Автореферат (Оптические и фотоэлектрические свойства композитных структур на основе пористой матрицы SnO2 и гетероэпитаксиальных нанокристаллов CdSe-CdS)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В.ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТна правах рукописиДроздов Константин АндреевичОптические и фотоэлектрические свойства композитных структур на основепористой матрицы SnO2 и гетероэпитаксиальных нанокристаллов CdSe/CdSСпециальность 01.04.10 – физика полупроводниковАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2015Работа выполнена на кафедре общей физики и физики конденсированного состояния физическогофакультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшегообразования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»Научные руководители:Хохлов Дмитрий Ремович, доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН,Федеральноегосударственноебюджетное«МосковскийгосударственныйобразовательноеуниверситетимениучреждениеМ.В.Ломоносова»,высшегообразованияфизическийфакультет,заведующий кафедрой общей физики и физики конденсированного состояния.Васильев Роман Борисович, кандидат химических наук, доцент, Федеральное государственноебюджетноеобразовательноеучреждениевысшегообразования«Московскийгосударственныйуниверситет имени М.В.Ломоносова», факультет наук о материалах, доцент кафедры наноматериалов.Официальные оппоненты:Витухновский Алексей Григорьевич, доктор физ.-мат.

наук, профессор, Федеральное государственноебюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н.Лебедева Российской академии наук,заведующий отделом люминесценции им. С.И. Вавилова.Зайцев-Зотов Сергей Владимирович, доктор физ.-мат. наук, профессор, Федеральное государственноебюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники имени Котельникова Российскойакадемии наук, заведующий лабораторией низкоразмерных структур атомного масштаба.Ведущая организация:Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессиональногообразования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ)Защита состоится “4” июня 2015 года в 17:30 часов на заседании Диссертационного совета Д 501.001.70при Московском Государственном Университете имени М.В.

Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1,Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 35, конференц-зал Центра коллективного пользования физическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова и в сети Internet по адресу: http://phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-70/Автореферат разослан “___“ апреля 2015 г.Ученый секретарь Диссертационного совета Д. 501.001.70кандидат физ.-мат. наук, доцентА.И.

Ефимова3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыКомпозитные структуры на основе пористых полупроводниковых пленокявляютсяперспективнымиматериаламидлясозданиясолнечныхбатарей,фотодетекторов и газовых сенсоров. Адсорбция молекул в пористых оксидах оказываетсущественное влияние на электронные и оптические свойства всей системы. Даннымпроцессомможно управлять, осаждая на поверхность оксидамолекулы илинанокристаллы с известными свойствами. Одним из многообещающих вариантовявляетсясозданиеструктурсквантовымиточками–полупроводниковыминанокристаллами с характерными размерами порядка 10 нм, свойства которыхсущественно отличаются от свойств объемного материала такого же состава.

Электрон втаком нанокристалле ведет себя как электрон в трёхмерной потенциальной яме, при этомвзаимное расположение энергетических уровней может быть оптимизировано подконкретныезадачизасчетварьированияэлементарногосоставаиразмерананокристалла, а также создания композитных структур различного типа [1].Следует отметить несколько проблем, связанных с использованием квантовыхточек в качестве ключевых элементов, осуществляющих генерацию фотовозбужденныхносителей заряда.

Во-первых, на настоящий момент не представляется возможнымсинтезировать абсолютно одинаковые частицы; в системе всегда присутствуетдисперсия по размеру. В результате каждый энергетический уровень, отвечающийопределенномуквантовому состоянию,всистеменанокристалловоказываетсяпредставленным ансамблем близко лежащих энергетических уровней, создаваемыхразличными нанокристаллами. Как следствие, спектральные характеристики длясистемы нанокристаллов оказываются уширенными, что приводит к снижениюэффективности работы приборов на выделенной длине волны. Во-вторых, вследствиемалыхразмеровквантовыхточеккрайнезначительнымстановитсявлияниеповерхностных эффектов на формирование энергетического спектра нанокристалла.Наличие оборванных связей на поверхности приводит к формированию дополнительныхэнергетических уровней.

В-третьих, сам процесс внедрения квантовых точек в рабочуюматрицу должен одновременно позволить сохранить исходный энергетический спектр4нанокристалла и обеспечить возможность эффективного зарядового обмена междунанокристаллом и матрицей.Методы синтеза нанокристаллических соединений A2B6 (CdSe, CdTe, CdS и ZnSe)и A3B5 (InP и InAs) разработаны довольно давно.

На данный момент наиболее простыми отработанным является процесс синтеза квантовых точек элементов группы A2B6. Вданной группе наибольший интерес вызывают квантовые точки CdSe. Это обусловленотем, что при характерных размерах порядка 2-10 нм, спектр фотолюминесценции лежитв видимом диапазоне, а большая спектральная разница в длинах волн возбуждения иэмиссии позволяет существенно повысить селективность регистрации полезногосигнала.ВнастоящейработемодификациясвойствнанокристалловCdSeосуществлялась за счет варьирования их размера и формирования гетероэпитаксиальныхнанокристаллов CdSe/CdS путем наращивания оболочки CdS на исходные квантовыеточки.

Выбор материала оболочки обусловлен общим структурным тип (сфалерит) иблизкими параметрами решетки (CdSe - 6.05 А, CdS – 5.82 А)В качестве структуры, фотосенсибилизация которой проводилась с помощьюквантовых точек, были выбраны пористые пленки SnO2. Выбор диоксида оловаобусловлен его прозрачностью в видимом спектральном диапазоне и низкойконцентрацией собственных носителей заряда. Эффективному пространственномуразделению фотовозбужденных носителей заряда в структурах способствует то, чтонижний электронный уровень нанокристалла CdSe располагается выше края зоныпроводимости SnO2.Целью работы являлось изучение эффективности фотосенсибилизации пористойматрицы SnO2 с помощью гетероэпитаксиальных нанокристаллов CdSe/CdS.

