Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 |

температуре отжига стекло имеет малую вязкость, что Для расчета уровней энергии носителей в КТ CdS приводит к образованию большого числа поверхностных воспользуемся результатами работы [22], где рассматдефектов во время роста КТ. Присутствующие дефекты ривалась модель КТ с тяжелой дыркой в центре, что активизируют безызлучательные процессы, что и яв- наилучшим образом подходит к нашему случаю из-за ляется причиной отсутствия излучения из квантовых сильного различия эффективных масс дырок и электросостояний в таких КТ. нов: m m. Энергия движения электрона в такой КТ h e В нашем случае средний размер и количество КТ намного больше, чем дырки, поэтому потенциал, дейувеличивались пропорционально концентрации CdS при ствующий на последнюю, можно усреднить по движению условии одинакового времени роста для всех образцов. электрона, в результате уровни энергии в КТ размеОдним из преимуществ зольЦгель метода является то, ром R определяются из следующего соотношения [22]:

что рост КТ происходит не в твердой, а в жидкой мат2 2.438eрице стекла при температуре 1023 K. Эта температура En,l(R) =Eg0 + r 2m R2 R значительно ниже температуры плавления объемного e CdS (1748 K), что увеличивает скорость роста КТ. При 3 22 eросте в жидкой среде число поверхностных дефектов + 2nr + l +, (1) намного уменьшается, приближая тем самым состав КТ 2 3mR2R h к стехиометрическому. В результате повышения кригде nr и l Ч радиальное и орбитальное квантосталлического качества КТ наблюдается высокая интенвые числа дырки. Используя значения m = 1.6m0 и сивность полосы ФЛ образца c x1 в области переходов h m = 0.2m0 [20,22], получаем размеры КТ, соответствуюмежду состояниями в КТ и слабое излучение, связанное e щие трем пикам полосы: Rav = 32, 25.1 и 25.3, откуда с примесными и дефектными центрами объемного CdS.

видно, что значение Rav = 32, полученное из длинно2. Обсудим спектр ФЛ образца с x1, показанный на волнового пика, значительно превосходит два остальных рис. 1 (кривая 1). На контуре полосы ФЛ наблюдаются близких между собой значения. Это позволяет сделать три пика, смещенные относительно Eg0 на = 72, 1,2,вывод, что в образце c x1 основному состоянию эк226 и 389 мэВ соответственно. Для выяснения природы ситона (n = 0) соответствует центральный пик полосы, этих пиков необходимо принять во внимание следующие а первому возбужденному (n = 1) Ч коротковолновый.

обстоятельства. Как отмечают авторы [20], в КТ CdS Кроме этого, только размеры 25.1 и 25.3 совпадают с c Rav < 100 подзоны A и B экситонов сливаются и наступает вырождение валентной зоны, которое в объем- данными рентгенографических исследований для этого ном CdS снято внутренним кристаллическим полем. Вы- образца. Относительно длинноволнового пика мы сейчас покажем, что он обусловлен рекомбинацией носителей, рождение, по-видимому, является результатом перехода один из которых (электрон) захвачен на поверхностный структуры решетки от гексагональной, характерной для уровень, а дырка находится в свободном состоянии КТ.объемных образцов CdS, к кубической. В результате 3. B[10] показано, что если в поверхностном слое КТ значительно увеличивается эффективная масса тяжелой дырки (m), что приводит к ее локализации в цен- CdS доминируют катионы, то в плотности состояний ниh же дна зоны проводимости появляются поверхностные тре КТ. Локализация дырки усиливается также и за уровни с энергиями 2.7, 5.9 и 6.6 эВ, образовавшиеся в счет большого диэлектрического рассогласования СdS и результате оборванных связей атомов Cd, и положение стекла (диэлектрические проницаемости соответственно этих уровней не зависит от размера КТ. Учитывая это, = 8.7, 2). Поэтому оптические переходы в КТ CdS обусловлены в основном электронной составляю- можно предположить, что длинноволновый пик полосы ФЛ образца с x1, находящийся в области 2.7эВ, щей [20].

