WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 4 Модель фотоотжига собственных дефектов гексагональных квантовых точек CdSxSe1-x ¶ © В.П. Кунец, Н.Р. Кулиш, М.П. Лисица, В.П. Брыкса Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 21 августа 2003 г. Принята к печати 18 сентября 2003 г.) На основе исследований кинетики фотоиндуцированного затухания люминесценции квантовых точек CdSxSe1-x, синтезированных в стеклянной матрице, и расчетов ab initio энергий химических связей на границе раздела фаз в кластере типа n(CdSe)–SiOx обоснован возможный механизм фотоотжига собственных дефектов квантовых точек с гексагональной структурой кристаллической решетки. Модель состоит в том, что индуцируемый светом разрыв связей Se–O со стороны анионной грани ведет к увеличению напряженности электрического поля внутри квантовой точки, под действием которого вакансии кадмия дифундируют к поверхности. Такая модель позволяет объяснить наблюдаемые при фотоотжиге эффекты деградации люминесценции и параметров нелинейных оптических устройств на их основе.

Наблюдаемый экспериментально эффект потемне- тронов с квантово-размерных уровней на глубония („photodarkening effect“) [1–10] в структурах с кие (0.56–0.60 эВ) и мелкие (0.24–0.26 эВ) акцепторные квантовыми точками CdSxSe1-x сопровождается: за- уровни, сформированные катионной вакансией VCd и туханием фотолюминесценции под действием непре- комплексом типа A-Mi соответственно, где A — VCd, рывного излучения, интенсивность которого превыша- а Mi — межузельные атомы Cd [12]. Природа полосы при 1.57 эВ достоверно не установлена. Полоса прямой ет 0.1–1.0 Вт/см2; изменением показателя преломления ( n 8 · 10-7 [8]); увеличением коэффициента поглоще- электронно-дырочной рекомбинации (2.21 эВ) отчетливо проявляется в спектрах при уровнях возбуждения ния ( K 0.05-0.1см-1) в области прозрачности [8];

I0 > 0.1Вт/см2. После фотоотжига интенсивность акуменьшением нелинейной керровской восприимчивости, цепторных полос уменьшается на 90–95%, а интенсиввремени нелинейного отклика системы и времени жизни ность полосы прямой электронно-дырочной рекомбинанеравновесных носителей заряда [3].

ции — на 10–15%, поэтому последняя доминирует в Механизм деградации фотолюминесценции не устаспектре (рис. 1).

новлен. Предполагалось, что он связан с фотохимичеКинетика затухания фотолюминесценции IPL(t) имеет скими реакциями [1], фотоионизацией точек [11] и(или) сложный характер (рис. 2, a). В большинстве случаев ее увеличением числа поверхностных центров безызлучаудается описать экспоненциальным законом тельной рекомбинации [4]. Интерес к исследованию эффекта мотивируется необходимостью выяснения причин IPL(t) A + B exp(-t/t1) +C exp(-t/t2) деградации фотолюминесценции, изменения параметс двумя характерными константами затуханий t1, t2, в ров квантовых точек AIIBVI и нелинейных оптических устройств на их основе. Цель работы заключается в об- котором A, B и C — константы, зависящие от тиосновании возможной модели эффекта деградации фото- па образца и условий возбуждения. В ряде случаев люминесценции квантовых точек CdSx Se1-x со средним радиусом r, сравнимым с боровским радиусом экситона.

Спектры фотолюминесценции точек с r = 2.9нм за писывались в стандартной геометрии „на отражение“.

Возбуждение и фотоотжиг осуществлялись непрерывным излучением аргонового лазера ( = 514.5нм). При записи спектров интенсивность излучения составляла 0.05-0.5Вт/см2, а при фотоотжиге и записи кинетических зависимостей затухания люминесценции — варьировалась в пределах It < I0 < 103 Вт/см2. В зависимости от интенсивности света при фотоотжиге I0 характерные времена затухания фотолюминесценции составляли от нескольких секунд до нескольких десятков минут.

При низких уровнях возбуждения ( 0.05 Вт/см2) Рис. 1. Спектры фотолюминесценции квантовых точек в спектрах исходных (нефотоотожженных) образцов CdS0.32Se0.68 с r = 2.90 нм, записанные при интенсивности присутствуют три полосы (рис. 1). Две из них (1.возбуждения 0.05 Вт/см2 и температуре 77 K до (штриховая и 1.99 эВ) соответствуют переходам свободных элеккривая) и после (сплошная) фотоотжига в течение 0.5 ч при ¶ E-mail: vl_kunets@yahoo.com интенсивности излучения I0 = 60 Вт/см2.

6 466 В.П. Кунец, Н.Р. Кулиш, М.П. Лисица, В.П. Брыкса вых IPL(t), измеренных при разных уровнях возбуждения I0, является наличие двух ярко выраженных экспоненциальных участков (рис. 2, b). На первом участке, где процесс деградации идет медленно при уровнях возбуждения 0 < I0 < 102 Вт/см2, резко уменьшается с ростом I0. На втором, где процесс деградации идет более эффективно при I0 > 102 Вт/см2, слабо зависит от I0.

