкозонних напівпровідників АIIВVI (CdSXSe-X, ZnXCd-XS); явище розмірного квантування енергії електронів і дірок; процеси електрон-фононної взаємодії; процеси фотовідпалу власних дефектів квантових точок; явище поляризаційного самовпливу при насиченні поглинання світла в масивних кристалах АIIВVI та структрах з квантовими точками; фізичні параметри квантових точок.
Предметом досліджень були закономірності еволюції фізичних властивостей та фундаментальних параметрів квантових точок при зменшенні їх розмірів.
Методи дослідженнь включали: метод електронної мікроскопії на пропускання (TEM); методи скануючої електронної мікроскопії (SEM); метод атомно-силової мікроскопії (AFM); методи спектроскопії поглинання, фотолюмінесценції, нелінійної оптичної спектроскопії насичення поглинання, нелінійної поляризаційної спектроскопії; методи математичного моделювання краю смуги фундаментального поглинання; напівемпіричний метод розрахунуку електронної структури кластерів PM3 в наближенні NDDO (Neglect of Diatomic Differential Overlap) в рамках самоузгодженої Хартрі-Фоківської схеми.
Наукова новизна одержаних результатів. В роботі вперше:
. Встановлено загальну картину розмірної еволюції електронного енергетичного спектра гексагональних напівпровідників АIIВVI при переході від масивного кристала до квантових точок з 1.5-2.0 нм (з числом атомів ~10) та особливості його перебудови для випадку слабкого просторового обмеження в діапазоні розмірів aВ<<2 aВ (aВрадіус борівської орбіти екситона в масивному кристалі)
. Виявлено особливості температурної залежності оптичної ширини забороненої зони квантових точок СdSXSe-X, викликані зменшенням кількості елементарних комірок кристалічної гратки та внутрішньої енергії.
. Доведено виконання узагальненого правила Урбаха для наногетероструктур з квантовими точками та встановлено взаємозв’язок між величиною розмиття краю їх смуги фундаментального поглинання та статичною і динамічною невпорядкованостями кристалічної гратки квантових точок.
. Ідентифіковано центри випромінювальної рекомбінації та визначено енергетичне положення акцепторних рівнів в квантових точках CdSXSe-X, синтезованих в матриці боросилікатного скла.
. Встановлено, що згасання домішково-дефектної фотолюмінесценції квантових точок СdSXSe-X, синтезованих в матриці боросилікатного скла, є фотоіндукованим процесом і наслідком фотовідпалу власних дефектів (вакансій кадмію VCd) квантових точок під дією лазерного випромінювання. Обгрунтовано модель фотовідпалу власних дефектів та встановлено роль анізотропії властивостей кристалічної гратки квантових точок у цьому процесі.
. Показано, що гідрогенізація поверхні квантових точок CdSXSe-X при обробці структур в високочастотній низькотемпературній водневій плазмі зменшує ефективність безвипромінювального поверхневого каналу рекомбінації.
. Виявлено новий фізичний ефект - поляризаційний самовплив еліптично-поляризованого світла при насиченні поглинання в структурі з хаотично орієнтованими гексагональними квантовими точками АIIBVI.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що в роботі:
. Показано принципову можливість покращення структури кристалічної гратки гексагональних квантових точок АIIBVI шляхом фотовідпалу їх власних дефектів.
. Показано принципову можливість збільшення квантового виходу екситонної фотолюмінесценції квантових точок CdSXSe-X, синтезованих у матриці боросилікатного скла, шляхом пасивації поверхні квантових точок воднем, що веде до збільшення часу життя нерівноважних носіїв заряду та зменшення порогу насичення поглинання при високих рівнях оптичного збудження.
. Завдяки встановленню причин деградації домішково-дефектної фотолюмінесценції квантових точок CdSXSe-X появилась можливість розробити рекомендації по подоланню ефектів деградації параметрів нелінійно-оптичних пристроїв на основі таких структур (шляхом фотовідпалу власних дефектів та пасивації поверхні квантових точок воднем).
. Запропоновано і обгрунтовано оптичні методи визначення основних фізичних параметрів квантових точок, синтезованих у прозорих діелектричних матрицях.
. Показано можливість реалізації невзаємного оптичного перемикача з робочою довжиною хвилі у видимому діапазоні спектра.
. Показано принципову можливість запису інформації на структурах з квантовими точками CdSXSe-X.
Отримані результати можуть бути використані при прогнозуванні та моделюванні робочих характеристик нелінійно-оптичних та оптоелектронних пристроїв в організаціях, що займаються проблемами наноелектроніки.
Особистий внесок здобувача. В роботах, що ввійшли в дисертацію [1-31], автору належить вибір та обгрунтування напрямку досліджень, розробка головних ідей, постановка задач, вибір методів їх вирішення, визначальна роль в аналізі результатів та оформленні публікацій. Автором особисто проведено всі фізичні експерименти (за винятком електронно-мікроскопічних досліджень в роботі [16]). Всі нові ефекти, представлені в дисертації, виявлені і досліджені автором. Результати, що виносяться на захист та висновки дисертації належать автору.
З публікацій, надрукованих у співавторстві, в дисертації використано результати, отримані автором особисто. Зокрема, в роботах [3, 25] автору належить інтерпретація природи смуг фотолюмінесценції та ідентифікація центрів випромінювальної рекомбінації. В роботі [16] автору належать результати аналізу розподілу розмірів квантових точок. В роботах [18, 29, 30] автору належать висновки щодо впливу термічного відпалу на параметри квантових точок. В роботі [21] автору належить ідея пасивації поверхні квантових точок шляхом гідрогенізації та матеріал, щодо зміни їх параметрів при пасивації. Усі без винятку результати, що стосуються еволюції фізичних властивостей напівпровідників АIIВVI при переході до розмірів квантових масштабів, отримані автором особисто.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації опубліковано у провідних вітчизняних та зарубіжних профільних періодичних виданнях і неодноразово доповідались на міжнародних конференціях, серед них: на III Всесоюзній науково-технічній конференції “Матеріаловедення халькогенідних напівпровідників”, Чернівці, 2-4 жовтня 1991 р.; на Міжнародному симпозіумі MRS 1992 Fall Meeting, Boston, Massachusetts, USA, 30 листопада - 4 грудня, 1992 р.; на IV Європейській конференції-виставці по матеріалах та технологіях “Схід-Захід”, Санкт-Петербург, 17-21 жовтня 1993 р.; на Українській школі-семінарі “Спектроскопія молекул та кристалів”, Харків, 10-16 травня 1993 р.; на IV Міжнародній конференції по физиці напівпровідників та технологій тонких плівок, ФТТП-93, Івано-Франківськ, 1993 р.; на Міжнародному симпозіумі “Int. Symp. on Optical Interference Coating”, Гренобль, Франція, 6-10 червня 1994 р.; на міжнародній конференції “IEEE SIMC-9, Semiconducting and Insulating Materials”, Тулуза, Франція, 29 квітня- 3 травня 1996 р.; на ІІІ міжнародній конференції “Low Dimensional Structures and Devices”, Анталія, Турція, 15-17 вересня 1999 р.; на IV міжнародній конференції “Optical diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics”, Київ, 7-9 жовтня 1999 р.; на II російсько-українському семінарі “Нанофізика і наноелектроніка”, Київ, 22-24 листопада, 2000 р.; на III міжнародній школі-конференції “Сучасні проблеми фізики напівпровідників”, Дрогобич, 2001; на міжнародній конференції “E-MRS Spring Meeting 2002, Micro- and Nano- Structured Semiconductors”, Страсбург, Франція, 18-21 червня 2002 р.; на 1-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (з міжнародною участю), УНКФН-1, Україна, Одеса, 10-14 вересня 2002 р., на IV міжнародному українсько-російському семінарі “Нанофізика і наноелектроніка”, Киів, 15-17 вересня 2003 р. Всі наведені в роботі результати обговорювались на наукових семінарах відділення “Оптики і спектроскопії” Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАНУ.
Публікації. Основні результати дисертації відображено у 31 публікації: в 22 статтях, надрукованих у провідних реферованих фахових журналах і збірниках праць (з них 4 роботи без співавторів) та 9 тезах доповідей на конференціях.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, та двох додатків. Повний обсяг дисертації становить 348 стор. З них: 260 стор. тексту; 87 рисунків, з яких 42 зображено на окремих сторінках, інші 45 розміщено в тексті; 27 таблиць, з яких 10 зображено на окремих сторінках, інші 17 розміщено в тексті; 33 сторінки займає список використаних джерел, що складається з 327 найменувань; 3 стор. займають додатки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність теми, викладено мету і задачі досліджень, відображено їх зв’язок з плановими завданнями Інституту та наукову новизну і практичне значення отриманих результатів; наведено інформацію про особистий внесок здобувача, апробацію наукових результатів, кількість публікацій, структуру і обсяг дисертації.
