Спектры люминесценции бинарных комплексов "квантовая точка – плазмонная наночастица" в магнитном поле

Размещено на http://www.allbest.ru/

СПЕКТРы ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ бинарных комплексов «КВАНТОВая ТОЧКа - ПЛАЗМОННая наночастица» в магнитном поле

Кучеренко М.Г., доктор физ.-мат. наук, профессор

Налбандян В.М., кандидат физ.-мат. наук

Оренбургский государственный университет

На основе специально созданной теоретической модели произведены расчеты частотных зависимостей интенсивности свечения двухкомпонентной системы «экситон - активированная полупроводниковая квантовая точка (КТ) - плазмонная наночастица (НЧ)» в постоянном магнитном поле. В отличие от ранее реализованных моделей в использованном варианте произведен выход за рамки приближения дипольной поляризуемости сферической наночастицы. При расчете индуцированного дипольного момента НЧ учитывался неоднородный характер поля, создаваемого экситонсодержащей КТ. Показано, что с изменением индукции внешнего магнитного поля наблюдается трансформация спектров экситонной люминесценции такой системы в результате экситон-плазмонного взаимодействия и конкуренции радиационных и безызлучательных каналов распада возбужденного состояния.

Типичными объектами, представляющими существенный интерес для сегодняшней наноэлектроники и фотоники, являются проводящие и полупроводниковые наночастицы в диэлектрической среде при наличии внешнего магнитного поля [1-2]. Металлические наночастицы и их кластеры могут существенно изменять радиационные характеристики близкорасположенных квантовых точек [3-5] в результате экситон-плазмонного взаимодействия. Эффективность плазмонного влияния зависит от геометрической конфигурации системы, а также внешнего магнитного поля, способного изменять поляризационные характеристики проводящей частицы. Так, например, в [6-7] было обнаружено и исследовано влияние магнитного поля на экситонную люминесценцию и случайную генерацию в ближнем УФ-диапазоне пленок ZnO, сформированных из хаотично ориентированных наностержней, покрытых наночастицами Ag при комнатной температуре. При наличии магнитного поля в такой системе наблюдалось ярко выраженное усиление люминесценции, тогда как в отсутствие наночастиц серебра магнитополевое усиление свечения не имело места.

Рассмотрим экситон-активированную сферическую полупроводниковую квантовую точку (КТ) радиуса с содержащейся в ней электрон-дырочной парой или экситоном Ванье-Мотта, и глобулярную металлическую наночастицу (НЧ) радиуса на расстоянии от нее. Поле активированной КТ представляет собой поле осциллирующего с частотой во времени t дипольного источника с дипольным моментом . Это поле наводит в наночастице дипольный момент . Полагаем, что диэлектрическая проницаемость КТ не обладает выраженной частотной дисперсией, тогда как диэлектрическая проницаемость проводящей НЧ , наоборот, имеет типичную для металлов сильную дисперсию [8] в области частот экситонного перехода. Прозрачная среда характеризуется диэлектрической постоянной . Во внешнем магнитном поле индукции B электронная плазма металла приобретает анизотропные свойства, и диэлектрическая проницаемость становится тензором [1-2]. Приближение однородного поля и дипольной поляризуемости. На достаточно больших расстояниях r₀ от КТ и малых радиусах R наночастиц поле диполя p можно приближенно считать однородным и использовать для описания отклика на него понятие электрической дипольной поляризуемости НЧ.

Во внешнем магнитном поле B, вследствие замагниченности электронной плазмы, электрическая дипольная поляризуемость проводящей частицы в однородном монохроматическом поле частоты становится тензором второго ранга [1-2]. Тогда выражение для скорости спонтанного рекомбинационного свечения (экситонной люминесценции) полупроводниковой квантовой точки (КТ), расположенной вблизи наночастицы (НЧ), на расстоянии r₀ от ее центра, при наличии внешнего магнитного поля принимает следующий вид [2]

. (1)

Здесь - квазистатическая диадическая функция Грина точечного дипольного источника; - единичная диада; . Вектор поляризации сферической квантовой точки , возникающей при активации в КТ экситона Ванье-Мотта в условиях сильного и слабого конфайнмента имеет вид [9]

, , (2)

где - векторный матричный элемент межзонного электронного дипольного момента перехода; r_B -боровский радиус.

Для потенциала поля внутри шаровой КТ в [10] было получено

а для потенциала поля диполя p во внешней среде ()

.

Рис. 1 Радиальная зависимость потенциала поля внутри и вне квантовой точки для ее различных диэлектрических проницаемостей при сильном конфайнменте. , , нм, нм, .

