Еволюція фізичних властивостей напівпровідників гексагональної сингонії при переході до розмірів квантових масштабів

5. Доведено, що довгохвильовий край смуги власного поглинання стекол з квантовими точками CdS_XSe_1-X підкоряється узагальненому правилу Урбаха, яке враховує статичну (заряджені точкові дефекти) та динамічну (фонони) невпорядкованості кристалічної ґратки. Визначено основні параметри правила Урбаха і показано, що їх відмінності від напаремтрів для масивного кристала пояснюються впливом квантово-розмірних ефектів та зменшенням кількості елементарних комірок кристалічної ґратки квантових точок. Виявлено, що константа екситон-фононної взаємодії а також напруженості ефективних електричних полів, індукованих в квантовій точці статичною та динамічною невпорядкованостями кристалічної ґратки, зростають у порівнянні зі значеннями одноіменних величин для масивних кристалів.

6. З'ясовано природу центрів випромінювальної рекомбінації квантових точок CdS_XSe_1-X з <2a_B, синтезованих у боросилікатному склі на стадії переконденсації пересиченого твердого розчину. Встановлено, що акцепторні стани з глибиною залягання 0.56-0.60 еВ утворюються переважно вакансіями кадмію (V_cd), а акцепторні стани з глибиною залягання 0.24-0.26 еВ комплексами типу АМ_i, де A- V_Cd, а М_i -міжвузлові атоми Cd. Короткохвильовий зсув відповідних смуг фотолюмінесценції квантових точок відносно смуг масивного кристала обумовлений квантово-розмірним ефектом та впливом тиску матриці скла.

7. Показано, що причиною деградації фотолюмінесценції квантових точок під дією світла («photodarkening» ефект) є фотовідпал їх власних дефектів. Основними факторами, що впливають на ефективність фотовідпалу є: анізотропія властивостей кристалічної ґратки та наявність внутрішнього дипольного моменту квантових точок; зарядовий стан гетерограниці, що визначається типом та кількістю обірваних зв'язків; тип кристалічної грані (катіонна, аніонна, чи катіонно-аніонна грань); стан матриці скла навколо квантової точки (кількість та зарядовий стан та центрів). Це вимагає розгляду структури як складної цілісної гетеросистеми, в якій матриця скла відіграє важливу роль.

З'ясовано механізм фотовідпалу власних дефектів квантових точок CdS_XSe_1-X. Доведено, що він пов'язаний з дифузією вакансій кадмію (V_Cd) до поверхні квантової точки під дією електричного поля, індукованого в квантовій точці розривом хімічних зв'язків під дією світла переважно між атомами S(Se) аніонної грані квантової точки та атомами кисню прилеглої матриці скла, та обумовленої цим зміни зарядового стану аніонної грані. Причиною розриву хімічних зв'язків є тунелювання дірок у матрицю скла. Запропоновано і обґрунтовано мікроскопічну модель деградації фотолюмінесценції квантових точок під дією світла.

8. Показано принципову можливість пасивації обірваних зв'язків на поверхні квантових точок CdS_XSe_1-X шляхом обробки структури в низькотемпературній високочастотній водневій плазмі. Вперше виявлено, що наслідком пасивації є зменшення кількості поверхневих безвипромінювальних центрів рекомбінації та збільшення внутрішнього квантового виходу екситонної фотолюмінесценції.

9. Показано, що насичення поглинання в гексагональних одновісних кристалах А^IIВ^VI викликає нелінійні зміни величини дихроїзму та значні ефекти поляризаційного самовпливу лінійно-поляризованих оптичних хвиль, який проявляється, зокрема, у повороті площини поляризації на десятки градусів. Доведено, що величина та характер поляризаційного самовпливу залежать від параметра енергетичної релаксації між верхніми валентними підзонами, розщепленими внутрікристалічним полем. Взаємокомпенсуючі повороти площини поляризації у протилежних напрямках анізотропними квантовими точками, хаотично орієнтованими у просторі, нівелюють ефекти поляризаційного самовпливу лінійно-поляризованих оптичних хвиль. Вперше виявлено ефекти поляризаційного самовпливу еліптично-поляризованих хвиль в подібних структурах.

