Диссертация (1104250), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Проведение исследований оптических свойств пористых пленок SnO2, коллоидныхнанокристалловCdSeразличногоразмера,коллоидныхгетероэпитаксиальныхнанокристаллов CdSe/CdS с различной толщиной оболочки CdS.2. Проведение комплексных исследований оптических и электрофизических свойствкомпозитных структур на основе SnO2, фотосенсибилизированных нанокристалламиCdSe различного размера и гетероэпитаксиальными нанокристаллами CdSe/CdS сразличной толщиной оболочки CdS.3.
Создание полуклассической модели, описывающей физические свойства исследуемыхкомпозитных структур.7Научная ценность работы заключается в том, что представленные в настоящей работеданные характеризуют оптические и фотоэлектрические свойства системы матрицананокристалл при варьировании нескольких параметров системы. При этом все объектыисследования были получены в одинаковых условиях и со следованием неизменномутехнологическомупроцессу,чтопозволяетоценитьвкладкаждогоизпараметров.Совокупность данных о механизмах генерации и рекомбинации носителей зарядов внанокристаллах, о модификации энергетической диаграммы нанокристаллов при созданиикомпозитной гетероэпитаксиальной структуры и при внедрении нанокристаллов в матрицу, омеханизмах переноса носителей между нанокристаллом и матрицей, о транспорте носителей всамойматриценеобходимадляоптимизациипараметровсистемыподконкретноепрактическое приложение.
Необходимо также отметить, что использование матрицыдиоксида олова в качестве фотосенсибилизируемой нанокристаллами структуры в целомдостаточно ново и возможно в силу создания методики синтеза. Отличительной особенностьполученных структур является их слабая чувствительность к изменению газового составаатмосферы.Положения, выносимые на защиту:1. Обнаружено, что в спектральных зависимостях фотопроводимости для структур SnO2CdSe и в спектральных зависимостях оптического поглощения нанокристаллов CdSeприсутствует 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-CdSe достигается при внедрении в матрицуквантовых точек минимального размера.83. Установлено, что максимальная фотопроводимость в структурах SnO2-CdSe/CdSe привнедрении в матрицу SnO2 гетероэпитаксиальных нанокристаллов CdSe/CdS достигаетсяпри толщине оболочки CdS в 2 монослоя. Указаны основные факторы, влияющие наамплитудусигнала:уменьшениевкладабезызлучательнойрекомбинациивнанокристаллах и дефектообразование как механизм снятия механических напряжений.Апробация результатов работыРезультаты, полученные в настоящей работе, докладывались на Европейской конференцииEuropean Conference on Individual Monitoring of Ionizing Radiation (Афины, Грефия, 2010), XVМеждународном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия,2011), Международной конференции 13th International Conference on the Formation ofSemiconductor Interfaces, ICFSI-13 (Веймар, Германия, 2011), Международной конференции12th International Conference "Optics of Excitons in Confined Systems", OECS12 (Париж, Франция,2011), XIII Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников иполупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 2011), Международнойконференции 31st International Conference on the Physics of Semiconductors (Цюрих, Швейцария,2012), XIX Уральской международной зимней школе по физике полупроводников (Зеленогорск,Россия,2012),4Всероссийскоймолодежнойконференции"Фундаментальныеиинновационные 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.Список опубликованных статей:1.
Dobrovolsky, R. Vasiliev, К. Drozdov, O. Maslova, M. Rumyantseva, A. Gaskov, L. Ryabova,D. Khokhlov Optical and photoelectric properties of nanocrystalline SnO2 - CdSe quantumdot structures. Phys. Status Solidi C 7, No. 3–4, 972–975 (2010)92. R. Vasiliev, A. Babynina, O. Maslova, M. Rumyantseva, L. Ryabova, A. Dobrovolsky, K.Drozdov, D. Khokhlov, A. Abakumov, and A.
Gaskov. Photoconductivity of nanocrystallineSnO2 sensitized with colloidal CdSe quantum dots. J. Mater. Chem. C, 1, 1005-1010 (2012)3. К. Дроздов, В. Кочнев, А. Добровольский, Р. Васильев, А. Бабынина, М. Румянцева, А.Гаськов, Л. Рябова, Д. Хохлов. Фотопроводимость композитных структур на основепористого SnO2, сенсибилизированного нанокристаллами CdSe. Физика и техникаполупроводников, том 47, вып.
3 (2013).4. K. Drozdov, V. Kochnev, A. Dobrovolsky, A. Popelo, M. Rumyantseva, A. Gaskov, L.Ryabova, D. Khokhlov and R. Vasiliev. Photoconductivity of structures based on the SnO2porous matrix coupled with core-shell CdSe/CdS quantum dots // Appl. Phys. Lett. 103,133115 (2013)Личный вклад автора в диссертационную работуЭкспериментальные данные по исследованию оптических свойств нанокристаллов CdSe,CdSe/CdS, матрицы SnO2; оптических и фотоэлектрических свойств композитных структурSnO2-CdSe, SnO2- CdSe/CdS, представленные в диссертации, получены автором лично.