обусловлен рекомбинацией электронов, захваченных на Принимая во внимание сказанное, можно было бы поверхностные ЛС, и тяжелых дырок на внутренних предположить, что три наблюдаемых пика полосы ФЛ квантовых состояниях. Похожие модели рассматриваобусловлены рекомбинацией электронов, находящихся лись авторами [2,5], которые объяснили большое врена трех квантовых подуровнях зоны проводимости КТ мя затухания ФЛ в КТ рекомбинацией электронно(1S, 1P, 1D), и дырок в валентной зоне. Однако, если дырочных пар, в которых один из носителей захвачен это так, то соотношения величин пиков должны быть на поверхностные ЛС. В [2] исследовалиcь КТ CdSe, в другими, а именно Ч первый, самый длинноволновый, которых большое время затухания ФЛ (микросекунды) пик полосы должен быть наиболее интенсивным. Кроме объяснялось как результат рекомбинации локализованэтого, при таком предположении максимум в спектре ных на поверхности КТ дырок и делокализованных прозрачности образца (показан на рис. 1 стрелкой) должен совпадать с длинноволновым, а не центральным В нашей работе [18] мы ошибочно предположили, что этот пик пиком полосы ФЛ. Заметим, что похожая форма полосы связан с переходом донорЦсвободная дырка (D-h) в КТ.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 966 Н.В. Бондарь, М.С. Бродин, Г.М. Тельбиз электронов, а в [5], где исследовались КТ СdS, Ч как При изменении температуры в диапазоне результат рекомбинации локализованных электронов и T = 4.5-300 K мы не наблюдали какого-либо заметного делокализованных дырок (см. схемы в обеих работах).

изменения положения максимума кривой 2 на рис. 2, Для доказательства независимости положения лока- однако с увеличением интенсивности возбуждения прилизующего электрон поверхностного уровня от R на мерно на 2 порядка, полоса сместилась в коротковолнорис. 1 приведены спектры ФЛ образцов с x2 (кривая 4) вую сторону на 50 мэВ и проявился коротковолновый и x4 (кривая 5), с Rav = 30 и 38 соответственно, пик на 2.7эВ (рис. 2, кривая 3). Такое поведение позаписанные при E2 и T = 300 K. Хорошо видно, что при лосы полностью соответствует модели. С увеличением энергиях выше Eg0, в области 2.7 эВ, в обоих образцах интенсивности возбуждения происходит быстрое заполспектры ФЛ имеют пик, совпадающий по положению с нение дырочных ЛС, количество которых значительно аналогичным пиком полосы ФЛ образца с x1. Наличие меньше, чем электронных, поскольку на поверхности КТ пика при энергии 2.7эВ в спектре трех образцов доминируют катионы. В результате появления делокалис разными средними размерами КТ доказывает, что зованных дырок снова открывается канал рекомбинации, положение участвующего в ФЛ поверхностного уровня который мы связываем с электронным поверхностным не зависит от R. Наблюдать этот пик в образцах с x2 уровнем, так что появление пика на 2.7 эВ лишний и x4 возможно только при резонансном возбуждении и раз доказывает существование такого уровня. Легко высокой температуре, когда имеется термическая засепонять, что с дальнейшим увеличением интенсивности ленность поверхностного уровня, и в то же время этот возбуждения произойдет делокализация электронов и пик практически не наблюдается при возбуждении с E1 и T = 4.5K (рис. 1, кривые 2 и 3). Поскольку образцы c x2 система перейдет к излучению из свободных состояний.

При небольшой интенсивности возбуждения, когда и x4 характеризуются наличием перколяции в системе, заселенностью ЛС можно пренебречь, оба носителя, то экситоны в них, как было уже сказано, находятся захваченные на ЛС, в результате энергетической рев квантовых состояниях, принадлежащих перколяционному кластеру. Уровень протекания появляется толь- лаксации могут достигать глубоких состояний хвоста ко в одной подсистеме, которой являются внутренние плотности, что приводит к смещению максимума полосы (свободные) экситоны КТ. В то же время волновые ФЛ в длинноволновую сторону [12]. Однако мы не функции электронно-дырочных пар с электроном на зарегистрировали такого смещения кривой 2 на рис. поверхностном уровне сильно локализованы в простран- даже при существенном уменьшении интенсивности стве (см. схему в [5]), что и дает возможность наблюдать возбуждения и T = 300 K. Объяснить это можно малой излучение из этих состояний.