В качествеосновныхварьируемыхнанокристаловCdSeипараметровтолщинарассматривалисьоболочкиCdSлинейныедляразмерыдлягетероэпитаксиальныхнанокристаллов CdSe/CdS.Задачи работы включали:1.ПроведениеколлоидныхисследованиянанокристалловоптическихCdSeсвойствразличногопористыхразмера,пленокSnO2,коллоидныхгетероэпитаксиальных нанокристаллов CdSe/CdS с различной толщиной оболочки CdS.52.Проведение комплексных исследований оптических и электрофизических свойствкомпозитных структур на основе SnO2, фотосенсибилизированных нанокристалламиCdSe различного размера и гетероэпитаксиальными нанокристаллами CdSe/CdSсразличной толщиной оболочки CdS.3.Созданиеполуклассическоймодели,описывающейфизическиесвойстваисследуемых композитных структур.Научная новизна и положения, выносимые на защиту:1.Обнаружено, что в спектральных зависимостях фотопроводимости для структурSnO2-QD и в спектральных зависимостях оптического поглощения нанокристалловприсутствует смещение особенностей спектров, отвечающих квантовым точкам.Указаны основные факторы, влияющие на величину сдвига и его знак: влияние матрицына исходный энергетический спектр нанокристаллов и уменьшение их эффективногоразмера вследствие окисления поверхности.2.Установлено, что при варьировании размера нанокристаллов CdSe максимальнаяфотопроводимость в структурах SnO2-QD достигается при внедрении в матрицуквантовых точек минимального размера.3.Установлено, что максимальная фотопроводимость в структурах SnO2-QD привнедрении в матрицу гетероэпитаксиальных нанокристаллов CdSe/CdS достигается притолщине оболочки CdS в 2 монослоя.

Указаны основные факторы, влияющие наамплитудусигнала:уменьшениевкладабезызлучательнойрекомбинациивнанокристаллах и дефектообразование как механизм снятия механических напряжений.Научная и практическая ценность работыНаучная ценность работы заключается в том, что представленные в настоящейработе данные характеризуют оптические и фотоэлектрические свойства системыматрица-нанокристалл при варьировании нескольких параметров системы.

При этом всеобъекты исследования были получены в одинаковых условиях и со следованиемнеизменному технологическому процессу, что позволяет оценить вклад каждого изпараметров. Совокупность данных о механизмах генерации и рекомбинации носителейзарядов в нанокристаллах, о модификации энергетической диаграммы нанокристалловпри создании композитной гетероэпитаксиальной структуры и при внедрении6нанокристаллов в матрицу, о механизмах переноса носителей между нанокристаллом иматрицей, о транспорте носителей в самой матрице необходима для оптимизациипараметров системы под конкретное практическое приложение. Необходимо такжеотметить,чтоиспользованиематрицыдиоксидаоловавкачествефотосенсибилизируемой нанокристаллами структуры в целом достаточно ново ивозможно в силу создания методики синтеза. Отличительной особенность полученныхструктур является их слабая чувствительность к изменению газового состава структуры.Апробация результатов работыРезультаты, полученные в настоящей работе, докладывались на Европейскойконференции European Conference on Individual Monitoring of Ionizing Radiation (Афины,Грефия, 2010), XV Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника»(Нижний Новгород, Россия, 2011), Международной конференции 13th InternationalConference on the Formation of Semiconductor Interfaces, ICFSI-13 (Веймар, Германия,2011), Международной конференции 12th International Conference "Optics of Excitons inConfined Systems", OECS12 (Париж, Франция, 2011), XIII Всероссийской молодёжнойконференциипофизикеполупроводниковиполупроводниковойопто-инаноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 2011), Международной конференции 31stInternational Conference on the Physics of Semiconductors (Цюрих, Швейцария, 2012), XIXУральской международной зимней школе по физике полупроводников (Зеленогорск,Россия, 2012), 4 Всероссийской молодежной конференции "Фундаментальные иинновационные вопросы современной физики" (Москва, Россия, 2012 г).ПубликацииПо теме диссертационной работы опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи и 9тезисов докладов в трудах конференций.Личный вклад автора в диссертационную работуЭкспериментальные данные по исследованию оптических свойств нанокристалловCdSe, CdSe/CdS, матрицы SnO2; оптических и фотоэлектрических свойств композитныхструктур SnO2-CdSe, SnO2- CdSe/CdS, представленные в диссертации, получены авторомлично.

Анализ и систематизация результатов эксперимента выполнены автором лично.7Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, включает списокцитируемой литературы из 94 ссылок. Объем диссертации составляет 111 страниц,включая 41 рисунок и 4 таблицы.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснованы актуальность темы и выбор объектов, названы задачи ицели исследования, кратко изложено содержание работы по главам.В первой главе представлены теоретические аспекты, имеющие отношение кполупроводниковым нанокристаллам. Производится последовательное рассмотрениеобъектов по мере усложнения их внутренней структуры; параллельно с этим приводитсядетальное обоснование выбора объекта исследований настоящей работы.В начале главы рассматривается энергетическая диаграмма для нанокристалла иприводится зависимость положения энергетических уровней, обусловленных размернымквантованием, от линейного размера нанокристалла.