Отметим, что величина уменьшается с уменьшением среднего радиуса квантовых точек. Такое поведение свидетельствует о том, что механизм деградации фотолюминесценции связан с процессом, который испытывает насыщение с ростом интенсивности света. В принятой модели объяснения этого эффекта предполагается, что таким процессом является разрыв химических связей Se–O и S–O со стороны анионной грани квантовой точки, число которых ограничено. В этой модели мы исходили из того, что квантовые точки синтезируются в виде гексагональной призмы, о чем свидетельствуют данные электронной микроскопии на отражение (SEM).

Анионная грань призмы заряжена отрицательно, а катионная — положительно. Поскольку синтез ведется в стекле, содержащем 60–70% SiO2, большая часть анио нов и катионов химически связана с атомами кислорода и кремния, т. е. наиболее вероятными связями являются:

Cd–O, Se(S)–O, Cd–Si и Se(S)–Si. Среди возможных бинарных соединений с такими связями в природе не встречаются лишь силициды кадмия [13].

Чтобы смоделировать зарядовое состояние анионной и катионной граней квантовой точки и рассчитать энергии указанных связей, рассматривался клаРис. 2. a — типичные зависимости кинетики затухания фотолюминесценции квантовых точек CdS0.32Se0.68 (r = 2.90 нм) при интенсивностях возбуждения I0 Вт/см2: 1 —7.3, 2 — 20.9, 3 — 166.6. b — зависимость от интенсивности возбуждения Iэффективного времени фотоотжига.

зависимость IPL(t) имеет более сложный характер и такое разложение оказывается неудовлетворительным.

Поэтому для анализа зависимости эффективности процесса фотоотжига от интенсивности света удобно ввести параметр, определяемый следующим образом:

= IPL(t)dt, (1) Imax PL где Imax — исходный сигнал фотолюминесценции до PL фотоотжига. Реально верхний предел интегрирования определяется временем, при котором процесс деградации выходит на насыщение. Введенный таким образом параметр характеризует время неравновесного про цесса и определяется площадью под кривой IPL(t), ограничиваемой остаточным сигналом фотолюминесценции.

Величина является мерой эффективности процесса фотоотжига.

Рис. 3. Гексагональный кластер N(CdSe) с параметрами Характерной особенностью зависимости (I0), по- кристаллической решетки a = 4.2 и c = 7.01, а также лученной из анализа семейства кинетических кри- фрагмент SiOx.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Модель фотоотжига собственных дефектов гексагональных квантовых точек CdSx Se1-x (рис. 5). Полученные данные свидетельствуют о том, что на границе раздела квантовая точка CdSSe /стекло наиболее вероятными есть связи атомов Cd и Se(S) с кислородом, а их образование или разрыв изменяет величину заряда анионной и катионной граней и разницу потенциалов между последними.

Основными положениями предлагаемой модели являются: а) квантовая точка с гексагональной структурой кристаллической решетки и частично ионным типом химических связей обладает внутренним дипольным моментом, направленным вдоль гексагональной оси, создаваемым чередующимися плоскостями разнозарядных ионов; б) энергия генерируемых светом в квантовой точке экситонов растрачивается на разрыв химических связей на одной из ее граней, преимущественно со стороны анионной грани.

Рис. 4. Зависимости энергий связи Se–O, Se–Si от расстояния Механизм такого процесса следующий. Расчеты возмежду атомами.

бужденного состояния кластера, которое моделируется путем замены одного связывающего состояния в волновой функции кластера на антисвязывающее, показывают, что в возбужденном состоянии энергии связей Se–O и Cd–O уменьшаются на 50 и 30 ккал/моль соответственно. В реальной структуре электрон и дырка могут туннелировать за пределы квантовой точки в матрицу стекла. При этом неравновесный электрон созданной светом пары e-h может захватываться на центр E1 в матрице, если температура достаточно низкая [14], или поверхностной ловушкой. Неравновесная дырка может захватываться на центры H1 в матрице стекла [14] или выходить на отрицательно заряженную анионную грань квантовой точки, что эквивалентно разрыву химической связи на этой грани. Расчеты ab initio показывают, что такой разрыв ведет к увеличению отрицательного потенциала анионной грани и разницы потенциалов между катионной и анионной гранями квантовой точки.

Создаваемое таким образом внутри квантовой точки поле индуцирует диффузию однозарядных вакансий кадмия к поверхности, вследствие чего акцепторные состояния Рис. 5. Зависимости величины индуцированных зарядов на в объеме точки исчезают, а соответствующие полосы фогранях Cd (1) и Se (2) квантовой точки CdSxSe1-x от расстояния до атома кислорода (Cd–O или Se–O). Стрелками толюминесценции гаснут. Заметим, что выход вакансий отмечены равновесные расстояния.

