WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 11 Фотолюминесценция нанокластеров сульфида кадмия, сформированных в матрице пленки Ленгмюра-Блоджетт ¶ © Е.А. Багаев, К.С. Журавлев, Л.Л. Свешникова, И.А. Бадмаева, С.М. Репинский, M. Voelskow Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Institute of Ion Beam Physics and Materials Research, Research Center Rossendorf, 01314 Dresden, Germany (Получена 13 февраля 2003 г. Принята к печати 17 февраля 2003 г.) Исследована фотолюминесценция нанокластеров CdS, сформированных в матрице пленки Ленгмюра-Блоджетт, а также после ее удаления. Спектр фотолюминесценции нанокластеров в матрице состoит из широкой (ширина на полувысоте 0.6эВ) полосы с максимумом при 2.4 эВ. После удаления матрицы гексаном спектр фотолюминесценции состоит из высокоэнергетической полосы с максимумом при 2.9 эВ (ширина 0.2эВ) и двух низкоэнергетических полос с максимумами при 2.4 и 2.0 эВ (ширина 0.5эВ). Мы считаем, что высокоэнергетическая полоса связана с рекомбинацией экситонов в нанокластерах, а полосы с максимумами при 2.4 и 2.0 эВ с рекомбинацией через уровни дефектов, расположенных в объеме матрицы и на границе раздела нанокластер–матрица соответственно.

1. Введение концентрацией 3 · 10-4 M, pH 6.0. Перенос монослоев осуществляли при поверхностном давлении 30 мН/м и Полупроводниковые материалы в виде кластеров, рас- температуре 22–23C. В качестве подложек испольпределенных в органической или силикатной матрице, зовали полированные пластины монокристаллического вызывают повышенный интерес исследователей, работа- кремния и кварца. Исследовались пленки, содержащие ющих в области физики и химии низкоразмерных систем 20–80 монослоев (60–240 нм). Сульфидирование пленок и нелинейной оптики [1,2]. Такие материалы проявляют бегената кадмия проводили при давлении пaров H2S необычные, по сравнению с объемными материалами, 100 Торр, температуре 22C, время сульфидирования оптические и электронные свойства [3,4]. Особенности составляло 1–3 ч. В результате химической реакции этих материалов определяются как индивидуальными CH3(CH2)20COO Cd + H2S свойствами нанокластеров, так и взаимодействием их между собой и с матрицей. Для получения нанораз= 2CH3(CH2)20COOH + CdS мерных полупроводниковых материалов используют ряд методов, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия [5], происходило образование нанокластеров сульфида кадзоль-гель технология [6], метод Ленгмюра-Блоджетт мия, распределенных в матрице бегеновой кислоты. Об(ЛБ) [7–9]. Получение нанокластеров проводят в рас- разование CdS и полное превращение бегената кадмия творах [10], в стеклах [11], в полимерах [12]. Ме- в бегеновую кислоту контролировалось методом ИК тод Ленгмюра-Блоджетт является простым и дешевым спектроскопии. Подробно методика получения и кинетиспособом получения мультимолекулярных слоистых си- ка сульфидирования пленок бегената кадмия описаны в стем, которые путем модификации могут быть преоб- работе [14]. Матрицу бегеновой кислоты удаляли двумя разованы в систему нанокластеров, распределенных в методами: путем обработки пленки с нанокластерами твердой мультимолекулярной матрице. гексаном или термодесорбцией бегеновой кислоты в вакууме при 200C в течение 2 ч. Полученные образИзвестно, что состояние поверхности нанокластеров, цы исследовались методом обратного резерфордовского сформированных в стеклянных и полимерных матрицах, рассеяния, УФ спектроскопии и фотолюминесценции в значительной степени определяет их оптические и электронные свойства [13]. В данной работе была ис- (ФЛ). Для записи спектров обратного резерфордовского рассеяния применялся пучок ионов He2+ с энерследована фотолюминесценция нанокластеров сульфида гией 1.2 МэВ. Размер пучка составлял около 1 мм, ток кадмия в матрице пленки Ленгмюра-Блоджетт, а также пучка 20 нА. Спектры поглощения в УФ и видимой после ее удаления.