У першому розділі проаналізовано характерні особливості енергетичного електронного спектра гексагональних квантових точок АIIВVI та основні сучасні тенденції їх досліджень. На відміну від дискретного спектра електронів, локалізованих у межах атомних електронних оболонок, стаціонарні стани руху електрона провідності в періодичній кристалічній гратці напівпровідника формують квазінеперервні енергетичні зони і описуються делокалізованою хвильовою функцією. Просторове обмеження електрона провідності в об’ємі напівпровідникової квантової точки з розмірами в кілька нанометрів знімає багатозначність його енергії як функції квазіімпульса внаслідок квантово-механічного розмірного ефекту, завдяки чому його енергетичний спектр знову стає дискретним, причому залежним від розміру квантової точки, хоча рух електрона в квантовій точці, як і в масивному кристалі, відбувається в періодичному кристалічному потенціалі.
Енергетично найнижчі збуджені стани квантових точок широкозонних напівпровідників АIIВVI при >аВ відповідають екситонам Ван’є-Мотта. Оцінки показують, що в квантових точках CdSe розмірне квантування руху центра мас екситонів Ван’є-Мотта можливе в діапазоні розмірів 1.5аВ<<3аВ (аВ=5.6 нм). Однак, в спектрах фотолюмінесценції характерні екситонні піки зникають вже при зменшенні до ~10аВ, що пояснюється зростанням впливу ефективного поверхневого безвипромінювального каналу рекомбінації. Тому, в оптичних спектрах квантових точок CdSe вдається спостерігати ефекти розмірного квантування лише електронів провідності та дірок при <аВ, коли енергія розмірного квантування їх руху EК (кінетична енергія) перевищує енергію їх кулонівської взаємодії Ve-h, а рух електронів і дірок квантується незалежно.
За відомими даними рентгеноструктурних досліджень гексагональна структура вюрциту кристалічної гратки квантових точок CdSXSe-X, синтезованих в матриці боросилікатного скла на стадії переконденсації, зберігається при зменшенні їх радіуса приблизно до 1.5-2.0 нм. З іншого боку, за даними спектроскопії поглинання ефекти розмірного квантування руху носіїв заряду проявляються при <2аВ 10.0 нм. Тому, в роботі для досліджень еволюції фізичних властивостей квантових точок CdSXSe-X вибрано діапазон розмірів 1.5-2.0 нм <<10.0 нм, де енергетичний спектр носіїв заряду розмірно-квантований, а їх рух відбувається ще в періодичному кристалічному потенціалі, характерному для гексагональної кристалічної гратки.
Аналіз показав, що до початку досліджень по темі дисертації залишались нез’ясованими, зокрема: (а) вплив розміру квантових точок широкозонних напівпровідників АIIВVI на їх фізичні параметри; (б) закономірності еволюції електронного енергетичного спектра зі зміною температури та особливості його перебудови в діапазоні розмірів aB<<2aB, тобто в умовах слабкого просторового обмеження руху носіїв заряду; (в) закономірності зміни електрон-фононної взаємодії зі зменшенням розмірів квантових точок; (г) природа центрів випромінювальної рекомбінації; (е) механізми деградації домышково-дефектної фотолюмінесценції під дією світла. Обгрунтування та розвитку потребували оптичні методи визначення параметрів квантових точок, синтезованих у прозорих діелектричних матрицях.
У другому розділі з’ясовано загальні закономірності еволюції електронного енергетичного спектра при переході від масивного кристала до квантових точок нижньої межі розмірів (1.5-2.0 нм) на прикладі сполук CdSXSe-X.
З цією метою методами електронної мікроскопії (ТЕМ) досліджено розподіл розмірів квантових точок CdSXSe-X, синтезованих в матриці боросилікатного скла на стадії переконденсації пересиченого твердого розчину під час його термічного відпалу, і показано, що розподіл розмірів є одномодовим (рис. 1) і описується асиметричною функцією Ліфшиця-Сльозова (суцільна лінія). Шляхом підгонки розрахованої залежності до експериментально отриманої визначено значення для всіх досліджуваних зразків. Також методами електронної мікроскопії (TEM, SEM) та атомно-силової мікроскопії (AFM) доведено, що форма квантових точок з ~aB близька до сферичної і вони однорідно розподілені по об’єму матриці скла. Квантові точки з ~10.0 нм вже мають чітко виражену гексагональну огранку і хаотично орієнтовані у просторі. Розраховано розмірні залежності енергії дірок і показано, що в умовах розмірного квантування величина розщеплення їх енергетичних рівнів внаслідок анізотропії ефективних мас може досягати кількох десятків міліелектронвольт. Можливе також виродження рівнів дірок з різною ефективною масою.
Наслідком особливостей температурної залежності коефіцієнтів об’ємного розширення квантових точок та скла є немонотонний характер зміни всебічного тиску матриці скла на квантові точки з температурою. Перелічені особливості враховано при аналізі структури краю смуги власного поглинання.
Еволюція структури електронного енергетичного спектра при переході від масивного кристала до квантових точок та зі зменшенням середнього радіуса останніх визначалась з аналізу структури краю смуги власного поглинання (рис. 2). Для цього в роботі запропоновано модель енергетичної структури та оптичних переходів для квантових точок АIIВVI гексагональної сингонії, що враховує ефекти розмірного квантування, розподіл розмірів квантових точок, кулонівську взаємодію між електроном і діркою, особливості структури валентної зони та всебічний тиск матриці скла. Показано, що краї головних зон в околі точки Г зони Бріллюена квантових точок CdSXSe-X з >2аВ та масивних кристалів ідентичні (параболічний закон дисперсії і квазінеперервне заповнення рівнів). Вперше з’ясовано, що в діапазоні розмірів аВ<<2аВ внаслідок впливу ефекта розмірного квантування руху носіїв заряду краї головних зон перебудовуються таким чином, що енергія найнижчих дозволених станів зростає на величину нульової енергії розмірного квантування Е. При цьому, стани з енергією, меншою Е, виявляються забороненими, а високоенергетичні стани з великою швидкістю релаксації імпульса, для яких відстань між рівнями En+1-En<, де -час релаксації імпульса, формують квазінеперервний спектр з параболічним законом дисперсії, як і в масивному кристалі. За умови аВ<<2аВ розмірно квантується лише рух низькоенергетичних носіїв з довжиною вільного пробігу l>2, для яких En+1-En>()=(), де m- ефективна маса квазічастинки, - рухливість.
Для квантових точок CdSXSe-X з <aB в роботі досліджено тонку структуру краю смуги фундаментального поглинання. Ідентифіковано оптичні переходи 1S/2 1Se, 2S/21Se та 1P/21Pe (рис. 3, стрілки). Показано, що внесок переходів 2S/2 1Se та 1Pl/21Pe незначний, а спін-орбітальне розщеплення валентних станів проявляється у спектрах при більш високих енергіях (переходи 1PSO/2 1Pe). Відмінностей величини спін-орбітального розщеплення порівняно з масивним кристалом не виявлено. Розмірна залежність нульової енергії розмірного квантування свідчить про тунелювання носіїв заряду в матрицю скла. Непараболічність зон дозволених енергій квантових точок з >aB проявляється у спектрах у вигляді відхилення від степеневої (1/2) залежності при відносному перевищенні енергії фотонів над шириною забороненої зони приблизно на 14%. Результати розрахунку спектрів поглинання з урахуванням кулонівської взаємодії Ve-h показують, що при <aB виконується співвідношення Ve-h<<EK , а значення Ve-h~0.01 еВ.
В роботі виявлено також розмірне квантування електронного енергетичного спектра кластерів CdSe, синтезованих методом термічного вакуумного осадження в багатошарових композитних структурах CdSe/SiOX.
У третьому розділі методами комбінаційного розсіяння світла, фотолюмінесценції та спектроскопії поглинання досліджено особливості електрон-фононної взаємодії.
