Диссертация (1104729), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Dneprovskii, A.R. Kanev, M.V. Kozlova and A. Smirnov, Self-actioneffects in semiconductor quantum dots, Proc. of SPIE, Vol.9136, p.9136Y-1–9136Y6, 2014.2) В.С. Днепровский, М.В. Козлова, А.М. Смирнов, Самодифракцияультракоротких импульсов лазера при резонансном возбуждении экситонов вколлоидномраствореквантовыхточекCdSe/ZnS,КвантоваяЭлектроника, 43 (10), 927–930, 2013.3) V. Dneprovskii, A. Smirnov and M. Kozlova, Self-diffraction of laser beamsin the case of resonant excitation of excitons in colloidal CdSe/ZnS quantum dots,Proc. of SPIE, Vol.
8772, p. 877209-1 – 877209-7, 2013.4) A. Smirnov, V. Dneprovskii, M. Kozlova, Dynamic photonic crystal regimeand recombination of excitons in colloidal quantum dots, 22nd Int. Symp.«Nanostructures: Physics and Technology», Russia, Saint Petersburg, QWQD.13p,190-191, 2014.5) V.S.
Dneprovskii, A.R. Kanev, M.V. Kozlova, and A. Smirnov, Self-actioneffects in semiconductor quantum dots, «SPIE Photonics Europe», Belgium,Brussels, 14-18 April, 9136-70, 2014.6) Днепровский В.С., Смирнов А.М., Козлова М.В, Нелинейныеоптические процессы при самодифракции двух типов в полупроводниковыхквантовых точках CdSe/ZnS, Тезисы докладов XI российской конференции пофизике полупроводников, Россия, Санкт-Петербург, 16-20 сентября, 289, 2013.7) V. Dneprovskii, M.
Kozlova, A. Smirnov, Competing and coexistingnonlinear optical processes responsible for two types self-diffraction of laser beamsin the colloidal CdSe/ZnS quantum dots, Technical Digest of the InternationalConference on Coherent and Nonlinear Optics, Lasers, Applications andTechnologies ICONO/LAT 2013, ICONO-06 Nano-Optics and Plasmonics, p.101102, Moscow, Russia, June 18-22, 2013.8) Dneprovskii, A.
Smirnov and M. Kozlova, Self-diffraction of laser beams inthe case of resonant excitation of excitons in colloidal CdSe/ZnS quantum dots,13«SPIE Optics and Optoelectronics», Czech Republic, Prague, 15-18 April, 8772-9,2013.9) В.С. Днепровский, А.М. Смирнов, М.В. Козлова, Самодифракция двухтипов в полупроводниковых квантовых точках CdSe/ZnS (коллоидныйраствор), «Ломоносовские чтения» Секция «Физика», Москва, РФ, 16-24апреля, стр. 39-42, 2012.10) А.М. Смирнов, М.В. Козлова, Особенности самодифракции вполупроводниковых коллоидных квантовых точках CdSe/ZnS, «Ломоносов2012» Секция «Физика», Москва, РФ, 9-13 апреля, 2012, стр. 369-370.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и спискалитературы. Она содержит 130 страниц текста, включая 44 рисунка и 1 таблицу.Список цитируемой литературы содержит 148 наименований.14Глава 1.
Свойства экситонных состояний в полупроводниковыхквантовых точкахФизическиесвойстваполупроводниковыхквантовыхточек(КТ)объединяют в себе, как свойства атомных систем (молекул), так и свойстваобъемных полупроводниковых материалов. Размер, определяющий границумежду полупроводниковыми КТ и объемными материалами, четко неопределен и сильно зависит от материала. Тем не менее, квантовыми точкамипринято считать объекты, содержащие примерно от 100 до 100 000 атомов(R=1÷10 нм). Нижний предел этого диапазона определяется сохранениемсвойств кристаллической структуры объемного материала. Верхний пределсоответствует размерам, при которых расстояние между уровнями энергииприближается к значениям тепловой энергии.Одним из определяющих параметров полупроводниковых материаловявляетсязначениепроводимостиEcшириныотзапрещеннойвалентнойзонызоны,Ev.Дляразделяющейкаждогозонуобъемногополупроводника данное значение фиксировано и может незначительноменяться в зависимости от внешних условий (температуры, приложенныхвнешних полей и др.).Ситуация меняется в случае низкоразмерныхполупроводниковых структур, с размерами менее 10 нм, когда движениеэлектронов и дырок становиться ограниченным во всех трех направлениям.
Этообусловлено тем, что размеры таких структур сравнимы с длиной волны ДеБройля электронов и дырок. Волновые функции электронов и дырок начинают"чувствовать" присутствие границ и реагировать на изменение размерананочастиц,изменяяихэнергетическиеспектры.Пространственнаялокализация носителей во всех трех направлениях приводит к появлениюдискретных уровней (квантово-размерный эффект) вместо непрерывнойэнергетической зоны.15§ 1.1. Экситоны в полупроводниковых квантовых точках CdSe/ZnSКак было сказано ранее, именно квантово-размерные эффекты носятрешающее значение для определения оптических и электрооптических свойствКТ.
Помимо увеличения ширины запрещенной зоны, важной особенностьюэнергетического спектра КТ является его дискретность (Рис. 1Б) в отличие отнепрерывного спектра объемного полупроводника (Рис. 1А).Квантово-размерныйэффектпроявляетсятогда,когдаразмернанокристалла становиться сравним или меньше, чем боровский радиусносителей заряда=ħ(ε – диэлектрическая проницаемость материала,meff – эффективная масса носителя заряда). Для КТ принято выделять триразличных боровских радиуса: ae – боровский радиус электрона, ah – дырки иaexc – электронно-дырочной пары (экситона).Экситон представляет собой водородоподобное связанное состояние,формирующееся в объемных кристаллах за счет кулоновского взаимодействиямежду электроном и дыркой.
