WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 10 Оптические колебательные моды в квантовых точках (Cd, Pb, Zn)S в матрице Ленгмюра–Блоджетт © А.Г. Милёхин, Л.Л. Свешникова, С.М. Репинский, А.К. Гутаковский, М. Фридрих, Д.Р.Т. Цан Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Институт физики, Технический университет, Д-09107 Хемниц, Германия (Поступила в Редакцию 26 июня 2001 г.) Структуры с квантовыми точками CdS, PbS, ZnS, полученные с использованием метода Ленгмюра– Блоджетт, исследованы с помощью ИК спектроскопии, рамановского рассеяния света и УФ спектроскопии.

Размер квантовых точек, полученный из анализа УФ и экспериментов по электронной микроскопии высокого разрешения, составляет 2–6 nm. В спектрах ИК отражения и рамановского рассеяния света структур обнаружены продольные оптические (LO) фононы, локализованные в квантовых точках, и поверхностные оптические колебательные моды. Учет эффекта локализации оптических фононов в квантовых точках позволил адекватно описать частоты поверхностных оптических мод.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 01-0332796).

В последнее десятилетие полупроводниковые низко- p-поляризованном свете. В качестве опорного спектра размерные структуры, такие как квантовые ямы, кван- служил ИК спектр алаюминиевого зеркала, нанесеннотовые проволоки и квантовые точки (КТ), вызывают го на подложку Si. Разрешение составляло 2 cm-1 по растущий интерес в связи с их необычными, по срав- всему спектральному диапазону. Число сканов равнянению с объемными материалами, оптическими и элек- лось 500.

тронными свойствами [1,2]. В то время как оптические Эксперименты по рамановскому рассеянию были свойства объемных кристаллов и тонких пленок хорошо выполнены на спектрометре Dilor XY800 в геометизучены и объяснены, исследование оптических свойств рии обратного рассеяния с использованием линии низкоразмерных структур требует значительных теоревозбуждения Ar+ и Kr+ лезеров в диапазоне длин тических и экспериментальных усилий. Ряд методик, волн 514.5–457.9 nm (2.41–2.71 eV) с мощностью 40 mW.

таких как самоорганизация КТ в процессе молекулярноРазрешение составляло 2.9 cm-1 во всем спектральном лучевой эпитаксии [3], получение КТ в растворах [4], диапазоне.

в стеклах [5], методами коллоидной химии [6] и т. д., УФ спектры поглощения были записаны с использоиспользуется для формирования КТ.

ванием УФ вспектрометра Specord M-40 в диапазоне В настоящей работе представлены результаты исследлин волн 250–800 nm со спектральным разрешенидования колебательного спектра КТ CdS, ZnS и PbS, ем 10 cm-1.

сформированных в матрице Ленгмюра–Блоджетт (ЛБ).

Эксперименты по высокоразрешающей электронной Стандартная технология ЛБ позволяет получать сомикроскопии (ВРЭМ) были выполнены на электронном вершенные пленки бегенатов Cd, Zn и Pb. При взамикроскопе JEM-400EX (JEOL) с ускоряющим напряимодействии пленок бегенатов этих металлов с газожением 400 keV. Разрешающая способность по точкам образным сероводородом образуются микрокристаллы, составляла 0.165 nm. Подробно детали эксперимента или КТ, сульфидов Cd, Zn и Pb [7,8]. Пленки бегенатов представлены в работе [9].

кадмия, цинка и свинца были нанесены на подложки Si, покрытые слоем Al. Слой Al служил зеркалом для Для оценки размеров КТ выполнены измерения спекизмерения спектров отражения. Толщина используемых тров поглощения структур в УФ области спектра. В УФ в экспериментах пленок ЛБ составляла 400 монослоев спектрах поглощения структур с КТ CdS, ZnS и PbS, (1.2 µm). Свежеприготовленные пленки ЛБ были об- представленных на рис. 1, наблюдаются обозначенные работаны сероводородом при давлении 50–100 torr в стрелками особенности вблизи 390, 270 и 255 nm сооттечение 3 часов. В результате реакции ветственно, обусловленные 1se-1sh межзонными переходами в КТ. Вертикальные линии указывают на энергию Me(C21H43COO)2 + H2S = MeS + 2C21H43COOH, (1) запрещенной зоны в объемных материалах CdS и ZnS.

Ширина запрещенной зоны PbS составляет 0.4 eV и не где Me = Cd, Zn, Pb, КТ CdS, ZnS, PbS были сформирообозначена на рисунке.

ваны в матрице бегеновой кислоты.

В рамках простой модели, основанной на приблиИК спектры отражения структур были записаны с помощью ИК Фурье-спектрометров Bruker-IFS66 жении эффективной массы [10], можно оценить среди IFS113v при скользящем угле падения ( 75) в ний размер сферических КТ в зависимости от энергии Оптические колебательные моды в квантовых точках (Cd, Pb, Zn)S в матрице Ленгмюра–Блоджетт сти представлены на рис. 2. Заштрихованные области указывают энрегию 1se-1sh переходов, определенную в пределах ошибки эксперимента по спектрах УФ поглощения. Средний размер КТ ZnS, CdS и PbS, определенный из сравнения экспериментальных и рассчитанных данных, составляет 2.8 ± 0.2, 3.2 ± 0.1 и 4.2 ± 0.2nm соответственно.