Про ангармонізм коливань атомів в квантових точках CdSXSe1-X та змішаний компонентний склад останніх свідчать спектри комбінаційного розсіяння світла (КРС), в яких реєструються дві лінії першого порядку LO мод CdS та CdSe, лінії другого порядку обертонів вказаних коливань, та лінія сумарного коливання. По співвідношенню інтенсивностей LO-ліній та їх частотах оцінено компонентний склад квантових точок. Про наявність поверхневого дипольного моменту у квантових точках, індукованого поверхневими оптичними SO модами, частоти яких близькі до об’ємних LO мод, свідчить асиметрія LO-ліній, що проявляється у спектрах КРС у вигляді низькочастотного крила, або характерного плеча. За значеннями частот дихаючих поверхневих мод (<100 см-1) з застосуванням теорії Лемба оцінено середній радіус квантових точок.
Взаємодія електронів з LO-фононами та зв’язаними зарядами матриці скла проявляється у стоксовому зсуві смуги “екситонної” фотолюмінесценції відносно краю смуги фундаментального поглинання. Дослідження розмірної та температурної залежностей стоксового зсуву дозволили розділити вклади поляронного та поляризаційного ефектів і оцінити величину константи електрон-фононної взаємодії (LO= 2.52 для квантових точок CdS.64Se.36 з =2.9 нм), яка виявилась в кілька разів (1.55) більшою, ніж у масивних кристалах. Показано, що основною причиною стоксового зсуву екситонної фотолюмінесценції є поляризація матриці скла навколо квантової точки CdSXSe-X.
Дослідження температурної залежності оптичної ширини забороненої зони показали (рис. 4), що при >аВ залежність (T) відтворює одноіменну залежність масивних кристалів (за винятком зсуву, індукованого тиском матриці скла), в той час, як для квантових точок з <аВ спостерігаються суттєві відмінності: (1) залежність (T) стає лінійною в широкому діапазоні температур (4.2550К); (2) температурний коефіцієнт виявляється значно меншим, ніж для масивних кристалів (-4.4010-4 эВ/K при >аВ та -2.8010-4 эВ/K при <аВ). Оцінки показали, що внесок ангармонізму коливань (термічного розширення кристалічної гратки) в зміну квантових точок CdSXSe-X з температурою не перевищує 0.33%, що добре корелює з відомими даними для масивних кристалів, а домінуючий внесок в залежність (T) дає електрон-фононна взаємодія. Незважаючи на збільшення константи електрон-фононної взаємодії, яка в даному випадку є параметром, зменшення коефіцієнта в квантових точках малого розміру (<аВ) відбувається за рахунок змін їх коливального спектра внаслідок просторового обмеження фононів та зміни густини станів фононного спектра при зменшенні загальної кількості елементарних комірок, що веде до зменшення величини фрьоліхівського потенціала. Лінійність залежності (T) для квантових точок з <аВ може бути пояснена зменшенням температури Дебая (що випливає з аналізу залежності (T) за формулою Варшні), оскільки з пониженням ступеня вимірності умови розповсюдження пружних хвиль в структурі змінюються. З іншого боку, зменшення кількості елементарних комірок (елементарних осциляторів) зменшує сумарну теплову енергію та теплоємність твердого тіла, що відповідає зменшенню температури Дебая.
Дослідження закономірностей температурної поведінки довгохвильового краю фундаментального поглинання квантових точок CdSXSe-X з >аВ та <аВ в інтервалі температур 4.2550 К показали що він підкоряється узагальненому правилу Урбаха. Про це свідчать, по-перше, характерне “віяло” прямих сукупності спектрів поглинання при високих температурах та паралельний зсув краю поглинання при низьких температурах (рис. 5); по-друге, температурна залежність величини розмиття краю (значення , вставка на рис. 5); по-третє, форма ізоабсорбційних кривих, характерна для одночасної дії статичної (точкові заряджені дефекти) та динамічної (фонони) невпорядкованостей кристалічної гратки квантових точок.
Порівняння параметрів, що входять до правила Урбаха, для масивного кристала і квантових точок наведено в табл. 1. Оцінки параметрів для квантових точок було здійснено з використанням загальновідомих теорій Редфілда і Доу, Тойозави, Бонч-Бруєвича. Аналіз отриманих даних дозволив виявити такі основні закономірності.
) Зменшення коефіцієнта поглинання K(рис. 5, табл. 1) для квантових точок всіх розмірів (пояснюється малою відносною об’ємною долею квантових точок у матриці скла (0.1%)).
) Збільшення енергії Eдля квантових точок з <aB (пояснюється зростанням внаслідок квантово-розмірного ефекту).
) Зниження значення при зменшенні (пояснюється зростанням ефективності “екситон”-фононної взаємодії).
) Збільшення параметра при зменшенні (причиною цього може бути участь у формуванні краю поглинання квантових точок фононів матриці скла та поверхневих оптичних фононів самих квантових точок).
) Збільшення значення WS, що описує розмиття краю статичною невпорядкованістю (пояснюється зростанням впливу заряджених точкових дефектів).
) Зростання коефіцієнта екситон-фононної взаємодії G (причиною цього може бути зростання дипольного моменту “екситона” в анізотропній квантовій точці).
Таблиця 1
Параметри правила Урбаха та квантових точок CdSXSe-X
|
Параметр |
CdS.13Se.87 |
CdS.32Se.68 |
||
|
квантова точка |
Монокристал |
квантова точка |
монокристал |
|
|
, нм |
7.8 |
.6 |
||
|
К, см-1 |
3.63.10 |
1.5.10() [2] 2.5.10() |
7.31.10 |
- |
|
E, еВ |
2.060.02 |
2.01 () [1] 2.00 () |
2.370.02 |
2.15 () [1] 2.07 () |
|
1.300.04 |
2.34 () [1] 1.98 () |
1.180.04 |
1.62 () [1] 1.54 () |
|
|
, меВ |
57 |
28.5 () [1] 28.5 () |
55 |
30.6 () [1] 30.6 () |
|
WS, меВ |
22 |
3.4 () (290К) 1.4 () (290 К) |
23 |
- |
|
ТС, К |
2565 |
- |
5 |
- |
|
G |
0.51 |
.28 |
.56 |
.41 |
|
Frms, В/см |
1.74 .10 |
.75 .10 |
.96 .10 |
.02 .10 |
|
FS, В/см |
2.80 .10 |
.38 .10 |
.13 .10 |
Примітки: символи , вказують, що відповідні параметри, пов’язані з напрямком перпендикулярним, або паралельним осі С, відповідно.
) Зростання напруженості ефективних електричних полів (FS та Frms), індукованих статичною та динамічною невпорядкованостями.
) Зростання температури ТС, при якій вклади статичної та динамічної невпорядкованостей кристалічної гратки зрівнюються (пояснюється зменшенням густини станів коливального спектра квантових точок).
Про незначний вклад поляризаційних ефектів в квантових точках з r>aB свідчить температурна залежність максимума “екситонної” смуги люмінесценції, яка в інтервалі 4.2400 К відтворює залежність Eg(T) масивного кристала.
Четвертий розділ присвячено з’ясуванню природи центрів випромінювальної рекомбінації квантових точок CdSXSe-X та механізму деградації їх фотолюмінесценції під дією світла (photodarkening effect). У розділі викладено результати досліджень: (1) енергетичного положення акцепторних рівнів; (2) кінетики деградації фотолюмінесценції; (4) ефектів нагрівання квантових точок під дією світла; а також: (5) результати розрахунків ab initio енергій зв’язків Cd-O, Se-O та Se-Si між поверхневими атомами квантової точки CdSe та атомами матриці скла; (6) модель деградації фотолюмінесценції.
Пряма кореляція між спектрами фотолюмінесценції (ФЛ) квантових точок і масивних кристалів не спостерігається. Дослідженнями розмірних залежностей максимумів смуг (ФЛ) з урахуванням компонентного складу та гідростатичного тиску матриці скла показано, що найбільш довгохвильова смуга фотолюмінесценції відповідає випромінювальному захвату електронів з найнижчого квантово-розмірного рівня на акцепторні рівні з глибиною залягання 0.56-0.60 еВ (рис. 3). В масивних кристалах останні утворюються вакансіями кадмію VCd. Прикрайова смуга відповідає переходам вільних електронів (при високих температурах), або захвачених мілкими донорами (при низьких температурах), на акцепторні рівні з глибиною залягання 0.24-0.26 еВ, які в масивних кристалах приписуються комплексам АМi, де A- VCd, а Мi -міжвузлові атоми Cd або Ag. Аналіз спектрів поглинання та ФЛ показав, що в квантових точках CdSXSe-X має місце енергетична структура рівнів, наведена на рис. 3 (праворуч). За характером розривів зон на границі поділу “квантова точка-скло” досліджувані структури можуть бути віднесені до гетероструктур I роду.
