Диссертация (Особенности нелинейного поглощения при резонансном одно- и двухфотонном возбуждении экситонов в коллоидных квантовых точках CdSe-ZnS)

Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования«Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова»ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиКозлова Мария ВладимировнаОсобенности нелинейного поглощения при резонансном одно- идвухфотонном возбуждении экситонов в коллоидных квантовыхточках CdSe/ZnS(01.04.10 – физика полупроводников)Диссертацияна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукнаучный руководитель:доктор физ.-мат.

наук, профессорВ.С. Днепровскийнаук профессорМОСКВА 20152СОДЕРЖАНИЕВведение………………………………………………………………………………………..6Глава I. Оптоэлектронные свойства полупроводниковых квантовых точек (политературе).…………………………………………………………………………………………..15§1.1. Полупроводниковые квантовые точки и их энергетическая структура…………….151.1.1. Структуры пониженной размерности…………………………………………..151.1.2. Квантование энергии полупроводниковых квантовых точек…………………161.1.3. Экситоны в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах……...20§1.2. Нелинейные эффекты в полупроводниковых квантовых точках при высокихуровнях оптического возбуждения.………………………………………………………………….221.2.1. Насыщение поглощения в двухуровневой системе..…………………………..221.2.2.

Механизмы рекомбинации в полупроводниковых наноструктурах………….241.2.3. Эффект Штарка в полупроводниковых квантовых точках..…………………..271.2.4. Процесс фотозатемнения в полупроводниковых квантовых точках .………..30§1.3.Нелинейныеоптическиесвойстваполупроводниковыхнаноструктурпридвухфотонном возбуждении…………………………………………………………………………32§1.4. Методы создания полупроводниковых квантовых точек……………………………341.4.1. Основные методы роста наноструктур…………………………………………341.4.2. Синтез коллоидных нанокристаллов типа ядро/оболочка CdSe/ZnS………...36ГлаваII.Нелинейноепоглощениеипроцессысамовоздействиямощныхпикосекундных лазерных импульсов при резонансном однофотонном возбужденииосновного экситонного перехода в коллоидных квантовых точках CdSe/ZnS……………..38§2.1.

Исследуемые образцы коллоидных квантовых точек CdSe/ZnS.………………….. 382.1.1. Структура коллоидных квантовых точек CdSe/ZnS………………………….382.1.2. Схема энергетических уровней и однофотонных оптических переходов вквантовых точках CdSe/ZnS………………………………………………………………………….392.1.3. Экспериментальная установка для измерения спектров пропускания ифотолюминесценции коллоидных растворов квантовых точек…………………………………...432.1.4.

Спектры пропускания и фотолюминесценции используемых квантовых точекCdSe/ZnS………………………………………………………………………………………………45§2.2. Нелинейное поглощение коллоидного раствора квантовых точек CdSe/ZnS принестационарном резонансном однофотонном возбуждении основного экситонного перехода...4832.2.1. Экспериментальная установка для измерения пропускания коллоидныхквантовых точек при однофотонном нестационарном возбуждении……………………………..482.2.2. Эффект заполнения экситонных состояний ультракороткими импульсамилазера в квантовых точках с зависящим от интенсивности света временем жизни возбужденногосостояния………………………………………………………………………………………………492.2.3.Сопутствующие эффекты,приводящие к изменению поглощенияколлоидных квантовых точек CdSe/ZnS…………………………………………………………….55§2.3.

Нелинейное поглощение коллоидного раствора квантовых точек CdSe/ZnS пристационарном однофотонном возбуждении основного экситонного перехода.………………….562.3.1. Экспериментальная установка для измерения пропускания коллоидныхквантовых точек при однофотонном стационарном возбуждении………………………………..562.3.2. Эффекты, сопутствующие насыщению поглощения при стационарномвозбуждении квантовых точек CdSe/ZnS…………………………………………………………...58§2.4. Самодифракция френелевского и фраунгоферовского видов ультракороткихлазерных импульсов при формировании канала прозрачности и наведенной диафрагмы вколлоидных квантовых точках CdSe/ZnS…………………………………………………………...632.4.1.Экспериментальнаяустановкадляисследованияособенностейраспространения пикосекундных лазерных импульсов через коллоидный раствор квантовыхточек CdSe/ZnS………………………………………………………………………………………..632.4.2.

Самодифракция Френеля ультракоротких лазерных импульсов в коллоидныхквантовых точках CdSe/ZnS………………………………………………………………………….662.4.3. Самодифракция Фраунгофера ультракоротких лазерных импульсов вколлоидных квантовых точках CdSe/ZnS…………………………………………………………...71Глава III. Нелинейное поглощение коллоидных квантовых точек CdSe/ZnS прирезонансном двухфотонном возбуждении мощнымипикосекундными лазернымиимпульсами…………………………………………………………………………………………..75§3.1. Используемые образцы коллоидных квантовых точек CdSe/ZnS………………......753.1.1. Схема энергетических уровней и двухфотонных оптических переходов вквантовых точках CdSe/ZnS.

Правила отбора………………………………………………………753.1.2. Характеристики исследуемых коллоидных квантовых точек CdSe/ZnS..…...77§3.2. Нелинейное поглощение коллоидного раствора квантовых точек CdSe/ZnS прирезонансном двухфотонном возбуждении экситонных переходов.……………………………….793.2.1. Изменение интенсивности излучения при прохождении через двухфотоннопоглощающую среду….………………………………………………………………………………7943.2.2. Экспериментальная установка для измерения нелинейного поглощенияколлоидных квантовых точек при резонансном двухфотонном возбуждении…………………...813.2.3.