областях регистрировались спектрометром Shimatzu в диапазоне длин волн 200–700 нм. Для возбуждения ФЛ 2. Образцы и методика эксперимента использовался импульсный азотный лазер с длиной волны 337.1 нм (длительность импульса 7 нс, средняя Пленки бегената кадмия получали по методу Ленгплотность возбуждения 0.04 кВт/см2). Спектр ФЛ ремюра-Блоджетт путем переноса монослоев с поверхгистрировался при помощи спектрометра на основе ности жидкой субфазы на твердую подложку. В качедвойного монохроматора СДЛ-1, оснащенного охлаждастве субфазы применялся раствор хлорида кадмия с емым ФЭУ-79, работающим в режиме счета одиночных ¶ E-mail: zhur@thermo.isp.nsc.ru фотонов.

Фотолюминесценция нанокластеров сульфида кадмия, сформированных в матрице пленки... 3. Экспериментальные результаты На рис. 1 приведен спектр обратного резерфордовского рассеяния пленки, состоящей из 40 монослоев бегената кадмия на кремниевой подложке после обработки сероводородом. В высокоэнергетической области спектра присутствуют пики, соответствующие рассеянию ионов гелия на атомах кадмия и серы в поверхностном слое пленки толщиной около 10 нм. В низкоэнергетической области спектра наблюдается интенсивное плечо, отвечающее рассеянию на атомах кремния. На фоне плеча виден пик атомов углерода. Относительные концентрации кадмия, серы и углерода определялись в результате обработки спектра стандартной программой „RUMP“.

Для кадмия и серы относительные концентрации равны и составляют около 3%. Этот результат свидетельствует об образовании сульфида кадмия в стехиометрическом соотношении.

На рис. 2 приведены спектры оптического поглощения Рис. 2. Спектры оптического поглощения ЛБ пленок бегеЛБ пленок бегената кадмия на кварцевой подложке до ната кадмия на кварцевой подложке до и после обработки и после обработки сероводородом. Исходная толщина сероводородом. Исходная толщина пленок — 80 монослоев.

пленок составляла 80 монослоев. Из рисунка видно, 1 —до обработки, 2 — после обработки; и после удаления матрицы: 3 —гексаном, 4 — отжигом в вакууме при 200C что величина оптического поглощения бегената кадмия в течение 2 ч. На вставке — разностный спектр оптического монотонно возрастает с увеличением энергии фотона поглощения ЛБ пленки с нанокластерами CdS, полученный в диапазоне от 2.5 до 4.5 эВ. После сульфидирования путем вычитания спектра кварцевой подложки из спектра наблюдается широкий пик поглощения в диапазоне энерпленки с нанокластерами. Стрелками на рисунках показан край гий квантов света от 3.0 до 3.5 эВ, обусловленный поглопоглощения, обусловленный нанокластерами.

щением в CdS. Порог оптического поглощения, определенный из положения максимума второй производной от спектра поглощения, расположен при 2.9 эВ. Смещение порога поглощения относительно объемного значения нокластерах CdS. После обработки исходной пленки в ширины запрещенной зоны CdS, равного 2.5 эВ, связано гексане положение порога поглощения не изменяется.

с эффектом размерного квантования экситонов в на- В то время как отжиг исходной пленки приводит к смещению порога поглощения в низкоэнергетическую область до 2.8 эВ. Монотонно возрастающее с энергией фотона оптическое поглощение пленок, вероятно, связано с поглощением в кварцевой подложке. Для выделения поглощения, связанного с нанокластерами, из спектра пленки с нанокластерами вычитался спектр оптического поглощения кварцевой подложки. Полученный разностный спектр оптического поглощения приведен на вставке к рис. 2. Спектр состоит из полосы, которая хорошо аппроксимируется функцией Гаусса с максимумом при 3.2 эВ и шириной на полувысоте, равной 0.3 эВ.