Щоб з’ясувати механізм деградації фотолюмінесценції за участю VCd та комплексів АМi і дискримінувати термостимульовані та фотостимульовані процеси, в роботі досліджено залежність довгохвильового зсуву максимума прикрайової смуги фотолюмінесценції від інтенсивності збудження випромінюванням Ar+ лазера (514.5 нм) і показано, що цей зсув корелює зі зменшенням оптичної ширини забороненої зони квантових точок внаслідок їх нагрівання під дією світла. Зроблено оцінки температури квантових точок з урахуванням ефектів теплового розширення квантових точок та прилеглої до них нагрітої області матриці скла і показано, що роль процесів нагрівання при деградації фотолюмінесценції незначна тобто деградація домішково-дефектних смуг фотолюмінесценції носить фотостимульований характер.
Розрахунки ab initio енергій зв’язків Cd-O, Se-O, Cd-Si, Se-Si та ліній електричного потенціала в кластері, зображеному на рис. 6, в рамках самоузгодженої Хартрі-Фоківської схеми для напівемпіричного методу PM3 в наближенні NDDO (Neglect of Diatomic Differential Overlap) показали, що найбільші енергії відповідають зв’язкам Se-O та Cd-O (109.9 ккал/моль та 123.5 ккал/моль, відповідно) на границі поділу квантова точка/матриця скла (скло містить близько 70% SiO). Наслідком утворення таких зв’язків є зміна зарядового стану аніонної та катіонної граней квантової точки (рис. 6): густина додатнього заряду катіонної грані зростає, а густина від’ємного заряду аніонної грані зменшується, що веде до зміни різниці потенціалів між гранями. В збудженому стані (при наявності однієї нерівноважної електрон-діркової пари) густина зарядів на вказаних гранях перерозподіляється, що веде до зміни картини електричного поля в квантовій точці.
Запропоновано модель деградації фотолюмінесценції, в основу якої покладено відмінність кристалохімічних властивостей полярних граней () та () квантової точки CdSe. Протилежно заряджені площини, утворені йонами Cd та Se, перпендикулярні до С-осі, створюють сітку постійних дипольних моментів (модель плоского конденсатора). Доведено, що при зміні зарядового стану вказаних граней нейтральний баланс цих моментів порушується, індукуючи різницю потенціалів між гранями та неоднорідні електричні поля в об’ємі квантової точки. Енергія збудженої світлом електрон-діркової пари (1.8 еВ для CdSe) витрачається на розрив хімічних зв’язків, переважно між аніонною гранню та йонами кисню в матриці скла, тобто зв’язків Se-O. Механізм розриву хімічних зв’язків пов’язується з тунелюванням електронів і дірок в матрицю скла, де частина електронів і дірок захоплюється на та центри з подальшою їх випромінювальною рекомбінацією, а частина дірок локалізується на границі поділу квантова точка/скло, збільшуючи кількість обірваних зв’язків (або змінюючи розподіл електронної густини хімічного зв’язку) переважно на аніонній грані, як випливає з результатів розрахунків ab initio. Розрив хімічних зв’язків збільшує густину від’ємного заряду грані і, відповідно, різницю потенціалів та напруженість електричного поля в квантовій точці. Під дією поля вакансії Cd дифундують з об’єму квантової точки до поверхні, що веде до зменшення кількості центрів випромінювальної рекомбінації і згасання фотолюмінесценції. Термічним відпалом структури при температурі 400-500ОС протягом 0.5-1.0 год. сигнал домішково-дефектної фотолюмінесценції можна відновити, що пояснюється утворенням нових вакансій Cd в квантовій точці.
Модель не суперечить ефекту фотоіонізації квантових точок з захватом електронів на -центри у матриці скла і без протиріч пояснює відомі експериментальні факти, що супроводжують згасання фотолюмінесценції, зокрема: зменшення часу життя носіїв заряду та збільшення поглинання в області прозорості поблизу краю поглинання (К 0.050.1 см-1) збільшенням числа обірваних зв’язків на поверхні; зростання показника заломлення структури (810-7) зміною зарядового стану поверхні та додатковою поляризацією прилеглої області матриці скла. Наслідком фотовідпалу є зменшення дефектності кристалічної гратки гексагональних квантових точок. Запропонована модель дозволяє передбачити відсутність ефектів деградації, або принаймні їх малу ефективність, в ізотропних квантових точках кубічної модифікації.
Показано, що обробка зразків у водневій ВЧ плазмі (13.6 Мгц) з потужністю розряду 1.5 Вт/см при температурі 200OС протягом 0.5 год. збільшує інтенсивність “екситонної” фотолюмінесценції квантових точок на 20-70 %. Це пояснюється зменшенням числа поверхневих центрів захвату нерівноважних носіїв заряду, зростанням їх часу життя та внутрішнього квантового виходу фотолюмінесценції. Фотовідпал квантових точок CdSXSe-X та обробка у водневій ВЧ плазмі дозволяють покращити їх кристалічну структуру та збільшити квантовий вихід екситонної фотолюмінесценції, що важливо при розробці елементів наноелектроніки.
В роботі показана принципова можливість запису інформації в стеклах з квантовими точками CdSXSe-X та неоднорідних тонких шарах SiO/Cr. Принцип запису в стеклах грунтується на ефекті згасання фотолюмінесценції, внаслідок якого на опромінених ділянках структури формуються біти інформації з відношенням сигналів від опромінених та неопромінених ділянок близьким до 1:10. Перевагою стекол з квантовими точками над структурами SiO/Cr, в яких під дією світла змінюється коефіцієнт відбивання, є принципова можливість реалізації трьохвимірного спосбу запису інформації (не вздовж доріжки, а в глибину зразка).
У п’ятому розділі представлено результати досліджень нелінійних ефектів поляризаційного самовпливу в гексагональних масивних кристалах CdS та CdSe та стеклах з квантовими точками CdSXSe-X.
Дослідження насичення поглинання в одновісних оптично неактивних пластинчатих кристалах CdS та CdSe показали, що монотоний спад порогу просвітлення I при зміні поляризації з C на C (рис. 7, ліворуч, точки) та пологий характер нелінійного пропускання T(I) для проміжних поляризацій є наслідком нелінійної взаємодії ортогонально поляризованих оптичних переходів за участю двох верхніх валентних підзон. Для опису нелінійних залежностей T(I) розроблена модель насичення поглинання з урахуванням поляризаційного самовпливу світлової хвилі та процесів енергетичної релаксації між станами, генетично пов’язаними з верхніми валентними підзонами. Розрахунки азимутальної залежності (), де - кут між С-віссю кристала та світловим вектором на його передній грані, добре узгоджуються з експериментом (рис. 7, ліворуч, крива 3).
В розділі проаналізовано умови розповсюдження лінійно-поляризованого світла в одновісному оптично-неактивному кристалі при насиченні поглинання та довільному азимуті поляризації на його передній грані. З’ясовано, що за умови слабкого поглинання () для всіх проміжних азимутів поляризації (між 0O і 90O) яскраво проявляється тенденція до збільшення еліптичності світла на виході з кристала. Основний внесок у зміну еліптичності дають нелінійні зміни коефіцієнта поглинання. За умови сильного поглинання () оптична хвиля в кристалі залишається лінійно-поляризованою (аналог дихроїчного поляризатора), а нелінійний поворот площини поляризації (в бік осі, що відповідає меншому поглинанню) відбувається внаслідок нелінійних змін відповідних компонент коефіцієнта поглинання. Величина кута повороту може становити кілька десятків градусів, залежить від величини нелінійного дихроїзму поглинання, товщини кристала і може набувати від’ємних значень (рис. 7, праворуч, крива 5).
При насиченні поглинання лінійно-поляризованої оптичної хвилі в стеклах з хаотично-орієнтованими анізотропними квантовими точками CdSXSe-X (для них реалізується лише випадок сильного поглинання, тобто ), додатні та від’ємні за знаком нелінійні повороти площини поляризації окремими квантовими точками з С-осями, відхиленими у протилежних напрямках відносно світлового вектора оптичної хвилі, взаємокомпенсуються. Тому, поляризаційний самовплив лінійно-поляризованих хвиль не спостерігається. Ефекти поляризаційного самовпливу спостерігаються для еліптично-поляризованих хвиль, якими у просвітлений стан переводиться лише частина квантових точок з С-осями, відхиленими від великої півосі еліпса поляризації на вході в структуру на деякий кут . Це дає можливість реалізувати селективну по куту нелінійну поляризаційну спектроскопію хаотично-орієнтованих анізотропних квантових точок.
