Отримана чітка структура поверхневої люмінесценції

Співробітники відділу люмінесценції їм. Вавілова ФІАН і факультету наук про матеріали МДУ їм. М. в. Ломоносова отримали чітку структуру поверхневої люмінесценції, яка допомогла їм описати природу явища. Результати їх роботи допоможуть визначити способи керування цим видом люмінесценції, що, в свою чергу, відкриє можливості для створення білих світлодіодів або елементів квантової електроніки нового типу.

Люмінесценція, або світіння речовини після поглинання енергії збудження, була головним напрямком діяльності засновника ФІАН С. В. Вавілова. У що носить його ім’я відділі інституту справа Вавілова активно триває і розвивається. Так, співробітники відділу люмінесценції їм. С. В. Вавілова ФІАН і факультету наук про матеріали МДУ їм. М. в. Ломоносова досліджують властивості квантових точок (зокрема CdS) з метою використання їх у складі різного роду випромінювачів.

У низці цих властивостей природа поверхневої люмінесценції стояла на одному з перших місць.

Механізм люмінесценції в твердому тілі розрізняється в залежності від того, відбувається вона з участю електронної підсистеми всього кристалу або ж всередині домішкового центру. Що стосується першого типу, межзонной люмінесценції, обумовленої електронними переходами між валентною зоною і зоною провідності, то вона вже добре і детально вивчена.

Проте із зменшенням розмірів світловипромінюючих нанокристалів роль межзонной люмінесценції помітно знижується – часто починає домінувати домішкова люмінесценція, обумовлена електронними переходами між зонами і донорно-акцепторними рівнями домішкових і поверхневих атомів.

Цілісного уявлення про природу цього явища поки що не існує. Між тим, дослідження домішкової люмінесценції і виявлення можливостей управління її характеристиками здатні допомогти у створенні нових органічних світловипромінювальних діодів і елементів квантової електроніки. Так, оптики давно мріють про створення джерела білого світла, ідентичного природного. Зараз він виходить лише при комбінації випромінювачів червоних, зелених і синіх кольорів, а з грамотним використанням широкого спектру поверхневої люмінесценції джерела білого світла можна буде отримувати на основі однієї речовини.

Один з авторів дослідної роботи, яка планується до виходу на сторінках журналу Journal of Chemical Physics – Олексій Кацаба, студент 5 курсу МФТІ, працює у відділі Люмінесценції ФІАН під керівництвом доктора фіз.-мат. наук Олексія Витухновского, керівника відділу люмінесценції їм. С. В. Вавілова. Він розповідає:

«Люмінесценцію кристалів CdS вивчають вже давно, ще з середини минулого століття. Звичайно, все це час досліджувалися в основному не квантові точки, а звичайні монокристали, але в них теж спостерігалася досить інтенсивна домішкова люмінесценція. Правда, що з нею далі робити залишалося незрозумілим. Ми ж пропонуємо деякий розвиток теми. Наші зразки вирощені методом колоїдної хімії, у них велика домішкова люмінесценція, яка має складну структуру і температурні залежності, які ми пов’язуємо з передаванням енергії між рівнями, які відповідають за світіння поверхневих станів. Таких результатів з чіткою структурою домішкової люмінесценції до нас ще не спостерігалося».

Оптичні властивості напівпровідникових нанокристалів зараз досліджуються практично повсюдно і знаходять своє застосування в різноманітних органічних світлодіодах, біологічних маркерах, лазерах або елементи квантової електроніки. У більшості випадків люмінесценція напівпровідників визначається міжзонними переходами і тому її колір можна контролювати, змінюючи розміри нанокристалів. Проте з їх зменшенням на поверхню все більше виходять різні дефекти і домішки зразків, також збільшується частка поверхневих атомів. Все це призводить до прояву домішкової люмінесценції, властивості якої залишаються невивченими.

У своїй роботі дослідники вивчали наночастинки CdS характерних розмірів в 4-5 нм. Вони були отримані з пересиченого розчину высококипящего неполярного розчинника і додатково стабілізовані олеїновою кислотою. Така обробка повинна була зв’язати поверхневі стани і погасити примесную люмінесценцію, але аналіз зразків показав, що на поверхні наночастинок в достатку залишилися прореагували ділянки.

Тому отримана суспензія нанокристалів в розчині випромінювала світло жовтий, що за спектрами відповідало домішкової люмінесценції. При цьому на спектрах також є основною, малий по інтенсивності, межзонный пік люмінесценції на довжинах хвиль синього кольору. Широка ж домішкова область є суперпозицією трьох окремих піків, поведінка яких з зміною температури розрізняється.

Рис. 1. Отримані в роботі спектри фотолюмінесценції напівпровідникових нанокристалів CdS з кроком по температурі близько 30К.

Олексій Кацаба:

«Ми показуємо в нашій роботі, що є пік, який пов’язаний із зоною всередині квантової точки. Він зміщується з таким характером, як межзонный экситонный перехід. Виходить, що деякі переходи і лінії в домішковому спектрі теж залежать від розміру квантової точки. Будемо змінювати розмір – і смуга буде зсуватися. Про це говорять і температурні залежності».

На основі цих термічних залежностей спектрів і кінетичних кривих фотолюмінесценції авторам статті вдалося побудувати модель енергетичних рівнів та переходів, що відповідають за оптичні властивості зразків. Таким чином, вчені вперше описали природу домішкової люмінесценції та намітили можливості для управління її характеристиками.

АНІ ФІАН-Інформ

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *