Диссертация (1104273), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Поэтому, анализируя данные на рис. 3.30 иберя отношение интенсивностей ФЛ для различных серий КНН при одинаковой длиненанонитей, можно оценить скорость поверхностной рекомбинации по формуле:где считается, что условия формирования ансамблей КНН были одинаковыми, из-за чего S длясерий КНН Е3-Е5 при одинаковой длине нанонитей совпадает, адля КНН серий Е3-Е5брались из данных таблицы 2.4. В результате анализа по формуле (3.5) была построеназависимости скорости поверхностной рекомбинации от длины КНН (рис. 3.31).93E3/E4E3/E5E4/E55S, см/с432100,11L, мкм10Рис.
3.31. Зависимость скорости поверхностной рекомбинации от длины КНН, полученные изанализа данных рис. 3.30 и рассчитанные по формуле (3.5).Оценки показали, что для слоёв КНН с L ~ 10 мкм скорость поверхностнойрекомбинации падает до значения 0,3 см/с, которое приближается к минимальным значениям,измеренных на пластинах с-Si с пассивированными водородом поверхностями [160].
Данныйэффект в исследуемых слоях КНН объясняется пассивацией поверхности нанонитей оксиднымслоем, содержащем мелкие нанокристаллы кремния, для которых процессы безызлучательнойрекомбинации маловероятны.Полученные данные зависимости усиления ФЛ от длины КНН подтверждаютсяизмерениями межзонной ФЛ in-situ при возбуждении на длине волны 337 нм (рис.3.32). Изрис. 3.32 видно, что при увеличении времени травления кремниевой пластины, длина КННвозрастает, и происходит увеличение интенсивности межзонной ФЛ. Максимум интенсивностиФЛ соответствует времени 150-200 секунд, которое соответствует длине КНН равной 2-3 мкм.Дальнейший сильный спад интенсивности ФЛ может быть объяснён слабой глубинойпроникновения лазерного излучения с длиной волны 337 нм в уже достаточно длинные КНН.Схожая зависимость интенсивности межзонной ФЛ от длины КНН с максимумом при длине2-3 мкм наблюдалась на рис.
3.30.94Интенсивность ФЛ, отн. ед.1,00,8Осаждение серебряных частицИсходнаяпластинаПроцесс травления0,60,40,20,0-2000200400600800100012001400Время травления, секРис. 3.32. Измерение интенсивности межзонной ФЛ ансамблей КНН in-situ. Вертикальныепрямые обозначают время осаждения серебра в первом растворе.3.4.2. Спектры и кинетики фотолюминесценции нанонитей в видимом диапазоне спектраКроме инфракрасной в КНН была также обнаружена ФЛ в диапазоне 500-1000 нм(видимая ФЛ) (рис. 3.33).
Если инфракрасная ФЛ связана с излучательной рекомбинацией, товидимая ФЛ, по-видимому, обусловлена присутствием нанокристаллов кремния на поверхностиКНН (см. раздел 1.3.5). Наблюдаемая полоса ФЛ с максимумом в области 750-800 нм хорошообъясняется излучательной рекомбинацией экситонов в нанокристаллах кремния с размерами3-5 нм, находящихся в оксидном слое на поверхности КНН.Интенсивность, отн.ед.1,0AB0,80,60,40,20,0700800900100011001200Длина волны, нмРис. 3.33. Спектр видимой и инфракрасной ФЛ от КНН серии А (чёрная кривая) и КНН серии В(красная кривая).95Влияние серебряных наночастиц на видимую ФЛ в КНН серии Е1 показано на рис. 3.34а,из которого видно, что наличие серебра уменьшает интенсивность ФЛ. Данный эффект можнообъяснить уменьшением уровня возбуждения нанокристаллов вследствие отражения ипоглощения света частицами серебра.