У шостому розділі запропоновано оптичні методи визначення фізичних параметрів квантових точок CdSXSe-X, синтезованих у прозорих діелектричних матрицях. Методи грунтуються на визначенні енергій оптичних переходів, величин квантово-розмірних зсувів смуг у спектрах, порогових значень інтенсивності світла та інших характеристичних спектроскопічних величин зі спектрів поглинання, фотолюмінесценції, комбінаційного розсіяння світла, нелінійних залежностей пропускання. Методи дають можливість визначати: 1) середній радіус квантових точок (); 2) компонентний склад (X); 3) дисперсію розмірів (r); 4) дисперсію компонентного складу (X); 5) ширину оптичного проміжку заборонених енергій (); 6) енергії розмірного квантування елементарних електронних збуджень (,); 7) енергію кулонівської взаємодії електронів і дірок (Ve-h); 8) глибину залягання домішкових рівнів (,, ...); 9) концентрацію квантових точок середнього радіуса (); 10) час життя нерівноважних носіїв заряду (); 11) поперечний переріз поглинання (); 12) кількість атомів (формульних молекул) у квантових точках середнього радіуса (NM) (табл. 2) та інші (див. також табл. 1).
Середній радіус квантових точок, який є одним з основних параметрів, може бути визначений, по-перше, методом спектроскопії поглинання з відносною похибкою <10%; по-друге, методом низькочастотного комбінаційного розсіяння світла з відносною похибкою від 3 до 30%, в залежності від радіуса квантових точок; по-третє, фотолюмінесцентним методом з відносною похибкою <15% (відносна похибка визначення середнього радіуса електронно-мікроскопічними методами складає 2030%). Ряд інших параметрів залежать від середнього радіуса і можуть бути оцінені за значенням , отриманим одним зі згаданих вище методів.
В роботі запропоновано також методи визначення параметрів квантових точок невідомого a priori компонентного складу. Метод визначення компонентного складу грунтується на порівнянні теоретично розрахованих та експериментально виміряних спектрів поглинання на кожному наступному кроці ітерацій значень ефективних мас, оптичної ширини забороненої зони та компонентного складу. Порівняльна характеристика оптичних методів з іншими незалежними методами показує, що оптичні методи доцільно застосовувати в діапазоні розмірів квантових точок 1.5 нм 10.0 нм. Перевагою оптичних методів є менші похибки. Крім того, оптичні методи відносно прості і, як правило, неруйнівні.
Щоб продемонструвати можливості оптичних методів в роботі досліджено особливості впливу термічного відпалу на компонентний склад квантових точок CdSXSe-X, що синтезуються до початку стадії переконденсаці пересиченого твердого розчину. Методами спектроскопії краю поглинання та комбінаційного розсіяння світла показано, що на етапі утворення зародків квантових точок CdSXSe-X синтезуються квантові точки з переважним вмістом сірки, а для селену, йонний радіус якого більший, прослідковується чітка тенденція залишатися у матриці скла. З’ясовано, що селен вбудовується у кристалічну гратку квантових точок на більш пізніх стадіях синтезу. Таким чином, доведено існування дисперсії компонентного складу в квантових точках CdSXSe-X.
ВИСНОВКИ
У дисертації неведене вирішення наукової проблеми закономірностей еволюції електронного енергетичного спектра та фізичних властивостей широкозонних напівпровідників АIIВVI гексагональної сингонії при зменшенні їх розмірів до квантових масштабів. Отримано нові результати, які в сукупності вирішують поставлену проблему. З цією метою, визначено основні фізичні параметри квантових точок CdSXSe-X, синтезованих у прозорих боросилікатних скляних матрицях, з’ясовано характер зміни параметрів при зменшенні розміру квантових точок, простежено взаємозв’язок між змінами параметрів квантових точок та їх фізичних властивостей. Вперше виявлено ряд нових фізичних ефектів, зокрема ефект перебудови країв головних зон, вплив кількості елементарних комірок кристала на температурну залежність ширини забороненої зони, ефект поляризаційного самовпливу еліптично-поляризованого світла, ефект фотовідпалу власних дефектів квантових точок, ефект збільшення квантового виходу “екситонної” фотолюмінесценції при гідрогенізації поверхні квантових точок, з’ясовано механізм фотовідпалу власних дефектів квантових точок CdSXSe-X.
Для встановлення основних закономірностей зміни фізичних властивостей напівпровідників АIIВVI гексагональної сингонії при переході до розмірів квантових масштабів, зокрема: а) особливостей формування їх енергетичного спектра в умовах повного (одночасно в трьох напрямках) просторового розмірного обмеження руху електронів провідності та дірок; б) особливостей електрон-фононної взаємодії при зменшенні загальної кількості елементарних комірок кристалічної гратки; в) розмірної еволюції фізичних параметрів квантових точок; г) ролі гетерограниці напівпровідник/ скло в процесах рекомбінації та деградації люмінесцентних властивостей при фотовідпалі; д) структури домішково-дефектних станів та механізму їх фотовідпалу; е) впливу анізотропії кристалічної гратки квантових точок та їх хаотичної орієнтації у просторі на лінійні і нелінійні оптичні властивості, в роботі на основі комплексних проблемно-орієнтованих досліджень з застосуванням методів оптичної спектроскопії поглинання, фотолюмінесценції, комбінаційного розсіяння світла, насичення поглинання, нелінійної спектроскопії поляризаційного самовпливу, атомної силової мікроскопії, та розроблених напівфеноменологічних і мікроскопічних моделей, отримано результати, що дозволяють зробити наступні ВИСНОВКИ.
. Боросилікатні стекла з квантовими точками CdSXSe-X, синтезованими методом переконденсації пересиченого твердого розчину, належать до гетероструктур першого роду, в яких квантові точки CdSXSe-X при >1.5-2.0 нм мають кристалічну гратку типу вюрциту, хаотично орієнтовані в скляній матриці, формують потенціальну яму для локалізованих в них електронів і дірок, внаслідок чого їх енергетичний спектр розмірно квантується при наближенні до аВ. При цьому:
а) енергетично найнижчими збудженими електронними станами в діапазоні розмірів квантових точок 1.5-2.0 нм 10.0 нм є електронно-діркові пари, в яких електрон та дірка взаємодіють через кулонівський потенціал та з гетерограницею; мінімальна енергія розмірного квантування EK електронів (дірок) може становити кілька сотень міліелектронвольт і на порядок величини перевищувати енергію їх кулонівської взаємодії (~0.01 еВ);
б) будова енергетичного спектра і структура краю смуги власного поглинання квазінульвимірних напівпровідникових структур “скло-квантова точка” визначаються: розміром квантових точок, ефективною масою електронів (дірок), типом структури кристалічної гратки квантових точок; дисперсією розмірів квантових точок, яка в даному випадку описується розподілом Ліфшиця-Сльозова, дисперсією компонентного складу в межах окремої квантової точки та між різними квантовими точками.
. Встановлено основні закономірності еволюції електронного енергетичного спектра широкозонних напівпровідників АIIВVIв околі абсолютного мінімума зони провідності та максимума валентної зони в центрі зони Бріллюена при переході від масивного кристала до квантової точки з ~1.5-2.0 нм та кількістю атомів 10. Показано, що зменшення лінійних розмірів нанокристала до квантових масштабів (D) викликає корінну перебудову країв головних зон. Виявлено, що в діапазоні розмірів аВ<<2аВ дно зони провідності та вершина валентної зони квантових точок деформуються таким чином, що стани з енергією, меншою нульової енергії розмірного квантування вільного електрона (дірки), стають забороненими, а стани з більшою енергією формують квазінеперервний спектр з параболічним законом дисперсії. При <аВ спектр набуває дискретної квантово-розмірної структури. Запропоновано напівфеноменологічну модель, яка дозволяє кількісно описати форму краю смуги фундаментального поглинання, простежити за розмірною еволюцією енергетичного спектра носіїв заряду для квантових точок з від 1.5-2.0 до 10 нм, що містять від ~10 до 10 атомів, та еволюцією їх краю смуги фундаментального поглинання.