Размеры нанокластеров на основе данных оптического поглощения обычно определяют в результате аппроксимации экспериментальных спектров оптического поглощения теоретическими функциями, учитывающими спектр поглощения одного нанокластера и влияние дисперсии их размеров [15,16]. При этом ширина полосы оптического поглощения отдельного нанокластера является некоторой функцией его размера. Мы провели оценку размеров нанокластеров из разностного спектра Рис. 1. Спектр обратного резерфордовского рассеяния пленки оптического поглощения на основе упрощенной модели, бегената кадмия (40 монослоев) на подложке кремния после полагая, что ширина полосы поглощения отдельного обработки сероводородом. 1 — экспериментальный спектр, нанокластера не зависит от его размера, а распределение 2 — аппроксимация спектра теоретической кривой программы обработки спектров „RUMP“. нанокластеров по размерам описывается функцией ГаусФизика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1360 Е.А. Багаев, К.С. Журавлев, Л.Л. Свешникова, И.А. Бадмаева, С.М. Репинский, M. Voelskow составляет 0.2 эВ для высокоэнергетической полосы и 0.5 эВ для двух других полос. После отжига образца при температуре T = 200C спектр ФЛ состоит из полос с максимумом при 2.9 эВ и шириной, равной 0.2 эВ, и полосы с максимумом при 2.1 эВ. Полоса с максимумом Рис. 3. Спектры ФЛ: 1 — кремниевой подложки; 2 — пленки из 40 монослоев бегеновой кислоты; 3 — пленки из 40 монослоев бегената кадмия до обработки в сероводороде;

4–6 — пленок бегената кадмия из 30, 40 и 80 монослоев соответственно после обработки в сероводороде. Стрелка указывает ширину запрещенной зоны объемного CdS.

Рис. 4. Cпектры ФЛ нанокластеров сульфида кадмия в матриса. При этом положение максимума полосы поглощения це бегеновой кислоты, и после ее удаления: 1 — нанокластеры определяет средний размер нанокластеров, а ширина по- в матрице бегеновой кислоты; 2 — нанокластеры после удаления матрицы гексаном; 3 — нанокластеры после удаления лосы на полувысоте характеризует дисперсию размеров матрицы отжигом при 200C, 4 — кривая, аппроксимирующая нанокластеров. С использованием зависимости энергии спектр нанокластеров в матрице тремя гауссовыми кривыми.

экситонов от размера нанокластеров, приведенной в Гауссовы кривые обозначены пунктирными линиями.

работе [17], были получены значения среднего размера и дисперсии размеров нанокластеров, равные 1.5 и 0.1 нм соответственно.

На рис. 3 приведены спектры ФЛ ЛБ пленок на кремнии с различным числом монослоев. В спектре ФЛ пленки с нанокластерами в матрице бегеновой кислоты возникает широкая (ширина полосы на полувысоте 0.6 эВ) асимметричная полоса. Максимум этой полосы соответствует энергии фотонов = 2.4 эВ, что меньше значения ширины запрещенной зоны объемного сульфида кадмия, равной 2.5 эВ. С увеличением числа слоев интенсивность ФЛ возрастает, характер спектра существенно не изменяется. На этом же рисунке приведены спектры ФЛ кремния, бегеновой кислоты и бегената кадмия. Как видно из рисунка, ФЛ от этих объектов не регистрируется.