Рис. 2 Радиальная зависимость потенциала поля внутри и вне КТ для ее различных диэлектрических проницаемостей при слабом конфайнменте.

, , нм, нм, .

Безизлучательный перенос энергии экситона КТ к металлической НЧ во внешнем магнитном поле

Вероятность в единицу времени (скорость) безызлучательной передачи энергии от КТ к наночастице с поляризуемостью может быть представлена через характеристики поля и НЧ в следующем виде [10-11]

. (3)

Здесь - напряженность поля, создаваемого возбужденной КТ в области расположения наночастицы, V - объем частицы.

Радиационные спектры объединенной системы «КТ-НЧ»

Спектральная плотность числа фотонов, испущенных объединенной системой «КТ-НЧ» на частоте , определяется как произведение вероятности спонтанного перехода (1) на функцию формы линии, которую будем считать лоренцевой, с шириной, определяемой скоростью диссипации (3) ( - угол между векторами p и r₀)

. (4)

Здесь, в (4), - резонансная частота лоренцева контура экситонной полосы. Спонтанное испускание и безызлучательный перенос энергии на наночастицу являются конкурирующими процессами дезактивации возбужденного состояния молекулы, и для их совместного учета необходимо определить долю молекул, распавшихся радиационным способом (квантовый выход люминесценции)

, (5)

где - постоянная скорость безызлучательного распада возбужденной молекулы в отсутствие наночастицы.

Спектральная плотность (4) отражает экспериментально регистрируемые спектры люминесценции систем, содержащих квантовые точки с проводящими и/или металлогибридными наночастицами, а также их кластерами.

На рис. 3 представлены частотные зависимости скорости безызлучательного переноса энергии от квантовой точки к сферической металлической наночастице в магнитном поле различной индукции В. Наблюдаются расщепления кривых частотной зависимости скорости на две спектральные компоненты, характерные для спектров поляризуемости проводящей сферической наночастицы в магнитном поле [1-2]. На рис. 4 представлены спектры люминесценции объединенной системы «КТ-НЧ». В области плазмонного резонанса (низкочастотная полоса) при включении магнитного поля () также наблюдается расщепление спектрального контура на две компоненты.

Для объяснения изменений в электронных спектрах спонтанного свечения двухкомпонентных систем «КТ-НЧ», вызванных внешним магнитным полем, на основе (1)-(2) и (4)-(5) предложена модификация простейшей модели [2] спонтанных электродипольных переходов в комплексах с НЧ.

Скорость диссипации и поляризация наночастицы в неоднородном поле КТ

На малых расстояниях r₀ от КТ и/или достаточно больших радиусах R₂ наночастиц поле диполя p уже нельзя считать однородным и использование для описания отклика на это поле электрической дипольной поляризуемости НЧ становится некорректным. Ниже мы приводим более общую модель, которая учитывает неоднородность поля как внутри, так и вне НЧ.

Точечный диполь вне проводящего наношара. Потенциалы(j=2,3) электрического поля внутри () металлического шара радиуса и тензором диэлектрической проницаемости , и снаружи () - в среде с диэлектрической проницаемостью , создаваемого точечным зарядом q, помещенным в точку () вне шара могут быть записаны в виде

, (6) ,

. (7)

Потенциалы (j=2,3) радиально выстроенного точечного диполя получаем дифференцированием (6)-(7) по переменной :

.

, (8)

(9)

Заметим, что поле с потенциалом (9) определяет безызлучательный перенос энергии экситона КТ вблизи проводящей НЧ к малой частице-акцептору (молекуле или атомно-молекулярному кластеру), находящейся в точке М с координатами в магнитном поле.

Скорость диссипации энергии на частоте в малой сферической наночастице радиуса с поляризуемостью , расположенной в точке от центра НЧ имеет вид [10-11]

, (10)

где - напряженность поля, создаваемого экситон-активированной КТ и поляризованной ею НЧ в месте нахождения акцептора, а потенциал определен формулой (9). Выражение (10) справедливо в силу того, что акцептирующая частица (в общем случае - композит) имеет радиус нанометрового масштаба величины, а расстояние r между центром НЧ-ретранслятора и центром наночастицы-акцептора предполагается достаточно большим: . Тогда, в пределах пространственной области занятой наночастицей-акцептором, поле можно приближенно считать однородным, а его искажения при внесении такой частицы - малым.

В неоднородном поле формула (1) для скорости спонтанного излучения объединенной бинарной системой «КТ-НЧ» должна быть модифицирована

, (11)

.(12)

Интеграл (12) представляет собой наведенный дипольный момент [12] НЧ в неоднородном поле активированной квантовой точки и магнитном поле B.