. Вперше встановлено основні закономірності температурних змін краю смуги фундаментального поглинання та ширини забороненої зони квантових точок CdSXSe-X з кількістю атомів від 10 до 10. Показано, що температурна залежність ширини забороненої зони квантових точок великого розміру (>2aB) відтворює одноіменну температурну залежність масивного кристала (за винятком поправки на вплив всебічного тиску матриці скла). Зменшення розміру квантових точок до <aB веде до зменшення температурного коефіцієнта зміни ширини забороненої зони та лінійної залежності ширини забороненої зони від температури в широкому діапазоні температур (4.2550 К). Причиною зменшення коефіцієнта є зменшення густини станів фононного спектра внаслідок зменшення кількості елементарних комірок квантової точки (елементарних осциляторів). Внесок ангармонізму коливань не перевищує 1%. Виявлено зменшення температури Дебая для квантових точок CdSXSe-X.
. Показано, що зменшення розміру квантових точок збільшує величину стоксового зсуву смуги екситонної фотолюмінесценції відносно краю поглинання. Вперше з’ясовано характер зміни величини стоксового зсуву з температурою і показано, що основний вклад у величину стоксового зсуву вносить поляризація діелектричної матриці скла. Збільшення температури дещо зменшує величину стоксового зсуву, що може бути пояснено деполяризацією матриці скла з ростом температури, або впливом електрон-фононної взаємодії.
5. Доведено, що довгохвильовий край смуги власного поглинання стекол з квантовими точками CdSXSe-X підкоряється узагальненому правилу Урбаха, яке враховує статичну (заряджені точкові дефекти) та динамічну (фонони) невпорядкованості кристалічної гратки. Визначено основні параметри правила Урбаха і показано, що їх відмінності від напаремтрів для масивного кристала пояснюються впливом квантово-розмірних ефектів та зменшенням кількості елементарних комірок кристалічної гратки квантових точок. Виявлено, що константа екситон-фононної взаємодії а також напруженості ефективних електричних полів, індукованих в квантовій точці статичною та динамічною невпорядкованостями кристалічної гратки, зростають у порівнянні зі значеннями одноіменних величин для масивних кристалів.
. З’ясовано природу центрів випромінювальної рекомбінації квантових точок CdSXSe-X з <2aB, синтезованих у боросилікатному склі на стадії переконденсації пересиченого твердого розчину. Встановлено, що акцепторні стани з глибиною залягання 0.56-0.60 еВ утворюються переважно вакансіями кадмію (Vcd), а акцепторні стани з глибиною залягання 0.24-0.26 еВ комплексами типу АМi, де A- VCd, а Мi -міжвузлові атоми Cd. Короткохвильовий зсув відповідних смуг фотолюмінесценції квантових точок відносно смуг масивного кристала обумовлений квантово-розмірним ефектом та впливом тиску матриці скла.
. Показано, що причиною деградації фотолюмінесценції квантових точок під дією світла (“photodarkening” ефект) є фотовідпал їх власних дефектів. Основними факторами, що впливають на ефективність фотовідпалу є: анізотропія властивостей кристалічної гратки та наявність внутрішнього дипольного моменту квантових точок; зарядовий стан гетерограниці, що визначається типом та кількістю обірваних зв’язків; тип кристалічної грані (катіонна, аніонна, чи катіонно-аніонна грань); стан матриці скла навколо квантової точки (кількість та зарядовий стан та центрів). Це вимагає розгляду структури як складної цілісної гетеросистеми, в якій матриця скла відіграє важливу роль.
З’ясовано механізм фотовідпалу власних дефектів квантових точок CdSXSe-X. Доведено, що він пов’язаний з дифузією вакансій кадмію (VCd) до поверхні квантової точки під дією електричного поля, індукованого в квантовій точці розривом хімічних зв’язків під дією світла переважно між атомами S(Se) аніонної грані квантової точки та атомами кисню прилеглої матриці скла, та обумовленої цим зміни зарядового стану аніонної грані. Причиною розриву хімічних зв’язків є тунелювання дірок у матрицю скла. Запропоновано і обгрунтовано мікроскопічну модель деградації фотолюмінесценції квантових точок під дією світла.
. Показано принципову можливість пасивації обірваних зв’язків на поверхні квантових точок CdSXSe-X шляхом обробки структури в низькотемпературній високочастотній водневій плазмі. Вперше виявлено, що наслідком пасивації є зменшення кількості поверхневих безвипромінювальних центрів рекомбінації та збільшення внутрішнього квантового виходу екситонної фотолюмінесценції.
. Показано, що насичення поглинання в гексагональних одновісних кристалах АIIВVI викликає нелінійні зміни величини дихроїзму та значні ефекти поляризаційного самовпливу лінійно-поляризованих оптичних хвиль, який проявляється, зокрема, у повороті площини поляризації на десятки градусів. Доведено, що величина та характер поляризаційного самовпливу залежать від параметра енергетичної релаксації між верхніми валентними підзонами, розщепленими внутрікристалічним полем. Взаємокомпенсуючі повороти площини поляризації у протилежних напрямках анізотропними квантовими точками, хаотично орієнтованими у просторі, нівелюють ефекти поляризаційного самовпливу лінійно-поляризованих оптичних хвиль. Вперше виявлено ефекти поляризаційного самовпливу еліптично-поляризованих хвиль в подібних структурах.
. Розроблено та обгрунтовано оптичні методи визначення основних фізичних параметрів напівпровідникових квантових точок, синтезованих у прозорій діелектричній матриці, що дозволяють прослідкувати за еволюцією параметрів квантових точок при зменшенні їх розмірів та визначати, зокрема: середній радіус, компонентний склад, поперечний переріз поглинання, час життя носіїв заряду, енергію розмірного квантування, константу електрон-фононної взаємодії та ін. Показано, що для квантових точок АIIВVI оптичні методи доцільно застосовувати в діапазоні розмірів 1.5-2.0 нм << 10.0 нм.
Таким чином, в роботі виявлено і описано електронні явища, що протікають під дією світла безпосередньо в квантових точках широкозонних напівпровідників АIIВVI, зокрема CdS, CdSe і їх твердих розчинів, та на гетерограниці з матрицею скла. В сукупності результати дисертації являють собою систему даних фундаментального характеру про природу процесів поглинання і випромінювання світла електронною підсистемою з розмірно-квантованим енергетичним спектром, процесів електрон-фононної взаємодії в квантових точках, процесів фотовідпалу власних дефектів квантових точок та процесів на гетерограниці; а також про зміну параметрів і фізичних властивостей квантових точок при зміні їх розмірів. Отримані в дисертації нові дані важливі для науки та виробництва. В наукових дослідженнях вони повинні враховуватись при вирішенні фізичних проблем взаємодії світла з електронною підсистемою в умовах розмірного квантування енергетичного спектра. На практиці їх необхідно застосовувати при розробці оптичних та електронних пристроїв методами нанотехнологій, при вирішенні задач по створенню елементної бази наноелектроніки.
Достовірність результатів забезпечується комплексністю проведених досліджень з застосуванням добре апробованих експериментальних методик, послідовним і всебічним характером досліджень, комп’ютерним моделюванням фізичних явищ і закономірностей, що добре узгоджуються з теоретичними розрахунками та існуючими уявленнями про природу фізичних процесів в квантових точках, зокрема квантово-розмірних ефектів. Основні експериментальні методи оптичної спектроскопії є прямими методами спостереження ефектів розмірного квантування. В усіх випадках здійснювалась перевірка відтворюваності результатів та оцінювались похибки експериментів.
Результати роботи опубліковані в аторитетних реферованих вітчизняних і міжнародних виданнях (Superlattices and Microstructures, Physica Status Solidi (b), Физика твердого тела, Физика и техника полупроводников, Письма в ЖТФ, Журнал прикладной спектроскопии, Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, Український фізичний журнал, Доповіді НАН України), а також були широко апробовані на міжнародних і вітчизняних конференціях, семінарах (наведено в загальній характеристиці роботи).
Список цитованих джерел.
. Samuel L., Brada Y., Beserman R. Fundamental absorption edge in mixed single crystals of II-VI compounds // Phys.Rev.B.-1988.-Vol. 37, № 9.- P. 4671-4677.
. Лисица М.П., Кулиш Н.Р., Малыш Н.И., Булах Б.М. Спектр краевого поглощения CdSe при высоких уровнях возбуждения // ФТП.- 1985.- Т. 19, вып. 8.- С. 1399-1404.
Результати дисертації опубліковано в роботах:
. Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Лисица М.П., Малыш Н.И. Эволюция спектров поглощения при переходе от обьемных к квантово-размерным кристаллам CdSXSe-X // УФЖ.- 1992.- Т. 37, N8, С. 1141-1146.
. Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Малыш Н.И., Орлов С.В., Первак Ю.А. Насыщение оптического поглощения в монокристаллах и пленках CdSe и стекле с микрокристаллами CdSXSe-X // Квантовая электроника, Наукова думка, Киев, 1993.- вып. 45, С. 99-101.
