WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

характер имеют СП MCM-InP и AlPO-InP: они размыb — результат вычитания СФЛ 1 из спектров 2, 3 и 4 рис. a, ты настолько, что демонстрируют линейное нарастание соответственно кривые (2, 3, 4). Кривые сдвинуты вдоль оси (край Урбаха) в полулогарифмических координатах, на- ординат.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № Интерфейсные эффекты и формирование оптических свойств ансамблей... Таким образом, в СФЛ этого нанокомпозита доминируют свойства матрицы.

Прямой противоположностью поведения QWR в цеолите является ФЛ MCM-InP. Из сопоставления спектров MCM и MCM-InP (рис. 5) видно, что чистая матрица имеет СФЛ, характерный для дефектов SiO2 с максимумом сразу вслед за лазерной линией, в то время как заполненная матрица дает интенсивную полосу 1.85 eV.

При понижении температуры происходит перераспределение интенсивности ФЛ в пользу низкочастотной части спектра и одновременно ”голубой” сдвиг полосы ФЛ с 1.85 до 1.93 eV (рис. 6), последнее свойство характерно для межзонных переходов. Этот сдвиг наблюдается лишь в области T >70 K (врезка на рис. 6).

Были сняты СФЛ трех различных модификаций MCM-InP. Оказалось, что по мере уменьшения диаметра каналов полоса 1.85 eV (d = 3.6nm) сдвигается в длинноволновую область (3.2 nm) и сливается с низкочастотным нарастанием интенсивности (2.8 nm) (рис. 7, a).

В то же время увеличение мощности облучения (Pex) приводит к насыщению низкочастотного перехода и возРис. 5. СФЛ исходного MCM-41 (1) и MCM-InP с горанию более высокочастотных полос (рис. 7, b).

d = 3.6nm (2) при T = 290 K. На врезке — СП исходного СФЛ CA-InP занимает промежуточное положение меMCM-41.

жду MCM-InP и AlPO-InP, так как в нем присутствуют как полосы характерные для матрицы, так и полосы InP (рис. 8, a). Положение 1.5 eV полосы ФЛ нитей спадает в область края фундаментальной щели. Крутизна InP согласуется с полосой 1.7 eV для 40 nm квантовых нарастания оптической плотности пропорциональна соточек [18]. Изменение СФЛ с увеличением Pex можно держанию InP в матрице [17]. В спектрах, показанных разделить на два процесса: 1) насыщение низкоэнергетина рис. 3, a, отсутствуют принципиальные различия, что свидетельствует о начальной стадии формирования зонной структуры полупроводниковых нитей. Этот факт, а также неоднородность топологии нити вдоль каналов не дают, к сожалению, возможности для проявления особенностей, связанных с 1D-плотностью состояний.

Таким образом, в рассмотренных образцах спектр электронной плотности вблизи уровня Ферми соответствует предельному случаю размерного квантования, для которого несуществен вклад от структуры кристаллической решетки полупроводника (аналогично случаю, рассмотренному в [4]). СП определяются взаимодействием In–P в нити и хаотическим потенциалом матрицы.

3) Ф о т о л ю м и н е с ц е н ц и я. СФЛ QWR InP представлены на рис. 4–9. Наиболее неожиданной является ФЛ AlPO-InP (рис. 4), поскольку внедрение InP в цеолит практически не изменяет структуры спектра, за исключением слабовыраженного подъема при < 1.7 eV и значительного уменьшения яркости ФЛ.

Более того, в СФЛ AlPO-InP присутствуют все особенности, характерные для ФЛ пустого цеолита. Наибольшее изменение испытывает полоса с максимумом 1.77 eV, однако ее гашение связано не с формированием InP, а с заполнением центров адсорбции (спектр AlPO-TMIn).

Это отчетливо видно из сравнения дифференциальных СФЛ (рис. 4, b). Понижение температуры с 280 до 4 K, не Рис. 6. СФЛ MCM-InP (d = 3.6nm) при разных темменяя характера СФЛ, приводит к увеличению яркости пературах; врезка — сдвиг полосы 1.86 eV от температуры.

люминесценции и проявлению более тонкой структуры.

Температура, K: 3.7 (1), 48 (2), 98 (3), 138 (4), 270 (5).