Анализи систематизация результатов эксперимента выполнен автором лично.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, включает списокцитируемой литературы из 94 ссылок. Объем диссертации составляет 111 страниц, включая 41рисунок и 4 таблицы.10Глава 1. Литературный обзор.
Полупроводниковые нанокристаллы:структура и свойства1.1.Особенности энергетического спектра низкоразмерных систем. Синтезколлоидных нанокристалловВ объемных материалах различные энергетические состояния, связанные с атомами, ивзаимодействия между ними настолько велики, что они образуют непрерывный континуум. Суменьшением размеров системы континуум энергетических состояний распадается на набордискретных уровней. Носители заряда (электроны и дырки) могут находиться только на такихквантованных уровнях энергии – имеет место эффект квантового ограничения [18].Характерные линейные размеры r , при которых возникают размерные эффекты, могут бытьоценены за счет сопоставления с радиусом Бора экситона в данном материале ab (1). При r <ab энергия экситона окажется больше энергии свободного экситона в объемном материале.ab = a0εm0,mex(1),гдеa0 - первый Боровский радиус, ε - диэлектрическая проницаемость полупроводника, m0 - массапокоя электрона, mex - эффективная масса экситона: mex−1 = me−1 + mh−1 , где me - масса электрона,mh - масса дырки.Приведенные в работе [19] данные по величине Боровского радиуса экситонапоказывают, что при характерных размерах кристалла менее 10 нм для большинства веществбудут наблюдаться квантово-размерные эффекты.
При этом в зависимости от типапространственного ограничения выделяют несколько различныхсистем, обладающихкачественно отличными спектральными зависимостями функции плотности состояний D(E)(рис. 1.1).11Рис. 1.1 Спектр плотности состояний для структур с различным типом квантового ограничения:(a)-3D или объемный материал (пространственное ограничение отсутствует),(b)-2Dиликвантовыеямы(пространственноеограничениепоодномупространственному направлению),(c)-1D или квантовые нити (пространственное ограничение по двум направлениям),(d)-0Dиликвантовыенаправлениям).точки(пространственноеограничениеповсемтрем12В настоящей работе основное внимание уделено 0D системам.
Как видно из рис. 1,функция плотности состояний для таких систем является линейчатой. В литературеинформация о подобных системах появилась в начале 1980-ых годов [20]. Термин «квантоваяточка» был введен в научный обиход Марком Ридом и стал общепринятым в конце 1980-ыхгодов.1.1.1. Размер нанокристаллаОдной из ключевых особенностей наноразмерных систем является зависимость энергииEij, отвечающей переходу между электронными уровнями i и дырочными уровнями j в системе,от размеров d самой системы [20, 21]. В первом приближении данная зависимость может бытьполучена из рассмотрения ситуации, когда электрон и дырка оказываются помещены вбесконечно глубокую трехмерную потенциальную яму, линейные размеры которой одинаковыпо всем трем пространственным направлениям.Eij = Eg +π 2 h 2 ni22m e d 2+π 2 h 2 n 2j2m h d 2(2), гдеEg – ширина запрещенной зоны, фундаментальный параметр данного материала; me и mh –эффективная масса электрона и дырки соответственно; ni и nj – номер электронного идырочного уровней соответственно.Характерная энергетическая диаграмма нанокристалла представлена на рис.
1.2.Необходимо отметить, что при более корректном рассмотрении задачи, следует такжеучитывать малые поправки от кулоновского взаимодействия электрон-дырочной пары ивзаимодействия с поверхностью.13Рис. 1.2. Энергетический спектр объемной системы (слева) и низкоразмерной системы (справа).14Энергия Eg(QD), отвечающая краю собственного поглощения в нанокристалле, всегдабольше чем Eg для объемного материала. Аналитическое выражение для Eg(QD) длясферического кристалла может быть получено из (2) при условии, что рассматривается переходмежду низшим электронным (ni = 1) и верхним дырочным (nj = 1) уровнями:Eg(QD) = Eg +π 2h 22me d 2+π 2h 22m h d 2(3)Величина Eg(QD) во многом определяет спектр поглощения и фотолюминесценцииквантовых точек, поскольку большая часть носителей заряда находится на нижнем электронноми верхнем дырочном уровнях.Проведенный в работах [22-25] анализ показывает, что теоретически рассчитанные наоснове нескольких различных моделей зависимости величины Eg(QD) от размера сферическогонанокристалла в целом совпадают как между собой, так и с реальными экспериментальнымиданными (рис.
1.3).Необходимо отметить, что экспериментально наблюдаемые спектральные зависимостипоглощения и фотолюминесценции от единичных нанокристаллов не являются линейчатымивследствие тепловых флуктуаций. Более того, в реальных системах чаще всего приходитсяиметь дело с ансамблем низкоразмерных частиц. В этом случае необходимо также учитыватьдисперсию параметров нанокристаллов, таких как размер, процентное соотношение различныхатомов, концентрация дефектов и т.п. При пространственном переходе от одногонанокристалла к другому, величины Eij оказываются несколько отличными. В результате пикипоглощения и фотолюминесценции в спектральных характеристиках системы нанокристаллов сненулевой дисперсией параметров оказываются дополнительно уширенными.Другая особенность, связанная с размером нанокристаллов, проявляется при смещении вобласть высоких энергий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