. Валах М.Я., Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Лисица М.П., Рудько Г.Ю. Природа излучательной рекомбинации в квазинульмерных микрокристаллах CdSXSe-X // УФЖ.- 1993.- Т. 38, N11, С. 1667-1672.
. Куліш М.Р., Кунець В.П., Лисиця М.П., Малиш М.І., Риков В.І. Вплив зміни площини поляризації світла на насичення поглинання в монокристалічному CdSe // УФЖ.- 1995.- Т. 40, N9.- С. 929-932.
. Куліш М.Р., Кунець В.П., Кунець Вас.П. Нелінійне поглинання CdS // Вісник київського університету, сер. Фізико-математичні науки, Київ.- 1996, N2.- С. 304-309.
. Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Лисица М.П. Определение параметров полупроводниковых квантовых точек в стеклянных матрицах из спектров поглощения, люминесценции и насыщения оптического поглощения // ФТТ.- 1997.- Т. 39, N10.- С. 1865-1870.
. Kulish N.R., Kunets V.P., Lisitsa M.P. Determination of semiconductor quantum dots parameters by optical methods// Superlattices and Microstructures.-1997.- V. 22, N3.- P. 341-351.
. Валах М.Я., Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Лисица М.П. Влияние интенсивности непрерывного лазерного излучения на температуру нанокристаллов CdSSe в стеклянной матрице // ЖПС.- 1998.- Т. 65, N2.- С. 252-255.
. Кунец В.П. Вплив гідростатичного тиску скляної матриці на оптичні властивості нанокристалів CdSSe // УФЖ.- 1998.- Т. 43, N1.- С. 64-69.
. Kunets V.P. Polarization self-action effect and absorption saturation in CdSe single crystals // Phys. Stat. Sol. (b).- 1998.-V. 209, P. 179-186.
. Шепелявый П.Е., Кунец В.П., Михайловская Е.В., Индутный И.З. Особенности фазовых превращений в неоднородных тонких пленках моноокись кремния/хром при импульсном лазерном облучении // Письма в ЖТФ, 1999.-Т. 25, вып. 4.- С. 19-24.
. Шепелявый П.Е., Кунец В.П., Михайловская Е.В., Индутный И.З. Фазовые превращения в напыленных неоднородных слоях SiO/Cr при импульсном лазерном облучении // Научно-техн. сб. “Вопросы атомной науки и техники”, Харьков.-1998.- вып. 6(7), 7(8).- С. 176-178.
13. Malysh N.I., Kunets V.P., Valiyh S.I., Kunets Vas. P. Saturation of optical absorption in CdS single crystals // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.-1999.-V.2, N1.- P. 31-32.
. Кунец В.П. Спектроскопія краю власного поглинання квантових точок АВ.- Доповіді НАН України.- 1999.- N9, С. 86-91.
. Kunets V.P. Model of optical transitions in AB wurtzite type quantum dots.- Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.-1999.-V.2, N4.-P.23-27.
16. Kulish N.R., Kunets V.P., Lisitsa M.P., Mlayah A. and Valakh M.Ya. Size effects in TEM investigations, absorption and raman scattering spectra of CdSSe nanocrystals embedded into glass matrices // УФЖ.- 2000.- Т. 45, N2.-C. 164-167.
. Куліш М.Р., Кунець В.П., Кунець Вас.П., Лисиця М.П., Малиш М.І. Особливості крайового поглинання квазінульвимірних напівпровідникових структур з нанокристалами АВвюрцитної модифікації // Доповіді НАН України.- 2000.- N9.-С. 86-91.
. Kunets V.P., Yukhymchuk V.O., Valakh M.Ya. Optical investigations of the thermostimulated changes in an ensemble of CdSXSe-X quantum dots embedded in a borosicate glass matrix//Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.-2001.-V.4, N 3.- P. 5-7.
. Кунец В.П., Кулиш Н.Р., Кунец Вас.П., Лисица М.П., Малыш Н.И. Температурная зависимость оптической энергетической щели квантовых точек CdSXSe-X // ФТП.-2002.- Т. 36, вып. 2.- С. 227-231.
. Kunets V.P., Kulish N.R., Kunets Vas.P., Lisitsa M.P. Urbach’s rule peculiarities in structures with CdSXSe-X nanocrystals.- Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.-2002.-V. 5, N 1.- P. 9-15.
21. Kunets V.P., Kulish N.R., Strelchuk V.V., Nazarov A.N., Tkachenko A.S., Lysenko V.S., Lisitsa M.P. Enhancement of CdSSe QD exciton luminescence efficiency by hydrogen RF plasma treatment // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.-2003.-V. 6, N 2.- P.169-171.
. Kunets V.P., Kulish N.R., Lisitsa M.P., Bryksa V.P. Mechanism of photoinduced luminescence degradation in CdSXSe-X quantum dots // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.-2003.-V. 6, N 3.- P. 299-302.
. Ермолович И.Б., Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Малыш Н.И., Лисица М.П., Шейнкман М.К. Энергетическая структура микрокристаллов CdSXSe-X (0<X<1), погруженных в стеклянную матрицу // Тезисы докладов III Всесоюзной научно-техн. конф. “Материало-ведение халькогенидных полупроводников” 2-4 октября, 1991, Черновцы, часть 1, С. 64.
. Валах М.Я., Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Лисица М.П., Малыш Н.И., Рудько Г.Ю. Фотолюминесценция квазинульмерных микрокристаллов сульфоселенида кадмия при интенсивном монохроматическом возбуждении // Тезисы докладов III Всесоюзной научно-техн. конф. “Материало-ведение халькогенидных полупроводников” 2-4 октября, 1991, Черновцы, часть 2, С. 99.
. Валах М.Я., Лисица М.П., Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Рудько Г.Ю. Проявление размерных эффектов в люминесценции стекол, окрашенных микрокристаллами CdSSe // Сб. докл. укр. школы-семинара “Спектроскопия молекул и кристаллов”, 10-16 мая, 1993 г., Харьков, С. 16.
. Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Лисица М.П. Нелинейные оптические свойства легированных микрокристаллами CdSSe стекол, перспективных для оптических бистабильных устройств // Труды IV Европейской конф.-выставки по материалам и технологиям “Восток-Запад”, 17-21 октября, 1993, Санкт-Петербург, Материалы, С. 146.
. Kunets V.P., Kulish N.R., Lisitsa M.P., Valakh M.Ya., et.al. Determination of the nanocrystals average radius by absorption and Raman scattering methods // Abstracts IV International conference “Optical diagnostics of materials and devices for opto,- micro- and quantum electronics”, October 7-9, Kiev, Ukraine, 1999.- P. 16.
. Лисица М.П., Кулиш Н.Р., Кунец В.П. Оптические методы определения параметров квантово-размерных нанокристаллов А2В6. Второй российско-украинский семинар “Нанофизика и наноэлектроника”, 22-24 ноября 2000 г., Киев, Украина.- С. 38.
. Валах М.Я., Кунець В.П., Юхимчук В.О., Яремко А.М., Янчук І.Б. Оптичні дослідження зміни параметрів квантових точок CdSSe в боросилікатних стеклах при відпалі // Тези III Міжн. школи-конф. “Сучасні проблеми фізики напівпровідників”, Дрогобич, Україна.-2001.- С. 47.
. Valakch M.Ya., Yaremko A.M., Kunets V.P., Dzhagan V.N., Yukhymchuk V.O., Yanchuk I.B. Theoretical and experimental optical investigations of CdSSe QD’s parameters changes at annealing of CdSSe-doped borosilicate glasses // Abstracts of E-MRS Spring Meeting 2002, June 18-21, 2002. Micro- and nano- structured Semiconductors.- P. S-37.
. Лисиця М.П., Куліш М.Р., Кунец В.П. Спектроскопія тривимірно обмежених напівпровідників АВ. Тези доповідей. 1-а Українська наукова конф. з фізики напівпровідників, УНКФН-1 (з міжнародною участю), Україна, Одеса, 10-14 вересня 2002р., Том 1.- С.16.
АНОТАЦІЯ
Кунець В.П. Еволюція фізичних властивостей напівпровідників АIIВVI гексагональної сингонії при переході до розмірів квантових масштабів. -Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків.- Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2004.