На рис. 4 сопоставлены спектры ФЛ нанокластеров сульфида кадмия в матрице бегеновой кислоты и после удаления матрицы. Интегральная интенсивность ФЛ нанокластеров после удаления матрицы уменьшается более чем на порядок величины. Спектр ФЛ образца, обработанного в растворе гексана, состоит из высоРис. 5. Спектры ФЛ: 1 — образца, содержащего нанокластеры коэнергетической полосы с максимумом при 2.9 эВ и сульфида кадмия после удаления матрицы гексаном; 2 —этого полос с максимумами около 2.4 и 2.0 эВ. Ширина полос, образца после нанесения пленки из 40 монослоев бегеновой полученная при их аппроксимации функциями Гаусса, кислоты.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Фотолюминесценция нанокластеров сульфида кадмия, сформированных в матрице пленки... при 2.1 эВ хорошо аппроксимируется двумя полосами Из проведенного выше анализа следует, что широкая с максимумами при 2.4 и 2.0 эВ с шириной обеих асимметричная полоса ФЛ с максимумом при 2.4 эВ полос, равной 0.5 эВ. Пунктирными линиями показаны образцов, содержащих нанокластеры в матрице, являгауссовые кривые с максимумами при 2.9, 2.4 и 2.0 эВ и ется суперпозицией трех полос: полосы экситонной ширинами, равными 0.2, 0.5 и 0.5 эВ соответственно, ап- рекомбинации в нанокластерах, полосы, связанной с проксимирующие спектр ФЛ нанокластеров в матрице. рекомбинацией через уровни дефектов в матрице, и полосы, обусловленной состояниями на границе наноНа рис. 5 приведены спектры ФЛ образца после обработки гексаном и нанесения на этот образец 40 мо- кластер–матрица. Как видно из рис. 4, спектр ФЛ нанокластеров в матрице действительно хорошо аппрокнослоев бегеновой кислоты. Из рисунка видно, что симируется тремя полосами, со значениями максимумов после нанесения матрицы в спектре ФЛ возникает новая и шириной, соответствующими их значениям для полос, полоса с максимумом при 2.1 эВ и шириной, равной наблюдаемых после удаления матрицы.

0.6 эВ, при этом исчезает высокоэнергетическая полоса с максимумом при 2.9 эВ. Полоса с максимумом при 2.1 эВ аппроксимируется суммой двух полос различной 5. Заключение интенсивности с максимумами при 2.4 и 2.0 эВ (ширина обеих полос равна 0.5 эВ).

В работе сообщается о получении и исследовании ФЛ нанокластеров сульфида кадмия, сформированных в матрице пленки Ленгмюра-Блоджетт и после ее удаления.

4. Обсуждение Данные, полученные с помощью метода резерфордовского обратного рассеяния и оптического поглощения, Мы предполагаем, что полоса ФЛ с максимумом подтверждают образование нанокластеров сульфида кадпри 2.9 эВ, присутствующая в образцах после удаления мия в матрице пленки Ленгмюра-Блоджетт бегеновой матрицы, связана с рекомбинацией экситонов в наноклакислоты при взаимодействии пленки бегената кадмия с стерах CdS. Ширина этой полосы хорошо согласуется газообразным сероводородом. В результате исследовас шириной полосы оптического поглощения, характериния ФЛ нанокластеров CdS установлено, что широкая зующей дисперсию размеров нанокластеров. Максимум асимметричная полоса ФЛ нанокластеров в матрице с излучения, связанного с экситонной рекомбинацией в максимумом при 2.4 эВ связана с рекомбинацией через нанокластерах различного размера (в предположении, уровни дефектов, расположенных в объеме матрицы, что вероятность рекомбинации не зависит от размера), ловушек на границе раздела нанокластер–матрица, а должен определяться средним размером нанокластеров.

также с экситонной рекомбинацией в нанокластерах.

Рассчитанный на основе среднего размера максимум При этом доминирующим является излучение дефектов соответствует энергии фотонов 3.2 эВ. Наблюдаемый в объеме матрицы. Излучение, связанное с рекомбинамаксимум высокоэнергетической полосы смещен от расцией экситонов в нанокластерах, отчетливо проявляется четного значения в низкоэнергетическую область до только после удаления матрицы.

2.9 эВ. Возможная причина стоксовского смещения максимума связана с захватом экситонов на поверхностные Работа выполнена при поддержке Российского состояния нанокластеров. фонда фундаментальных исследований (проект № 01-03-32796), программы Министерства промышПолоса ФЛ с максимумом при 2.4 эВ, наблюдаемая ленности, науки и технологий и программы „CRDF“ после обработки образца в гексане, вероятно, связана с рекомбинацией между уровнями дефектов, располо- rec. 008.

Pages:     || 2 |



© 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.