Физика твердого тела, 1997, том 39, № 732 С.Г. Романов, Н.М. Йатс, М.И. Пембл, Д.Р. Аггер, М.В. Андерсон...

связанными). Поверхностные дефекты дают неглубокие состояния вблизи потолка валентной зоны диэлектрика. Для электронов из InP эти состояния являются акцепторами. Схема 2 соответствует малой плотности состояний InP, когда фотогенерация носителей происходит в InP, а рекомбинация идет преимущественно через связанные состояния InP и дефектов матрицы. С увеличением содержания полупроводника формируется общая для QWR зонная структура. При этом зонная схема соответствует случаю контакта полупроводник– диэлектрик, т. е. происходит выравнивание их уровней Ферми в области середины фундаментальной щели диэлектрика. Рентгенофотоэлектронные спектры кластеров в цеолитах [19] демонстрируют именно такой тип выравнивания. При этом рекомбинация через состояния InP становится преобладающей (схема 3).

В случае AlPO-InP излучательная рекомбинация идет преимущественно через связанные состояния по схеме 2, поскольку молекулы InP почти изолированы друг от друРис. 7. a — СФЛ MCM-InP с диаметрами нитей 3.6 (1), 3.2 (2) и 2.8 (3) nm при T = 4.5K. Стрелки показывают положение полосы связанных состояний; b — относительное изменение СФЛ MCM-InP (d = 2.8nm) при четырехкратном увеличении Pex.

ческих переходов (подавление полосы 1.5 eV) и2) расщепление полосы 2.15 eV на три полосы (рис. 8, b). Аналогичное расщепление было найдено для незаполненного асбеста (рис. 8, c). Следует отметить, что образцы на основе асбеста демонстрируют сильную зависимость СФЛ от поляризации падающего света, как это было обсуждено в [17].

В СФЛ EA-InP имеется полоса в области <1.5eV, ее интенсивность резко возрастает с понижением температуры по сравнению с полосой ФЛ матрицы (полоса в области 2.15 eV) (рис. 9). СФЛ EA-InP позволил провести идентификацию полос спектра CA-InP.

Интерпретация СФЛ структурно-изолированных QWR возможна на основе модели, учитывающей релаксацию возбуждения через два конкурирующих канала: в пределах QWR и QWR–матрица. Отправным пунктом модели является ФЛ в незаполненной матрице, когда возбуждение и релаксация в интересующей нас области энергий Рис. 8. a —СФЛCA-InP (T =4.5K) при Pex (1) и 50Pex (2).

происходят целиком через состояния поверхностных деb — расщепление полосы ФЛ связанных состояний CA-InP фектов (схема 1 на рис. 10). При малом содержании (T = 280 K), 1 — Pex и 2 —60Pex, стрелки показывают полонаполнителя плотность его состояний также мала, и эти жение максимумов полос; врезка — относительное изменение состояния привязаны по положению (геометрическому СФЛ CA-InP (1) и CA (2) при 60-кратном увеличении Pex.

и энергетическому) к состояниям дефектов матрицы, c — расщепление полосы ФЛ дефектных состояний исходного служащих центрами адсорбции (назовем эти состояния CA, 1 — Pex, 2 —60Pex; врезка —СПисходного CA.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № Интерфейсные эффекты и формирование оптических свойств ансамблей... 1.5 eV от потолка валентной зоны, что характерно для аморфного SiO2 [20]. Это значение хорошо совпадает с положением полосы ФЛ MCM-InP, что указывает на связь данной полосы с ФЛ через состояния дефектов матрицы (схема 2). С другой стороны, на связь этой полосы с зонной структурой InP указывает температурная зависимость ее положения, аналогичная поведению низкочастотной части спектра, которая определенно вызвана рекомбинацией по схеме 3. Кроме того, если бы эта полоса была примесной, то ее положение осталось бы прежним.