Аналогичной модификации должна быть подвергнута и ранее определенная выражением (3) скорость безызлучательной передачи энергии от КТ к наночастице. В случае неоднородного поля эта скорость может быть представлена интегралом от мнимой части квадратичной формы вектора напряженности локального поля внутри НЧ

. (13)

Эффект влияния металлических наночастиц на радиационные переходы в КТ при наличии внешнего магнитного поля был исследован нами для различных геометрических конфигураций системы как на основе выражений (1-5), так и на основе (8)-(9) и (11)-(13). В обоих случаях в расчетах использовалась формула (4) для интенсивности экситонной эмиссии КТ, полученная c учетом диссипации энергии ее возбужденного состояния на плазмонных модах НЧ. Изучены последствия замены обратного тензора его скалярным аналогом , в качестве базового элемента которого использовались различные инварианты разного порядка для тензора , от первого: - на основе следа, до третьего: - на основе детерминанта.

Таким образом, в данной работе исследован эффект влияния металлических наночастиц на спонтанные излучательные переходы в комплексах «экситон-активированная квантовая точка - наночастица» при наличии внешнего магнитного поля, изменяющего диэлектрическую проницаемость электронной плазмы проводящих компонентов.

Работа выполнена по Госзаданию № 3.7758.2017/БЧ Министерства образования и науки РФ.

наночастица квантовый магнитный металлический

Список литературы

1. Kucherenko M. G. Nalbandyan V. M. Polarizability spectra of magnetized layered nanocomposites with an anisotropic core or cladding and localized surface plasmons // J. Opt. Technol. 85, 524-530 (2018).

2. Kucherenko M.G. and Nalbandyan V.M. Absorption and spontaneous emission of light by molecules near metal nanoparticles in external magnetic field // Physics Procedia. 73. 136-142. (2015) doi: 10.1016/j.phpro. 2015.09.134. Published by Elsevier B.V.

3. Soganci I.M., Nizamoglu S., Mutlugun E., Akin O. Demir H.V. Localized plasmon-engineered spontaneous emission of CdSe/ZnS nanocrystals closely-packed in the proximity of Ag nanoisland films for controlling emission linewidth, peak, and intensity //Opt. Express. 2007. Vol. 15. N 22. P. 14 289-14 298

4. Шамилов Р.Р., Нуждин В.И., Валеев В.Ф., Галяметдинов Ю.Г., Степанов А.Л. Усиление фотолюминесценции квантовых точек cdse/cds на кварцевых подложках с наночастицами серебра // Журнал технической физики. 2016. Т. 86. №11. - С. 95-100.

5. Матюшкин Л.Б., Перцова А., Мошников В.А.Усиление люминесценции квантовых точек вблизи слоя наночастиц Ag/SiO2 // Письма в ЖТФ. 2018. -Т. 44. -Вып. 8. -С. 35-41.

6. Briskina C.M., Tarasov A.P., Markushev V.M., Shiryaev M.A. Magnetic field influence on the intensity of zno random lasing and exciton luminescence // Journal of Nanophotonics. 2018. Т. 12. № 4. С. 043506.

7. Брискина Ч.М., Тарасов А.П., Маркушев В.М., Ширяев М.А. Усиление краевого излучения наностержней zno в магнитном поле // Журнал прикладной спектроскопии. 2018. Т. 85. № 6. С. 1018-1020.

8. Климов В. В. Наноплазмоника. М.: Физматлит. 2009. - 480 c.

9. Агранович В.М., Баско Д.М. Резонансный перенос энергии от полупроводниковой квантовой точки к органической матрице // Письма в ЖЭТФ. 1999. 69. -В.3. 232-235.

10. Кучеренко М.Г., Скуратова С.В. Перенос энергии экситон-активированной квантовой точки к нанокомпозитным частицам в стеклах // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: материалы Всероссийской научно-методической конференции. Оренбургский гос.ун-т. - Электрон. дан. -Оренбург: ОГУ, 2016. - С. 1237-1247

11. Кучеренко М.Г. Экситон-плазмонное взаимодействие в системе «полупроводниковая квантовая нить-сферическая металлокомпозитная наночастица» / М. Г. Кучеренко, Т. М. Чмерева / Матер. Всеросс. научно-метод. конфер. «Университетский комплекс как региональный центр образования науки и культуры. - Оренбург гос. ун-т. - 2015. - С. 1097-1107.

12. Климов В.В., Дюклуа М., Летохов В.С. Спонтанное излучение атома в присутствии нанотел // Квантовая электроника. 2001. -31. -№7. - C. 569- 586.

Размещено на Allbest.ru