Диссертация (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 01.04.10Физика полупроводниковДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:Чл.-корр.

РАН, профессор,доктор физ.-мат. наукД.Р. Хохловдоц., к.х.н.,Васильев Р.Б.Москва – 20152Введение ...................................................................................................................................................4Глава 1. Литературный обзор. Полупроводниковые нанокристаллы: структура и свойства ........101.1. Особенности энергетического спектра низкоразмерных систем. Синтез коллоидныхнанокристаллов......................................................................................................................................101.1.1.

Размер нанокристалла .....................................................................................................121.1.2. Внутризонные переходы ................................................................................................161.1.3. Поверхность нанокристалла...........................................................................................171.1.4. Стабильность оптических свойств ................................................................................231.1.5. Синтез коллоидных нанокристаллов.............................................................................231.2. Гетероэпитаксиальные нанокристаллы типа ядро/оболочка ................................................251.2.1.

Гетероэпитаксиальные нанокристаллы.........................................................................251.2.2. Деформация .....................................................................................................................281.3. Структуры с гетероэпитаксиальными нанокристаллами ......................................................331.3.1. Генерация фотовозбужденных носителей заряда в нанокристаллах .........................331.3.2. Перенос носителей заряда из нанокристалла в матрицу .............................................341.3.3.

Пористая поликристаллическая матрица оксида .........................................................371.4. Проблематика и постановка задачи.........................................................................................40Глава 2. Методика эксперимента .........................................................................................................422.1. Экспериментальные установки ................................................................................................432.2.

Исследованные образцы ...........................................................................................................532.2.1. Коллоидные квантовые точки CdSe ..............................................................................532.2.2. Гетероэпитаксиальные нанокристаллы CdSe/CdS .......................................................592.2.3. Пористые пленки диоксида олова .................................................................................652.2.4.

Структуры на основе пленок SnO2 с внедренными нанокристаллами ......................683Глава 3. Электрофизические и оптические свойства структур SnO2 c квантовыми точками CdSeразличного размера ...............................................................................................................................73Глава 4. Электрофизические и оптические свойства структур SnO2 c квантовыми точкамиCdSe/CdS с различной толщиной оболочки CdS ...............................................................................85Основные результаты и выводы ........................................................................................................100Список литературы .............................................................................................................................1024ВведениеАктуальностьКомпозитные структуры на основе пористых полупроводниковых пленок являютсяперспективными материалами для создания солнечных батарей, фотодетекторов и газовыхсенсоров.

Адсорбция молекул в пористых оксидах оказывает существенное влияние наэлектронные и оптические свойства всей системы. Данным процессом можно управлять,осаждая на поверхность оксида молекулы или нанокристаллы с известными свойствами [1].Одним из многообещающих вариантов является создание структур с квантовыми точками.Квантовые точки (QD) – это полупроводниковые нанокристаллы с характерными размерамипорядка 10 нм, свойства которых существенно отличаются от свойств объемного материалатакого же состава [2, 3] - электрон в таком микрокристалле ведет себя как электрон втрёхмерной потенциальной яме. При этом взаимное расположение энергетических уровней вквантовой точке может быть оптимизировано под конкретные задачи за счет варьированияэлементарного состава [4, 5] и размера [6, 7] нанокристалла, а также создания композитныхструктур различного типа [2, 8].Методы синтеза нанокристаллических соединений A2B6 (CdSe, CdTe, CdS и ZnSe) и A3B5(InP и InAs) разработаны довольно давно [9, 10].

На данный момент наиболее простым иотработаннымявляетсяпроцесссинтезаквантовыхточекэлементовгруппыA2B6.Стабильность, размерно-зависимые оптические свойства, простота и относительная дешевизнасинтеза позволяет рассматривать квантовые точки в качестве основы нового классафункциональных материалов: диодов [3, 11, 12], лазеров [3, 13], солнечных батарей ифотодетекторов [3, 14, 15], одноэлектронных транзисторов и наноразмерных элементов памяти[3, 16] с параметрами лучшими, чем у существующих в настоящее время. Квантовые точкитакже могут найти свое применение в медицине и биологии в качестве флуоресцентныхмаркеров, позволяющих детектировать процессы, происходящие в клетке [3, 17].

В группе A2B65наибольший интерес вызывают квантовые точки CdSe. Это обусловлено тем, что прихарактерных размерах порядка 2-10 нм, спектр фотолюминесценции лежит в видимомдиапазоне, а большая спектральная разница в длинах волн возбуждения и эмиссии позволяетсущественно повысить селективность регистрации полезного сигнала.Следует отметить несколько проблем, связанных с использованием квантовых точек вкачестве ключевых элементов, осуществляющих генерацию фотовозбужденных носителейзаряда.

Во-первых, на настоящий момент не представляется возможным синтезироватьабсолютно одинаковые частицы; в системе всегда присутствует дисперсия по размеру. Врезультатекаждыйэнергетическийуровень,отвечающийопределенномуквантовомусостоянию, в системе нанокристаллов оказывается представленным ансамблем близко лежащихэнергетическихуровней,создаваемыхразличныминанокристаллами.Какследствие,спектральные характеристики для системы нанокристаллов оказываются уширенными, чтоприводит к снижению эффективности работы приборов на выделенной длине волны. Вовторых, вследствие малых размеров квантовых точек крайне значительным становится влияниеповерхностных эффектов на формирование энергетического спектра нанокристалла.

Наличиеоборванных связей на поверхности приводит к формированию дополнительных энергетическихуровней. В-третьих, сам процесс внедрения квантовых точек в рабочую матрицу долженодновременно позволить сохранить исходный энергетический спектр нанокристалла иобеспечить возможность эффективного зарядового обмена между нанокристаллом и матрицей.В данной работе в качестве матрицы были выбраны пористые пленки SnO2, в качественанокристаллов – коллоидные квантовые точки CdSe. Выбор диоксида олова обусловлен егопрозрачностью в видимом спектральном диапазоне и низкой концентрацией собственныхносителей заряда.

Коллоидные квантовые точки CdSe эффективно поглощают в видимомспектральном диапазоне при характерных размерах 2-5 нм. Эффективному пространственномуразделению фотовозбужденных носителей заряда в структурах способствует то, что нижнийэлектронный уровень нанокристалла CdSe располагается выше края зоны проводимости SnO2.6При формировании гетероэпитаксиальных нанокристаллов на исходные квантовые точки CdSeнаращивалась оболочка CdS. Выбор материала оболочки обусловлен общим структурным тип(сфалерит) и близкими параметрами решетки (CdSe - 6.05 А, CdS – 5.82 А)Необходимоуказатьэкспериментальныминаналичиерезультатамисущественныхразличныхгрупп.несоответствийБолеетого,междупосколькугетероэпитаксиальный нанокристалл сам по себе является крайне сложной системой, созданиедостоверных моделей для анализа части процессов в подобных объектах крайне трудоемко и нанастоящиймоментфотоэлектрическихнезавершено.свойстваВсвязикомпозитныхсэтимструктурисследованиеSnO2,оптическихифотосенсибилизированныхнанокристаллами на основе квантовых точек CdSe является актуальной задачей.Целью данной работы являлось изучение влияния ряда параметров, определяющихэффективностьфотосенсибилизациигетероэпитаксиальныхнанокристалловпористойCdSe/CdS.матрицыВкачествеSnO2основныхспомощьюварьируемыхпараметров рассматривались линейные размеры для нанокристалов CdSe и толщина оболочкиCdS для гетероэпитаксиальных нанокристаллов CdSe/CdS.В работе были поставлены следующие задачи:1.