из объема на поверхность ведет к упорядочению кристаллической структуры квантовых точек и увеличению числа оборванных связей на границе раздела. В пользу такого механизма свидетельствует фотостимулированстер CdSe гексагональной структуры, взаимодействуюная природа процесса. Затухание фотолюминесценции щий с фрагментом SiOx (рис. 3). Расчеты ab initio идет эффективно и при температуре жидкого гелия, энергий связей, например Se–O и Se–Si (рис. 4), и даже если интенсивность возбуждения недостаточна для линий электрического потенциала в кластере в рамках нагревания квантовых точек [15]. Восстановить сигнал самосогласованной схемы Хартри–Фока полуэмпиричефотолюминесценции можно путем термического нагрева ским методом РМЗ в приближении NDDO (Neglect of всей структуры в течение нескольких часов при темпеDiatomic Differential Overlap) показали, что наибольшие ратуре 300-500C. При таком отжиге в объеме точек энергии соответствуют связям Se–O (109.9 ккал/моль) образуются новые вакансии кадмия.

и Cd–O (123.5 ккал/моль) при равновесных расстояниях Достоверность нашей модели может быть подтверждемежду атомами 1.6 и 2.0 соответственно. Величины на экспериментальной проверкой вытекающих из нее выиндуцируемых зарядов анионной и катионной граней водов. В частности, о возрастании числа оборванных свякластера с приближением атома кислорода изменяют- зей на границе раздела фаз свидетельствует возрастание ся: положительный заряд катионной грани возрастает, показателя преломления структур [8], уменьшение нелиа отрицательный заряд анионной грани уменьшается нейной керровской восприимчивости и времени жизни 6 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 468 В.П. Кунец, Н.Р. Кулиш, М.П. Лисица, В.П. Брыкса неравновесных носителей заряда [3], а также появление Model of a lattice defect photoinduced фотоиндуцированного поглощения, приписываемого в annealing in hexagonal CdSxSe1-x работе [8] поверхностным состояниям. Фотоотжиг акquantum dots цепторных состояний и возможность их восстановления V.P. Kunets, N.R. Kulish, M.P. Lisitsa, V.P. Bryksa последующей термической обработкой структур подтверждается деградацией и восстановлением акцепторых Lashkarev Institute of Semiconductor Physics, полос фотолюминесценции. Уменьшение эффективного National Academie of Sciences of Ukraine, времени отжига с уменьшением среднего радиуса 03028 Kiev, Ukraine квантовых точек объясняется более быстрым выходом вакансий кадмия на поверхность.

Abstract

A possible model of the photoinduced annealing of the intrinsic lattice defects in the hexagonal CdSx Se1-x quantum dots synthesized in a glass matrix is proposed using luminescence decay Список литературы kinetic investigations and ab initio calculations of chemical bond [1] P. Roussignol, D. Ricard, J. Lukasik, C. Flytzanis. J. Opt. Soc.

energies at the boundary between CdSe cluster and SiOx fragment.

Amer., B4, 5 (1987).

The model implies that the photoinduced break of Se–O bonds [2] J.P. Zheng, L. Shi, F.S. Choa, P.L. Liu, H.S. Kwok. Appl. Phys.

increases the electric field inside a quantum dot, which stimulates Lett., 53, 643 (1988).

diffusion of the cadmium vacancy to the surface. This model [3] M. Mitsunaga, H. Shinojima, Ken-ichi Kubodera. J. Opt. Soc.

enables us to explain the luminescence photodarkening effect in Amer., B5, 1448 (1988).

quantum dots as well as the degradation of the nonlinear optical [4] M. Kull, J.L. Coutaz, G. Manneberg, V. Grivisckas. Appl.

device parameters.

Phys. Lett., 54, 1830 (1989).

[5] J.P. Zheng, H.S. Kwok. Appl. Phys. Lett., 54, 1 (1989).

[6] Chunming Jin, Jiaqi Yu, Weiping Qin, Jialong Zhao, Fangche Zhou, Kai Dou, Junye Liu, Shihua Huang. J. Luminecs., 53, 483 (1992).

[7] P. Maly, F. Trojanek, A. Svoboda. J. Opt. Soc. Amer., B10, 1890 (1993).

[8] A. Vanhaudenarde, M. Trespidi, R. Frey. J. Opt. Soc. Amer., B11, 1474 (1994).

[9] P. Nemec, F. Trojanek, P. Maly. Phys. Rev. B, 52, R(1995).

[10] Q. Shen, K.Ab. Shgigenari, T. Toyoda. J. Luminecs., 87–89, 444 (2000).

[11] В.Я. Грабовскис, Я.Я. Дзенис, А.И. Екимов, И.А. Кудрявцев, М.Н. Толской, У.Т. Рогулис. ФТТ, 31, 272 (1989).

[12] М.Я. Валах, Н.Р. Кулиш, В.П. Кунец, М.П. Лисица, Г.Ю. Рудько. Укр. физ. журн., 38, 1667 (1993).

[13] Г.В. Самсонов, Л.А. Дворина, Б.М. Рудь. Силициды (М., Металлургия, 1979).

[14] A.N. Trukhin, M.N. Tolstoj, L.B. Glebov, V.L. Savelev. Phys.

St. Sol. (b), 99, 155 (1980).

[15] М.Я. Валах, В.П. Кунец, Н.Р. Кулиш, М.П. Лисица. ЖПС, 65, 252 (1998).




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.