В большинстве объемных полупроводниковэкситон при комнатных температурах из-за малой энергии связи быстрораспадаются, в то время как в квантово-размерных системах кулоновскоепритяжение между электроном и дыркой, энергия связи и сила осциллятораэкситона резко возрастают. В силу сильного перекрытия волновых функцийэлектрона и дырки возрастает вероятность их излучательной рекомбинации.Однако важно заметить, что решающим свойством в наноразмерныхструктурах, является то, что размер экситонов диктуется не кулоновскимпритяжением электрона и дырки, а физическими размерами нанокристалла.В простейшем случае квантово-размерный эффект можно описать, решивзадачудвиженияэлектронавтрехмернойпотенциальнойяме.Экспериментально обнаруженное [1] влияние размерного квантования намежзонное поглощение в полупроводниковой КТ было впервые теоретическисформулировано в статье Ал.Л.
Эфроса и А.Л. Эфроса [2], в рамках модели,использующую стандартную зонную теорию. Расчет энергетических уровней в16«полупроводниковом шаре» осуществлялсяпри учете параболичностивалентной зоны и зоны проводимости, приближения эффективной массы иобращения в нуль волновых функций электрона и дырки на поверхности шара(бесконечно высокие стенки потенциальной ямы).
В зависимости от размера иматериала КТ могут быть выделены три различных предельных случая. Случайсильного размерного квантования соответствует ситуации, когда радиуснанокристалла много меньше боровских радиусов электрона, дырки и экситона(a « ae, ah, aexc); режим слабого размерного квантования – ae, ah < a < aexc; режимпромежуточного размерного квантования только одна частица подчиняетсяусловию квантово-размерного ограничения – ah < a < ae, aexc. Для случаясильногоразмерногоквантованияпренебрегаетсякулоновскимвзаимодействием, и межзонное поглощению будет состоять из наборадискретных линий:ℏ,=+ℏ,,(1.1)=где a – радиус шара,/(+) – приведенная масса электрона идырки, ε – диэлектрическая проницаемость полупроводника, me и mh –эффективные массы электрона и дырки (me << mh), е – заряд электрона, Egширина запрещенной зоны, ℏ- энергия поглощенного фотона,,определяется по формуле:,=0,,,-- функция Бесселя, l -момент количества движения, n - порядковый номер корня функции Бесселяпри данном l.Порог межзонного поглощения в КТ, сдвигается в голубую область, посравнению с порогом поглощения данного объемного полупроводника,определяемым шириной запрещенной зоны Eg (Рис.1.1а):ℏ,=+ℏ,(1.2)высший дырочный уровень сдвигается относительно дна валентной зоны внизпо энергии на величину Δ=ℏ, низший электронный уровень сдвигается17относительно дна зоны проводимостивверх по энергии – Δ=ℏ(Рис.1.1б).абвгРис.
1.1. Схематическое изображение зонной структуры объемногопрямозонного полупроводника (а) и уровней энергии полупроводниковой КТ (б),гдеħ, ħ-минимальные энергии фотонов, необходимые длявозбуждения электронно-дырочных парсоответственно.Схематическоев объемном полупроводнике и КТ,изображениеспектровпоглощенияобъемного полупроводника (в) и полупроводниковой КТ (г).Энергетический спектр КТ зависит от ее размера. С уменьшением размераКТ энергетический зазор увеличивается, приводя к коротковолновому сдвигупоглощения и излучения.
Аналогично переходу между уровнями энергии в18атоме, при переходе носителей заряда между энергетическими уровнями в КТможет излучаться или поглощаться фотон. Частотами переходов, т.е. длинойволны поглощения или люминесценции, легко управлять, меняя размеры КТ.Дискретная структура энергетических состояний приводит к дискретномуспектру поглощения КТ (схематично показан дельта-функциями на Рис.1.1г), вотличие от непрерывного спектра поглощения объемного полупроводника(Рис.1.1в). Для обозначения состояний электронов и дырок в КТ используюатомно-подобную запись (1S, 1P , 1D и т.д.). Важно заметить, что в реальносоздаваемых коллоидных КТ дискретный набор линий в спектрах поглощенияи фотолюминесценции не наблюдается в силу значительного однородного инеоднородного уширения линий.
Причиной первого является принципнеопределенности Гейзенберга и взаимодействие экситонов с фононами.Причина неоднородного уширения – дисперсия размеров КТ в растворе илистеклянной матрице.Большинство ранних работ по квантово-ограниченным нанокристалламбыли сосредоточены на изучении диэлектрических матриц с вкраплениямиполупроводниковых КТ. Основными недостатками таких матриц являетсяширокоераспределениевозможностинанокристалловконтролироватьформуипоразмерамхарактеристикииотсутствиеповерхностинаночастиц. Как предполагается, излучение в таких структурах доминирует споверхностных уровней, расположенных глубоко в запрещенной зоне.
Такиеограничения сужают возможность экспериментального выявления многихфундаментальных физических свойств КТ. Тем временем, с 1993 годанаучились контролировать рост коллоидных полупроводниковых КТ методомметаллоорганического синтеза [10] и создавать образцы с низкой дисперсией поразмерам. Излучение в коллоидных КТ доминирует на частоте основногоэкситонногоперехода.КвантовыйвыходКТCdSe,покрытыхболееширокозонным полупроводником ZnS, при комнатной температуре можетпревышать 50% [9]. Новый надежный способ изготовления КТ позволил19подтвердить ряд свойств КТ, которые ранее экспериментально не наблюдались,из-за большого разброса по размерам.В первоначальной простейшей модели, зона проводимости и валентнаязона были представлены в виде простых параболических зон.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