Общепринято, что уменьшение диаметра QWR приводит к ”голубому” сдвигу полосы межзонной ФЛ; напротив, СФЛ MCM-InP показывают ”красный” сдвиг полосы по мере уменьшения диаметра каналов. Принимая по аналогии с CA-InP среднюю толщину слоя InP на поверхности канала, равной 2ML, имеем при одинаковой толщине слоя тем большее заполнение канала, чем меньше Рис. 9. СФЛ EA-InP при T = 4.5 (1) и 280 K (2). его диаметр, а именно 28 % при d = 3.6nm против 36% при d = 2.8 nm. Уменьшение диаметра обусловливает больший интеграл перекрытия состояний в одном канале (увеличение плотности состояний в QWR). Кроме того, га в канале атомного диаметра. В каналах CA возможно чем меньше диаметр канала, тем больше концентрация формирование нескольких ML InP, что делает равновероQWR в ансамбле, а перекрытие волновых функций соятной рекомбинацию по схемам 2 и 3. Соответственно стояний, принадлежащих соседним нитям, разделенным в СФЛ наблюдается полоса 1.5 eV. При повышении Pex расстоянием в 0.8 nm, в свою очередь трехмеризует эта полоса маскируется за счет двадцатикратного увеэтот ансамбль (интерфейс QWR–QWR). Таким образом, личения интенсивности ФЛ связанных состояний. Таким оба этих интерфейса приводят к понижению энергии образом, канал релаксации в QWR проигрывает каналу связанных состояний, что проявляется в виде ”красного” QWR–матрица. Казалось бы, возможна простая сумма сдвига полосы ФЛ. В то же время при повышении Pex процессов по схемам 1 и 3. Однако поведение СФЛ полоса ФЛ сдвигается вверх по энергии, что характерно полосы в области >1.7 eV при росте Pex демонстридля наноструктур с малой плотностью состояний [21] рует различие состояний дефектов в пустой матрице и при насыщении носителями низколежащих по энергии связанных состояний в заполненной матрице. Как видно уровней. Удовлетворительное описание происхождения из СП CA (врезка на рис. 8, c), плотность состояний данной полосы возможно с позиции связанных состоядефектов в области 2.5 eV очень мала. Поэтому увелиний, заселенность которых является результатом взаичение Pex лишь декорирует особенности СФЛ в этой модействия с нитями в каналах. В отличие от CA-InP в области (рис. 8, c). В CA-InP ФЛ этих состояний испыслучае MCM-InP равновесие между каналами релаксатывает более значительную трансформацию при росте ции возбуждения смещено в сторону схемы 3.

Pex (рис. 8, b). Относительное изменение полосы 1.75 eV в CA-InP в 5 раз выше, чем в CA (врезка на рис. 8, b).

При прочих равных условиях (квантовый выход) это указывает на наличие дополнительной плотности состояний вблизи потолка валентной зоны матрицы. Отметим, что связанные состояния лежат несколько ниже по энергии, чем родственные им состояния дефектов в матрице. Это следует из сдвига максимумов расщепленной полосы приблизительно на 0.1 eV после введения InP. Пример EA-InP показывает, что при увеличении перекрытия волновых функций нитей ФЛ через связанные состояния подавляется.

Качественно отсутствие полосы 2.2 eV в MCM-InP имеет то же объяснение, что и в EA-InP (большая концентрация нитей InP). Однако требуют объяснения полоса 1.86 eV и ее ”красный” сдвиг при уменьшении Рис. 10. Схема процессов ФЛ в незаполненной матрице (1) и диаметра каналов. Из СП MCM (врезка на рис. 5) видно, матрицах с малой (2) и высокой (3) концентрацией наполничто полоса состояний дефектов матрицы отстоит на теля. Связанные состояния на схеме 2 затемнены.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № 734 С.Г. Романов, Н.М. Йатс, М.И. Пембл, Д.Р. Аггер, М.В. Андерсон...

Таким образом, СФЛ структурно-изолированных QWR [8] M.W. Anderson, G.K. Logothetis, A.G. Taylor, N. Wallace, H.M. Yates. Adv. Mater. Opt. Electron. 2, 313 (1993).

определяются конкуренцией двух каналов релаксации [9] A. Naumann, W. Dresher. Amer. Mineral. 51, 711 (1966).

возбуждения (через состояния полупроводника и состоя[10] В.П. Петрановский. Частное сообщение.

ния полупроводника, связанные с состояниями дефектов [11] C.T. Kresge, M.E. Leonowicz, W.J. Roth, J.C. Vartuli, матрицы). В зависимости от результата конкуренции J.C. Beck. Nature 359, 710 (1992).