При этом при удалении серебра происходит сдвигспектров в коротковолновую область, что можно видеть при нормировании спектров наединицу (рис. 3.34б). Это можно объяснить дополнительным травлением нанонитей в азотнойИнтенсивность ФЛ, отн.ед.кислоте, в результате чего образуются нанокристаллы меньшего размера.1,0КНН + AgКННL = 1,5 мкм0,80,6(а)0,40,20,0500600700800900Интенсивность ФЛ, отн.ед.Длина волны, нм1,0КНН + AgКННL = 1,5 мкм0,80,6(б)0,40,20,0500600700800900Длина волны, нмРис. 3.34. (а) Спектры ФЛ ансамблей КНН серии Е1 с частицами серебра (сплошная линия) ибез частиц серебра (штриховая линия); (б) нормированные спектры ФЛ ансамблей КНН серииЕ1 с частицами серебра (сплошная линия) и без частиц серебра (штриховая линия).На рис. 3.35а представлены спектры ФЛ образца КНН серии Е1 с длиной 1,5 мкм,полученные при разной интенсивности падающего излучения.
Длина волны возбуждающего96излучения составляла 364 нм. Видно, что при увеличении интенсивности возбужденияИнтенсивность ФЛ, отн.ед.наблюдается рост сигнала.2700L = 1,5 мкм225 мВт/см2125 мВт/см2275 мВт/см2375 мВт/см2550 мВт/см24002100180015001200900(а)600300050060070080090010001100Длина волны, нмИнтенсивность ФЛ, отн.ед.10000(б)100010025250Интенсивность возбуждения, мВт/см2Рис. 3.35. (а) Спектры ФЛ образца КНН серии Е1 с длиной 1,5 мкм при разной интенсивностипадающего излучения при возбуждении лазером с длиной волны 364 нм; (б) зависимостьинтенсивности сигнала в максимуме ФЛ от интенсивности падающего излучения привозбуждении с длиной волны 364 нм.Была построена зависимость интенсивности сигнала в максимуме ФЛ от интенсивностипадающего излучения (рис.
3.35б). Данная зависимость является практически линейной, чтоявляется характерной зависимостью для одиночных нанокристаллов, в которых видимая ФЛимеет экситонную природу.97Интенсивность ФЛ, отн.ед.1400L = 1,5 мкм225 мВт/см2100 мВт/см2200 мВт/см2325 мВт/см12001000800600(а)4002000600660720780840900Интенсивность ФЛ, отн.ед.Длина волны, нм1000(б)10025250Интенсивность возбуждения, мВт/см2Рис.
3.36. (а) Спектры ФЛ образца КНН серии Е1 с длиной 1,5 мкм, при разной интенсивностипадающего излучения при возбуждении лазером с длиной волны 488 нм; (б) зависимостьинтенсивности в максимуме ФЛ от интенсивности падающего излучения при возбуждениилазером с длиной волны 488 нм.Также данные результаты были проверены при возбуждении лазером с длиной волны488 нм (рис. 3.36), для которой глубина поглощения света почти на два порядка ниже(см. рис. 1.3б). Видно, что интенсивность ФЛ слабее, чем при возбуждении на длине волны364 нм, однако также наблюдается рост сигнала ФЛ при увеличении интенсивности падающегоизлучения (рис.
3.36а), а зависимость интенсивности сигнала в максимуме ФЛ являетсяпрактически линейной (рис. 3.36б).На рис. 3.37а представлены спектры ФЛ образцов КНН серии Е2 различной длины привозбуждении лазером с длиной волны 364 нм. Зависимость интенсивности сигнала в максимуме98ФЛ от длины КНН серии Е2 представлена на рис. 3.37б. Видно, что при увеличении длины,интенсивностьФЛвозрастаетпрактическилинейно.Наблюдаемыйлинейныйростинтенсивности ФЛ с длиной КНН может быть объяснён проникновением возбуждающего светамежду нанонитями за счёт отражения от их стенок.
Таким образом, при увеличении длины КННрастёт количество актов возбуждения нанокристаллов и происходит усиление интенсивностиИнтенсивность ФЛ, отн.ед.видимой ФЛ.L = 75 нмL = 200 нмL = 435 нмL = 940 нмL = 6,4 мкм12001000800600(а)40020006007008009001000Интенсивность ФЛ, отн.ед.Длина волны, нм1000(б)1000,1110L, мкмРис. 3.37. (а) Спектры ФЛ образцов КНН серии Е2 различной длины при возбуждении лазеромс длиной волны 364 нм; (б) зависимость интенсивности в максимуме ФЛ от длины КНН серииЕ2 при возбуждении лазером с длиной волны 364 нм.Также было проверено наличие видимой ФЛ образцов КНН при возбуждении другойдлиной волны.