Дисертація присвячена вирішенню проблеми еволюції фізичних властивостей широкозонних напівпровідників АIIВVI гексагональної сингонії при зменшенні їх розмірів до квантових масштабів (~D- довжини хвилі де-Бройля електрона провідності в масивному кристалі). Методами оптичної спектроскопії досліджено закономірності еволюції електронного енергетичного спектра квантових точок CdSXSe-X, синтезованих у матриці боросилікатного скла, при зменшенні їх середнього радіуса від ~10.0 нм до ~1.5-2.0 нм. В порівнянні з даними для масивних кристалів з’ясовано: вплив ефектів розмірного квантування руху електронів і дірок, кулонівської взаємодії, поляризаційних та поляронних ефектів, анізотропії ефективних мас дірок, динамічної і статичної невпорядкованостей кристалічної гратки; особливості електрон-фононної взаємодії, природу акцепторних станів, причини і механізм деградації домішково-дефектної фотолюмінесценції, роль гідрогенізації поверхні квантових точок у збільшенні квантового виходу екситонної фотолюмінесценції. Досліджено ефекти поляризаційного самовпливу оптичних хвиль при насиченні поглинання в масивних кристалах та квантових точках. На основі встановлених закономірностей запропоновано і обгрунтовано оптичні методи визначення фізичних параметрів квантових точок.
Ключові слова: квантова точка, оптична спектроскопія, електронні стани, домішкові стани, ефект поляризаційного самовпливу, фізичні параметри квантових точок.
АННОТАЦИЯ
Кунец В.П. Эволюция физических свойств полупроводников АIIВVI гексагональной сингонии при переходе к размерам квантовых масштабов. -Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математичних наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков.- Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2004.
Диссертация посвящена установлению общих закономерностей и решению проблемы эволюции физических свойств полупроводников АIIВVI гексагональной сингонии при уменьшении их размеров до квантовых масштабов (~D- длины волны де-Бройля электрона проводимости в масивном кристалле). Методами оптической спектроскопии (поглощения, фотолюминесценции, комбинационного рассеяния света, насыщения поглощения) исследованы закономерности эволюции электронного энергетического спектра квантовых точек CdSXSe-X, синтезированных в матрице боросиликатного стекла, при уменьшении их среднего радиуса ~10.0 нм до ~1.5-2.0 нм. В сравнении с данными для массивных кристаллов выяснено: влияние на физические свойства квантовых точек эффектов размерного квантования, кулоновских эффектов, поляризационных и поляронных эффектов, анизотропии эффективных масс дырок, динамической и статической неупорядоченностей кристаллической решетки; особенности электрон-фононного взаимодействия; идентифицированы центры излучательной рекомбинации и установлены причини и механизм деградации фотолюминесценции с участием этих центров под действием света; показана возможность гидрогенизации поверхности квантовых точек и увеличения квантового выхода экситонной фотолюминесценции. Исследованы эффекты поляризационного самовоздействия оптических волн при насыщении поглощения в массивных кристаллах и квантовых точках.
Впервые установлены особенности деформации краев главных зон квантовых точек при уменьшении их среднего радиуса от 2аВ до аВ (аВ- радиус боровской орбиты экситона в массивном кристалле). Показано, что при таких размерах размерное квантование енергии электронов и дырок ведет к запрету состояний с энергией ниже нулевой энергии размерного квантования, в то время как высокоэнергетические состояния формируют квазинепрерывный спектр, типичный для массивного кристалла. Предложена модель для расчета спектров поглощения квантовых точек с радиусом меньше аВ, учитывающая эффекты размерного квантования, кулоновское взаимодействие, дисперсию размеров квантовых точек и особенности структуры валентных состояний.
Впервые установлено, что уменьшение размера квантовых точек ведет к уменьшению температурного коэффициента изменения ширины запрещенной зоны вследствие модификации плотности состояний фононного спектра при уменьшении числа элементарных ячеек. Установлено, что при низких температурах основное влияние на энергетический спектр в окрестности краев главных зон оказывают точечные заряженные дефекты, а при высоких - фононы. При этом, эффективность электрон-фоннонного взаимодействия в квантовых точках возрастает в сравнении с массивним кристаллом, как и напряженности эффективных электрических полей, индуцированных этими типами неупорядоченностей.
Установлено, что акцепторные уровни в квантовых точках CdSXSe-X формируются вакансиями кадмия (VCd) и комплексами типа VCd - Мі, где Мі –междоузельный кадмий. Эффекты размерного квантования приводят к коротковолновому сдвигу полос фотолюминесценции. Поляризационные эффекты проявляются в возрастании стоксового сдвига экситонной фотолюминесценции с уменьшением размера квантовых точек на фоне коротковолнового квантово-размерного сдвига. Впервые показано, что причиной деградации примесно-дефектной фотолюминесценции является фотоотжиг собственных дефектов, а механизм деградации связан с диффузией вакансий кадмия к поверхности квантовой точки под действием неоднородных електрический полей внутри нее, возникающих вследствие туннелирования дырок в матрицу стекла и изменения зарядового состояния (или разрыва) химических связей преимущественно на анионной грани. Показана принципиальная возможность пассивации оборванных связей на поверхности квантовых точек и увеличения квантового выхода экситонной фотолюминесценции.
Для описания эффектов поляризационного самовоздействия оптических волн, распространяющихся в одноосном оптически неактивном поглощающем кристалле, предложена модель, учитывающая эффект насыщения поглощения. Показано, что при насыщении поглощения нелинейный поворот плоскости поляризации может достигать десятков градусов, в отличие от квазинульмерных структур, в которых эффект нивелируется хаотической ориентацией С-осей квантовых точек. Обнаружено, что эффекты поляризационного самовоздействия в таких структурах имеют место для эллиптически поляризованных волн.
На основании установленных закономерностей предложены оптические методы определения и контроля физических параметров квантовых точек.
Ключевые слова: квантовая точка, оптическая спектроскопия, электронные состояния, примесные состояния, еффект поляризационного самовоздействия, физические параметры квантовых точек.
ABSTRACT
Kunets V.P. Evolution of physical properties of АIIВVI hexagonal semiconductors at the transotion to the quantum size dimension. -Manuscript. Thesis for a doctor of sciences degree of physics-mathematical sciences by speciality 01.04.10-physics of semiconductors and insulators.- Lashkarev Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, 2004.
Thesis is devoted to solution of the physical properties evolution problem of АIIВVI hexagonal semiconductors due to their size decrease to the quantum scales (~D - the electron de Broglie wavelength in a bulk crystal). By means of optical spectroscopy the evolution regularities of the electron energy spectrum of CdSXSe-X quantum dots, synthesized in a borosilicate glass matrix, has been investigated being decrease their average radius from ~10.0 nm to ~1.5-2.0 nm. Comparing with the bulk crystal data the following effects were ascertained, namely: quantum confinement of electrons and holes, Coulomb interaction, polarization and polaron ones, effective mass anisotropy, dynamic and static disorders of the lattice, peculiarities of the electron-phonon coupling; nature of the acceptor states, both the reasons and mechanism of photodarkening effect, and role of the quantum dot surface hydrogenation in enhancement of the exciton photoluminescence. Then, the self-action polarization effects at absorption saturation in bulk crystals and quantum dots were investigated. Based on the ascertained regularities the optical methods for determination of quantum dots parameters have been developed.
Key words: quantum dots, optical spectroscopy, electron states, impurity states, self-action effect, physical parameters of the quantum dots.
2. Предмет и объект клинической психологии Основные определения клинической психологии в отечественной и зарубежной науке Билеты
3. Хочу отметить что наши сегодняшние проблемы не являются результатом ошибок прошлого
4. а Образование сословно ~ представительной монархии
5. Точки А В и С ~ середины сторон MK MN и NK соответственно.html
6. Предоставление турагентских услуг Предоставление услуг по сопровождению туристов Предоставление тур
7. В ортодонтическом контексте биомеханика широко используется для рассмотрения реакции зубных и лицевых стр
8. Тема 4 ДУХОВНАЯ ЖИЗНЬ ОБЩЕСТВА Задания уровня А Выберите один правильный ответ из четырех
9. 1013 Вторник 22
10. А кругом на широких равнинах Где трава укрывает жирафа Он раскинул тенистые рощи
11. Політологія
12. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук Запоріжжя ~ Ди
13. Конституционное право РФ для студентов заочной формы обучения 1
14. Суть прибыли По К
15. варианты формулировки заданий.html
16. Реферат- К вопросу о судьбах древнерусских языческих традиций в XI в
17. і Для того щоб випередити конкурента а це потребує якнайшвидшого прийняття оптимальних управлінських рішен
18. Поняття числового ряду
19. М Лисенка на тиждень від 2 грудня до 7 грудня 2013 р
20. . Понятие философии её объект предмет и функции.