концентрацией поверхностных ЛС КТ, следствием чего 4. При резонансном возбуждении образца с x1, когда является слабое перекрытие волновых функций соседэнергия фотона (2.807 эВ) попадает в область энерних ЛС. Для того чтобы наблюдать смещение максимума гий ниже центрального пика полосы ФЛ (2.830 эВ), кривой 2, необходимы значительно более высокие темвозбуждая КТ с R > Rav, мы обнаружили широкую и пературы, как это было, например, в [5]. В соответствии асимметричную полосу излучения с максимумом в облас результатами работ [12Ц14] это означает, что максимум сти 2.5эВ (рис. 2, кривая 2). Учитывая характерную кривой 2 должен совпадать с энергией порога подвижноформу этой полосы, а также ее положение относительсти ( 2.5эВ) локализованных носителей (экситонов), но Eg0, можно предположить, что она сформирована а ее длинноволновый участок Ч отражать вид хвоста рекомбинацией электронов и дырок, захваченных на плотности ЛС g(E). В нашем случае этот участок поверхностные ЛС КТ.

хорошо аппроксимируется гауссовым распределением Когда оба носителя после возбуждения захвачены на g(E) exp -(E/E0)2, где E > 0 Ч энергия, отсчитыповерхностные ЛС КТ, то на их поведение квантововаемая от порога подвижности в глубь запрещенной размерный эффект не влияет, поэтому оно становится зоны, и E0 = 300 мэВ Ч параметр, определяющий хаполностью аналогичным поведению носителей в 3D или рактерный размер хвоста плотности ЛС. На вставке 2D разупорядоченных структурах, таких как аморфные к рис. 2 показана кривая 2 в полулогарифмическом полупроводники и твердые растворы замещения или масштабе, где угол наклона ее длинноволнового участка квантовые ямы [12Ц16]. Энергетическая релаксация нок оси абсцисс дает величину 300 мэВ [16]. Отметим, сителей по хвосту плотности ЛС определяет форму что в аморфных полупроводниках, таких как a-Si : H, полосы ФЛ, а ее положение зависит от соотношения этот параметр может достигать нескольких десятых времен рекомбинации и туннельного прыжка носителей эВ, в то время как в твердых растворах замещения по ЛС. Максимум полосы ФЛ может смещаться при (CdSxSe1-x) или квантовых ямах он равен 5Ц10 мэВ.

низких уровнях возбуждения в длинноволновую сторону Авторы [23], исследовавшие силикатные стекла (фильпри повышении температуры, отражая процесс термализации носителей по хвосту плотности ЛС или, на- тры Toshiba Y-45), легированные CdS c x = 0.4% и Rav = 35, получили величину E0 = 820 мэВ, которая против, при увеличении интенсивности возбуждения Ч в коротковолновую, что является следствием начала определялась косвенным путем по затуханию полозаселенности ЛС [12]. сы ФЛ.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Вклад внутренних и поверхностных состояний носителей заряда в спектры излучения... 4. Заключение обнаружено экспериментально в аморфных полупроводниках [12,13], твердых растворах замещения [14] и кванРезультаты, полученные в данной работе, позволяют товых ямах [15]. Полученная нами полоса ФЛ (рис. 2, на качественном уровне объяснить возможную причи- кривая 2), сформированная излучением носителей, нану возникновения нерезонансного стоксова смещения ходящихся на поверхностося и свойства. Отсюда можно заключить, что характер лово многих КТ, выращенных в различных диэлектриче- кализации носителей и вид хвоста плотности ЛС, g(E), ских матрицах. Как уже упоминалось, согласно теории не зависят от размерности структуры. Максимум этой авторов [3,7] такое смещение должно появляться все- полосы находится ниже Eg0, поэтому можно заключить, гда, поскольку, во-первых, образуются верхние (спин- что на процессы локализации и энергетической релакразрешенные) и нижние (спин-запрещенные) состояния сации носителей по ЛС эффект размерного квантования экситонов в результате снятия вырождения валентной влияния не оказывает.