10. Розроблено та обгрунтовано оптичні методи визначення основних фізичних параметрів напівпровідникових квантових точок, синтезованих у прозорій діелектричній матриці, що дозволяють прослідкувати за еволюцією параметрів квантових точок при зменшенні їх розмірів та визначати, зокрема: середній радіус, компонентний склад, поперечний переріз поглинання, час життя носіїв заряду, енергію розмірного квантування, константу електрон-фононної взаємодії та ін. Показано, що для квантових точок А^IIВ^VI оптичні методи доцільно застосовувати в діапазоні розмірів 1.5-2.0 нм << 10.0 нм.

Таким чином, в роботі виявлено і описано електронні явища, що протікають під дією світла безпосередньо в квантових точках широкозонних напівпровідників А^IIВ^VI, зокрема CdS, CdSe і їх твердих розчинів, та на гетерограниці з матрицею скла. В сукупності результати дисертації являють собою систему даних фундаментального характеру про природу процесів поглинання і випромінювання світла електронною підсистемою з розмірно-квантованим енергетичним спектром, процесів електрон-фононної взаємодії в квантових точках, процесів фотовідпалу власних дефектів квантових точок та процесів на гетерограниці; а також про зміну параметрів і фізичних властивостей квантових точок при зміні їх розмірів. Отримані в дисертації нові дані важливі для науки та виробництва. В наукових дослідженнях вони повинні враховуватись при вирішенні фізичних проблем взаємодії світла з електронною підсистемою в умовах розмірного квантування енергетичного спектра. На практиці їх необхідно застосовувати при розробці оптичних та електронних пристроїв методами нанотехнологій, при вирішенні задач по створенню елементної бази наноелектроніки.

Достовірність результатів забезпечується комплексністю проведених досліджень з застосуванням добре апробованих експериментальних методик, послідовним і всебічним характером досліджень, комп'ютерним моделюванням фізичних явищ і закономірностей, що добре узгоджуються з теоретичними розрахунками та існуючими уявленнями про природу фізичних процесів в квантових точках, зокрема квантово-розмірних ефектів. Основні експериментальні методи оптичної спектроскопії є прямими методами спостереження ефектів розмірного квантування. В усіх випадках здійснювалась перевірка відтворюваності результатів та оцінювались похибки експериментів.

Результати роботи опубліковані в аторитетних реферованих вітчизняних і міжнародних виданнях (Superlattices and Microstructures, Physica Status Solidi (b), Физика твердого тела, Физика и техника полупроводников, Письма в ЖТФ, Журнал прикладной спектроскопии, Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, Український фізичний журнал, Доповіді НАН України), а також були широко апробовані на міжнародних і вітчизняних конференціях, семінарах (наведено в загальній характеристиці роботи).

ПУБЛІКАЦІЇ

1. Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Лисица М.П., Малыш Н.И. Эволюция спектров поглощения при переходе от обьемных к квантово-размерным кристаллам CdS_XSe_1-X // УФЖ.- 1992.- Т. 37, N8, С. 1141-1146.

2. Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Малыш Н.И., Орлов С.В., Первак Ю.А. Насыщение оптического поглощения в монокристаллах и пленках CdSe и стекле с микрокристаллами CdS_XSe_1-X // Квантовая электроника, Наукова думка, Киев, 1993.- вып. 45, С. 99-101.

3. Валах М.Я., Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Лисица М.П., Рудько Г.Ю. Природа излучательной рекомбинации в квазинульмерных микрокристаллах CdS_XSe_1-X // УФЖ.- 1993.- Т. 38, N11, С. 1667-1672.

4. Куліш М.Р., Кунець В.П., Лисиця М.П., Малиш М.І., Риков В.І. Вплив зміни площини поляризації світла на насичення поглинання в монокристалічному CdSe // УФЖ.- 1995.- Т. 40, N9.- С. 929-932.