Нелинейное поглощение коллоидного раствора квантовых точек CdSe/ZnS вслучае резонансного двухфотонного возбуждения экситонных переходов……………………...823.2.4. Особенности нелинейного двухфотонного поглощения коллоидного раствораквантовых точек CdSe/ZnS при высоких уровнях возбуждения…………………………………..85§3.3. Треки фотолюминесценции при двухфотонном возбуждении экситонных переходовв коллоидных квантовых точках CdSe/ZnS…………………………………………………………873.3.1.

Изменение интенсивности фотолюминесценции с расстоянием……………..873.3.2.Методикапроведенияэкспериментовпоисследованиютрековфотолюминесценции.…………………………………………………………………………………893.3.2.1.Экспериментальнаяустановкадлярегистрациитрековфотолюминесценции в коллоидном растворе квантовых точек…………………………………..893.3.2.2. Распределение энергии по импульсам в цуге Nd3+:YAG-лазера………923.3.2.3. Регистрация и обработка треков фотолюминесценции………………...933.3.3. Зависимость интенсивности фотолюминесценции квантовых точек CdSe/ZnSот продольной координаты.……………………….…………………………………………………933.3.3.1. Треки фотолюминесценции квантовых точек CdSe/ZnS при различныхинтенсивностях возбуждающих импульсов.………………………………………………………..933.3.3.2.

Процессы, сопутствующиедвухфотонному поглощению на трекахфотолюминесценции квантовых точек CdSe/ZnS…………………………………………………..983.3.3.3.Расчеткоэффициентадвухфотонногопоглощенияколлоидныхквантовых точек CdSe/ZnS из треков фотолюминесценции.

…………………………………….1003.3.4. Зависимость интенсивности фотолюминесценции квантовых точек CdSe/ZnSот поперечной координаты……………………………………………………………………….....101Глава IV. Изменение формы лазерных импульсов двухфотонно поглощающимиквантовыми точками CdSe/ZnS и монокристаллом GaAs, помещенными внутрирезонатора…………………………………………………………………………………………...104§4.1. Дополнительная отрицательная обратная связь в резонаторе лазера……………...104§4.2. Характеристики используемых коллоидных квантовых точек CdSe/ZnS имонокристаллов GaAs.………………………………………………………………………………105§4.3. Экспериментальные установки для регистрации импульсов Nd3+:YAP-лазера ицугов импульсов Nd3+:YAG-лазера при помещении в резонатор двухфотонно поглощающегоэлемента……………………………………………………………………………………………...10854.3.1. Установка для регистрации наносекундных импульсов Nd3+:YAP-лазера…1084.3.2.

Установка для регистрации цуга пикосекундных импульсов Nd3+:YAGлазера…………………………………………………………………………………………………110§4.4. Изменение генерируемых наносекундных импульсов Nd3+:YAP-лазера припомещенииврезонатордвухфотоннопоглощающегонелинейногоэлемента………………………………………………………………………………………….…..1124.4.1.

Изменение формы и длительности генерируемых импульсов Nd3+:YAP-лазерапри помещении в резонатор кюветы с коллоидным раствором квантовых точек CdSe/ZnS илимонокристаллической пластинки GaAs…………………………………………………………....1124.4.2. Численный расчет генерируемых наносекундных импульсов Nd3+:YAP-лазераприпомещенииврезонаторнелинейногоэлементаотрицательнойобратнойсвязи…………………………………………………………………………………………………..116§4.5. Изменение генерируемых цугов пикосекундных импульсов Nd3+:YAG-лазера припомещенииврезонатордвухфотоннопоглощающегонелинейногоэлемента.……………………………………………………………………………………………..1214.5.1.

Изменение формы огибающей и количества генерируемых импульсов цугаNd3+:YAG-лазера при помещении в резонатор кюветы с коллоидным раствором квантовыхточек CdSe/ZnS или монокристаллической пластинки GaAs.……………………………………1214.5.2.ЧисленныйрасчетгенерируемыхцуговпикосекундныхимпульсовNd3+:YAG-лазера при помещении в резонатор нелинейного элемента отрицательной обратнойсвязи…………………………………………………………………………………………………..126Заключение………………………………………………………………………………….130Благодарности………………………………………………………………………………132Список литературы………………………………………………………………………...1336ВведениеАктуальность диссертационной работы. Последние несколько десятков лет возрастаетинтерес к изучению нелинейных оптических явлений в полупроводниковых структурахпониженной размерности (в полупроводниковых квантовых ямах, множественных квантовыхямах, сверхрешетках, квантовых проводах и квантовых точках) и к возможности ихиспользования при создании новых оптоэлектронных устройств.

Для технологии важностьизучения наномасштабных объектов обусловлена миниатюризацией электронных компонентов.Начиная с появления транзистора, постоянная необходимость создавать в вычислительныхцелях как можно меньшую элементную базу поспособствовала развитию множестваанализирующих инструментов и методов изготовления структур пониженной размерности,которые позволяют непосредственное наблюдение и манипуляцию объектами в наномасштабе.Уникальные оптические свойства наноструктур по сравнению с объемными материалами,чрезвычайно высокое отношение поверхности к объему и синтезируемые поверхностныесвойства, позволяют использовать эти материалы в таких совершенно разных областях какизготовление твердотельных датчиков и источников излучения, онкомаркеров и существенноесокращение размера электронных устройств.В полупроводниковых наноструктурах могут проявляться два вида оптическихнелинейныхпроцессов.Первыйобусловленбезынерционными(классическими)нелинейностями и возникает при взаимодействии оптического поля высокой напряженности сосвязанными носителями зарядов.