этих каналов либо взаимодействие с матрицей преобла[12] G. Finger, J. Richter-Mendau, M. Bulow, J. Kornatowski.

дает (AlPO-InP), либо каналы равновероятны (CA-InP и Zeolites 11, 443 (1991).

MCM-InP), либо влиянием матрицы можно пренебречь [13] А.П. Иванов. Оптика рассеивающих сред. Наука и техника, (EA-InP). Фактором, смещающим равновесие, является Минск (1969).

трехмеризация ансамбля нитей вследствие их взаимодей[14] В.В. Поборчий. Частное сообщение.

ствия.

[15] R. Ruppin. J. Phys. C: Solid State Phys. 8, 1969 (1975).

В настоящей работе исследована взаимосвязь про- [16] M.I. Theye, A. Gheoghiu. D. Udron, C. Senemaud, E. Bellin, J. von Bardeleben, S. Squelard, J. Dupin. J. Non-Cryst. Sol.

явлений оптических свойств структурно-изолированных 97&98, 1107 (1987).

квантовых нитей III–V полупроводника с высокой ионно[17] S.G. Romanov, C.M. Sotomayor Torres, H.M. Yates, M.E. Pemстью связи и влиянием поля матрицы. В наноструктурах ble, V. Butko, V. Tretijakov. J. Appl. Phys. In press.

из 2-3 ML полупроводника с полярными связями в [18] A. Kurtenbach, K. Eberi, T. Shitara. Appl. Phys. Lett. 66, отличие от элементарных полупроводников большую (1995).

роль приобретает взаимодействие нити с потенциальным [19] С. Гагарин, Ю. Тетерин, В. Комаров, И. Урбанович, Т. Гинрельефом матрицы. Плотность состояний таких нитей товт. ДАН СССР 274, 1087 (1984).

размыта вблизи краев фундаментальной щели, поскольку [20] H.R. Philipp. J. Non-Cryst. Sol. 8–10, 627 (1972).

влияние матрицы искажает кристаллическую решетку [21] D. Hessman, P. Castrillo, M.-E. Pistol, C.Pryor, L. Samuelson.

полупроводникового покрытия. Оптическое поглощение Appl. Phys. Lett. 69, 749 (1996).

определяется в основном взаимодействием структурных элементов в нити, положение края поглощения не зависит от диаметра нити, форма края соответствует правилу Урбаха. Этим определяется неприменимость приближения эффективной массы для оценки квантового размерного эффекта. Релаксация возбуждения в таких QWR перераспределяется между нитью и матрицей. Поэтому при равновесии между каналами рекомбинации в ФЛ заметную роль играют связанные состояния полупроводника и матрицы. Взаимодействие нитей в ансамбле увеличивает вклад наполнителя в формирование оптических свойств нанокомпозита. Таким образом, в отличие от предельно тонких QWR, выращенных эпитаксиально, интерфейсные эффекты в структурно-изолированных QWR играют определяющую роль.

Настоящая работа поддержана частично грантами НТП ”Физика твердотельных наноструктур” 2-026/и Российского фонда фундаментальных исследований 96-02-17963, а также EU ESPRIT программой ”SOLDES”.

Список литературы [1] В.Н. Богомолов. УФН 124, 171 (1978).

[2] Ю.А. Алексеев, В.Н. Богомолов, Т.Б. Жукова, В.П. Петрановский, С.Г. Романов, С.В. Холодкевич. Изв. АН СССР.

Сер. физ. 50, 418 (1986).

[3] V.N. Bogomolov, S.V. Kholodkevich, S.G. Romanov, L.S. Agroskin. Solid. State Commun. 47, 181 (1983).

[4] S.G. Romanov. J. Phys.: Cond. Matter 5, 1081 (1993).

[5] V.V. Poborchii, M.S. Ivanova, I.A. Salomatina. Superlatt.

Microstruc. 16, 133 (1994).

[6] R. Leon, D. Margolese, G. Stuky, P.M. Petroff. Phys. Rev. B52, R2285 (1995).

[7] Л.В. Келдыш. Письма в ЖЭТФ 29, 716 (1979).

Pages:     | 1 ||



© 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.