5. Куліш М.Р., Кунець В.П., Кунець Вас.П. Нелінійне поглинання CdS // Вісник київського університету, сер. Фізико-математичні науки, Київ. - 1996, N2.- С. 304-309.

6. Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Лисица М.П. Определение параметров полупроводниковых квантовых точек в стеклянных матрицах из спектров поглощения, люминесценции и насыщения оптического поглощения // ФТТ.- 1997.- Т. 39, N10.- С. 1865-1870.

7. Kulish N.R., Kunets V.P., Lisitsa M.P. Determination of semiconductor quantum dots parameters by optical methods// Superlattices and Microstructures.-1997.- V. 22, N3.- P. 341-351.

8. Валах М.Я., Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Лисица М.П. Влияние интенсивности непрерывного лазерного излучения на температуру нанокристаллов CdSSe в стеклянной матрице // ЖПС.- 1998.- Т. 65, N2.- С. 252-255.

9. Кунец В.П. Вплив гідростатичного тиску скляної матриці на оптичні властивості нанокристалів CdSSe // УФЖ.- 1998.- Т. 43, N1.- С. 64-69.

10. Kunets V.P. Polarization self-action effect and absorption saturation in CdSe single crystals // Phys. Stat. Sol. (b).- 1998.-V. 209, P. 179-186.

11. Шепелявый П.Е., Кунец В.П., Михайловская Е.В., Индутный И.З. Особенности фазовых превращений в неоднородных тонких пленках моноокись кремния/хром при импульсном лазерном облучении // Письма в ЖТФ, 1999.-Т. 25, вып. 4.- С. 19-24.

12. Шепелявый П.Е., Кунец В.П., Михайловская Е.В., Индутный И.З. Фазовые превращения в напыленных неоднородных слоях SiO/Cr при импульсном лазерном облучении // Научно-техн. сб. «Вопросы атомной науки и техники», Харьков.-1998.- вып. 6(7), 7(8).- С. 176-178.

13. Malysh N.I., Kunets V.P., Valiyh S.I., Kunets Vas. P. Saturation of optical absorption in CdS single crystals // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.-1999.-V.2, N1.- P. 31-32.

14. Кунец В.П. Спектроскопія краю власного поглинання квантових точок А₂В₆.- Доповіді НАН України.- 1999.- N9, С. 86-91.

15. Kunets V.P. Model of optical transitions in A₂B₆ wurtzite type quantum dots.- Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.-1999.-V.2, N4.-P.23-27.

16. Kulish N.R., Kunets V.P., Lisitsa M.P., Mlayah A. and Valakh M.Ya. Size effects in TEM investigations, absorption and raman scattering spectra of CdSSe nanocrystals embedded into glass matrices // УФЖ.- 2000.- Т. 45, N2.-C. 164-167.

17. Куліш М.Р., Кунець В.П., Кунець Вас.П., Лисиця М.П., Малиш М.І. Особливості крайового поглинання квазінульвимірних напівпровідникових структур з нанокристалами А₂В₆ вюрцитної модифікації // Доповіді НАН України.- 2000.- N9.-С. 86-91.

18. Kunets V.P., Yukhymchuk V.O., Valakh M.Ya. Optical investigations of the thermostimulated changes in an ensemble of CdS_XSe_1-X quantum dots embedded in a borosicate glass matrix//Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.-2001.-V.4, N 3.- P. 5-7.

19. Кунец В.П., Кулиш Н.Р., Кунец Вас.П., Лисица М.П., Малыш Н.И. Температурная зависимость оптической энергетической щели квантовых точек CdS_XSe_1-X // ФТП.-2002.- Т. 36, вып. 2.- С. 227-231.

20. Kunets V.P., Kulish N.R., Kunets Vas.P., Lisitsa M.P. Urbach's rule peculiarities in structures with CdS_XSe_1-X nanocrystals.- Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.-2002.-V. 5, N 1.- P. 9-15.