зоны КТ и, во-вторых, время жизни экситонов в верхних состояниях значительно больше, чем время их захвата в Список литературы нижние. Однако некоторые экспериментальные результаты противоречат этому. В частности, как показано [1] А.И. Екимов, А.А. Онущенко, А.Г. Плюхин, Ал.Л. Эфрос.

в [24], в КТ CdSe, выращенных в коллоидных растворах и ЖЭТФ, 88, 1879 (1985).

пассивированных HAD или TOPO, c Rav = 22.5 и дис[2] M. Nirmal, C.B. Murray, M.G. Bawendi. Phys. Rev. B, 50, персией 5%, величина 2(R) =0. Поэтому смещение не 2293 (1994).

может быть объяснено при рассмотрении исключитель[3] D.J. Norris, Al.L. Efros, M. Rosen, M.G. Bawendi. Phys.

но внутренних состояний КТ и в значительной степени Rev. B, 53, 16 347 (1996).

должно быть связано с состоянием поверхности КТ.

[4] O.I. Micic, H.M. Cheong, H. Fu, A. Zunger, J.R. Sprague, С точки зрения полученных нами результатов возA. Mascarenhas, A.J. Nozic. J. Phys. Chem. B, 101, никновение 2(R) может быть связано со значительным (1997); H. Fu, A. Zunger. Phys. Rev. B, 56, 1496 (1997).

перекрытием волновых функций внутренних и поверх- [5] Y. Wang, A. Suna, J. McHugh, E.F. Hilinski, P.A. Lucas, ностных состояний, что приводит к захвату экситонов R.D. Johnson. J. Chem. Phys., 92, 6927 (1990).

(носителей) на последние. Однако это наблюдается не [6] G. Beadie, E. Sauvain, A.L.S. Gomes, N.M. Lawandy. Phys.

Rev. B, 51, 2180 (1995).

во всех структурах с КТ, но имеет место, например, в [7] Al.L. Efros, M. Rosen, M. Kuno, M. Nirmal, M.G. Bawendi, нашем случае или в случае [21], где исследовались КТ D.J. Norris. Phys. Rev. B, 54, 4843 (1996).

СdTe в фосфатных стеклах, в которых был зафиксирован [8] Z. Yu, J. Li, D.B. OТConnor, Li-Wang Wang, P.F. Barbara.

не только пик ФЛ, совпадающий с максимумом полосы J. Phys. Chem. B, 107, 5670 (2003).

поглощения, но и пики, сформированные состояниями [9] P.E. Lippens, M. Lannoo. Phys. Rev. B, 39, 10 935 (1989).

в запрещенной зоне КТ. Когда перекрытие волновых [10] N.A. Hill, K.B. Whaley. J. Chem. Phys., 99, 3707 (1993).

функций внутренних и поверхностных состояний до[11] S.-Y. Ren, S.-F. Ren. J. Phys. Chem. Sol., 59, 1327 (1998).

статочно велико, носители сначала будут захвачены на [12] С.Д. Барановский, Х. Фрицше, Е.И. Левин, И.М. Рузин, поверхностный уровень, поэтому минимальная величина Б.И. Шкловский. ЖЭТФ, 96, 1362 (1989).

2(R) может быть равной расстоянию от энергии мак[13] А.Г. Абдукадыров, С.Д. Барановский, С.Ю. Вербин, симума поглощения до энергии поверхностного уровня.

Е.Л. Ивченко, А.Ю. Наумов, А.Н. Резницкий. ЖЭТФ, 98, Если ниже этого поверхностного уровня концентрация 2056 (1990).

С большая, то носители релаксируют вниз по хвосту [14] S. Permogorov, A. Reznitsky, S. Verbin, G.O. Muller, P. Flogel, плотности состояний, что приведет к смещению макM. Nikiforova. Phys. Status Solidi B, 113, 589 (1982).

симума полосы ФЛ и, таким образом, к изменению [15] Н.В. Бондарь. ФТТ, 42, 1486 (2000).

Pages:     | 1 | 2 | 3 |    Книги по разным темам