В частности, на рис. 3.38а представлены спектры ФЛ образцов КНН серии Е2различной длины при возбуждении лазером с длиной волны 488 нм. Зависимость99интенсивности сигнала в максимуме ФЛ от длины КНН при возбуждении лазером с длинойволны 488 нм является также линейной (рис. 3.38б).Интенсивность ФЛ, отн.ед.600L = 75 нмL = 200 нмL = 435 нмL = 940 нмL = 6,4 мкм500400300(а)2001000600700800900Длина волны, нмИнтенсивность ФЛ, отн.ед.1000100(б)100,1110L, мкмРис. 3.38. (а) Спектры ФЛ образцов КНН серии Е2 различной длины при возбуждении лазеромс длиной волны 488 нм; (б) зависимость интенсивности в максимуме ФЛ от длины КНН серииЕ2 при возбуждении с длиной волны 488 нм.Как видно из рис. 3.37 и 3.38, интенсивность ФЛ ансамблей КНН возрастает с ростомдлины нанонитей.
Однако интенсивность сигнала при возбуждении с длиной волны 488 нмупала по сравнению с интенсивностью при возбуждении с длиной волны 364 нм, из чего можносделать вывод, что кремниевые нанокристаллы на поверхности КНН лучше возбуждаютсяфотонами с большей энергией. Данный вывод был подтверждён путём измерения спектравозбуждения при регистрации на длине волны 750 нм, соответствующей максимуму ФЛ(рис. 3.39).100Интенсивность ФЛ, отн.ед.100101250300350400450500Длина волны, нмРис.
3.39. Спектр возбуждения ФЛ ансамблей КНН серии Е2 на длине волны 750 нм КНН.Данная зависимость объясняется тем фактом, что в видимом диапазоне спектра КННпоглощают около 98% света (см. рис. 3.10), поэтому, чем более высокоэнергетичные фотоныпоглотились структурой, тем более интенсивная видимая ФЛ возбудилась в кремниевыхнанокристаллах. Стоит отметить, что приведённые зависимости от длины КНН и отинтенсивности падающего излучения не зависят от пористости КНН и от типа выбраннойподложки исходного c-Si.Для исследования времени жизни фотовозбуждённых носителей заряда в работе былипроизведены измерения кинетик видимой ФЛ образцов КНН.
На рис. 3.40а представленыкинетики образца КНН серии Е1 с длиной 1,5 мкм в видимом диапазоне спектра. Данныезависимости были аппроксимированы экспонентой, в результате чего была построеназависимость времени жизни экситонов от длины волны регистрации кинетики (рис. 3.40б).Видно, что при увеличении длины волны регистрации кинетики видимой ФЛпроисходит увеличение времени жизни экситонов. Данная зависимость полностью совпадает сзависимостью для одиночных нанокристаллов и объясняется тем фактом, что на большихдлинах волн в результате КРЭ светятся нанокристаллы большего размера, где экситоны живутдольше, чем в нанокристаллах меньше размера (см.
раздел 1.3.5).101Интенсивность, отн.ед.1600 нм700 нм800 нмL = 1,5 мкм0,10,01(а)1E-30100200300Время жизни ФЛ, мксВремя, мкс180160(б)140120100806040200550600650700750800850Длина волны, нмРис. 3.40. (а) Кинетики видимой ФЛ ансамблей КНН серии Е1 на разной длине волнырегистрации при возбуждении импульсным лазерным излучением с длиной волны 248 нм;(б) зависимость времени жизни экситонной ФЛ ансамблей КНН серии Е1 от длины волнырегистрации.Таким образом, анализ видимой ФЛ и её кинетик подтверждает вывод о наличиекремниевых нанокристаллов на поверхности КНН. Причём наличие видимой ФЛ у образцов102КНН даёт возможность использовать суспензии КНН как люминесцирующие метки длябиомедицинских применений.Согласно представленным данным можно утверждать, что КНН не теряют своилюминесцентные свойства при контакте с клетками.На рис. 3.41 представлено изображение раковых клеток CF2Th, полученное с помощьюконфокального микроскопа, после введения в них суспензий КНН.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