21. Kunets V.P., Kulish N.R., Strelchuk V.V., Nazarov A.N., Tkachenko A.S., Lysenko V.S., Lisitsa M.P. Enhancement of CdSSe QD exciton luminescence efficiency by hydrogen RF plasma treatment // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.-2003.-V. 6, N 2.- P.169-171.

22. Kunets V.P., Kulish N.R., Lisitsa M.P., Bryksa V.P. Mechanism of photoinduced luminescence degradation in CdS_XSe_1-X quantum dots // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.-2003.-V. 6, N 3.- P. 299-302.

23. Ермолович И.Б., Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Малыш Н.И., Лисица М.П., Шейнкман М.К. Энергетическая структура микрокристаллов CdS_XSe_1-X (0<X<1), погруженных в стеклянную матрицу // Тезисы докладов III Всесоюзной научно-техн. конф. «Материало-ведение халькогенидных полупроводников» 2-4 октября, 1991, Черновцы, часть 1, С. 64.

24. Валах М.Я., Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Лисица М.П., Малыш Н.И., Рудько Г.Ю. Фотолюминесценция квазинульмерных микрокристаллов сульфоселенида кадмия при интенсивном монохроматическом возбуждении // Тезисы докладов III Всесоюзной научно-техн. конф. «Материало-ведение халькогенидных полупроводников» 2-4 октября, 1991, Черновцы, часть 2

25. Валах М.Я., Лисица М.П., Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Рудько Г.Ю. Проявление размерных эффектов в люминесценции стекол, окрашенных микрокристаллами CdSSe // Сб. докл. укр. школы-семинара «Спектроскопия молекул и кристаллов», 10-16 мая, 1993 г., Харьков, С. 16.

26. Кулиш Н.Р., Кунец В.П., Лисица М.П. Нелинейные оптические свойства легированных микрокристаллами CdSSe стекол, перспективных для оптических бистабильных устройств // Труды IV Европейской конф.-выставки по материалам и технологиям «Восток-Запад», 17-21 октября, 1993, Санкт-Петербург, Материалы, С. 146.

27. Kunets V.P., Kulish N.R., Lisitsa M.P., Valakh M.Ya., et.al. Determination of the nanocrystals average radius by absorption and Raman scattering methods // Abstracts IV International conference «Optical diagnostics of materials and devices for opto,- micro- and quantum electronics», October 7-9, Kiev, Ukraine, 1999.- P. 16.

28. Лисица М.П., Кулиш Н.Р., Кунец В.П. Оптические методы определения параметров квантово-размерных нанокристаллов А2В6. Второй российско-украинский семинар «Нанофизика и наноэлектроника», 22-24 ноября 2000 г., Киев, Украина.- С. 38.

29. Валах М.Я., Кунець В.П., Юхимчук В.О., Яремко А.М., Янчук І.Б. Оптичні дослідження зміни параметрів квантових точок CdSSe в боросилікатних стеклах при відпалі // Тези III Міжн. школи-конф. «Сучасні проблеми фізики напівпровідників», Дрогобич, Україна.-2001.- С. 47.

30. Valakch M.Ya., Yaremko A.M., Kunets V.P., Dzhagan V.N., Yukhymchuk V.O., Yanchuk I.B. Theoretical and experimental optical investigations of CdSSe QD's parameters changes at annealing of CdSSe-doped borosilicate glasses // Abstracts of E-MRS Spring Meeting 2002, June 18-21, 2002. Micro- and nano- structured Semiconductors.- P. S-37.

31. Лисиця М.П., Куліш М.Р., Кунец В.П. Спектроскопія тривимірно обмежених напівпровідників А₂В₆. Тези доповідей. 1-а Українська наукова конф. з фізики напівпровідників, УНКФН-1 (з міжнародною участю), Україна, Одеса, 10-14 вересня 2002р., Том 1.- С.16.

Размещено на Allbest.ru