Для сравнения КТ были исследованы с помощью электронной микроскопии высокого разрешения на просвет.

На рис. 3 представлены ВРЭМ изображения исследуемых образцов; темная область соответствует КТ PbS (рис. 3, a) и CdS (рис. 3, b) соответственно, светлая — матрице бегеновой кислоты. Из рисунка видно, что форма КТ близка к сферической, а средний размер КТ CdS и PbS составляет (3±1) и (4±2) nm соответственно.

Таким образом, наблюдается хорошее согласие данных, полученных из анализа УФ спектров поглощения и электронной микроскопии.

Из анализа межплоскостных расстояний следует, что Рис. 1. Экспериментальные УФ спектры поглощения структур КТ PbS имеют кубическую модификацию, а КТ CdS — с КТ CdS, ZnS и PbS. Вертикальные линии указывают на гексагональную структуру типа вюрцита. Наблюдать дивеличину запрещенной зоны в материалах, составляющих КТ.

Ширина запрещенной зоны в PbS составляет 0.4 eV и не указана на рисунке. Вертикальными штриховыми стрелками обозначена энергия 1se-1sh переходов в КТ.

Рис. 2. Рассчитанная энергия 1se-1sh переходов в КТ ZnS, CdS и PbS в зависимости от диаметра КТ. Заштрихованные области указывают на энергию 1se-1sh переходов, определенную по спектрам УФ поглощения.

1se-1sh переходов 222 1 1 3.56eE1se-1sh = Eg + + -, (2) D2 me mh D где D — диаметр КТ, Eg — ширина запрещенной Рис. 3. Изображение исследуемых образцов, полученное зоны, — диэлектрическая постоянная, me и mh — с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии.

электронная и дырочная эффективная массы в объеме Темная область соответствует КТ CdS (a) и PbS (b) соответматериала, составляющего КТ. Рассчитанные зависимо- ственно, светлая — матрице бегеновой кислоты.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1886 А.Г. Милёхин, Л.Л. Свешникова, С.М. Репинский, А.К. Гутаковский, М. Фридрих, Д.Р.Т. Цан фонона CdS (303 cm-1) [12]. Отличие экспериментально полученных частот фононов в структурах с КТ от их значений в объемных материалах объясняется эффектом локализации оптических фононов в КТ. В предположении сферических КТ малого размера волновой вектор локализованных оптических фононов определяется выражением q = m/d, где m — квантовый номер локализованной моды, а d — диаметр КТ. Дисперсия (q) LO фононов в CdS отрицательна, поэтому частота первой локализованной моды (LO1) оказывается меньше его объемного значения. Уменьшение частоты LO1 моды в сравнении с частотой LO фонона в монокристалле CdS наблюдается в эксперименте (рис. 4). Кроме интенсивной линии в рамановском спектре проявляется низкочастотное плечо, обусловленное рассеянием TO фононами и поверхностными оптическими (SO1) фононами КТ CdS. Разложение рамановского спектра на три составляющие, описываемые распределением Лоренца, представлено на рисунке.

Для КТ сферической формы поверхностные моды должны удовлетворять следующему соотношению [13]:

Рис. 4. Экспериментальные спектры рамановского рассеяния 1() = -1 -, (3) света исследуемых структур с КТ в области частот колебаm l ний кристаллической решетки материалов ZnS, CdS и PbS, составляющих КТ. Вертикальные линии указывают положение где 1(), m = 2.4 и l — диэлектрическая функция частот LO и TO фононов в объемных материалах.

материала КТ, диэлектрическая постоянная матрицы ЛБ и номер поверхностной моды соответственно. Расчет частоты SO1 моды с учетом эффекта локализации оптических фононов в КТ CdS [14] дает значение 272 cm-1, фракционную картину от КТ ZnS не удалось. Причиной что хорошо согласуется с величиной, полученной путем этого может являться малая (менее 0.1%) объемная разложения сигнала рамановского рассеяния (269 cm-1).

доля кристаллических частиц, а малый размер частиц Дисперсия LO фононов в кристалле PbS является приводит к значительному уширению дифракционных немонотонной функцией, в интервале волновых вектомаксимумов от КТ и затрудняет их визуализацию на ров q = 0-0.6/a0 (a0 — параметр решетки PbS) фоне дифракционной картины аморфной матрицы плендисперсия положительна [15]. Такое поведение дисперки ЛБ.

сии приводит к наблюдаемому в эксперименте увелиКолебательный спектр полученных структур был изучению частоты LO1 моды относительно частоты LO чен с помощью рамановской и ИК спектроскопии.

фонона в объемном PbS. Асимметричная форма линии Вследствие различных правил отбора для КРС и ИК рамановского рассеяния в спектрах структур с КТ PbS спектроскопии эти методы исследования колебательного предположительно обусловлена вкладом в рамановское спектра являются взаимодополняющими.

рассеяние старших локализованных мод (m > 1).

На рис. 4 представлены рамановские спектры струкЕдинственная линия рамановского рассеяния при тур с КТ в области частот колебаний кристаллической решетки материалов, составляющих КТ. Вертикальны- 320 cm-1, присутствующая в спектре структур с КТ ZnS, удалена по частоте от положения TO и LO фононов ми линиями показаны частоты TO и LO фононов в объемных кристаллах. Как видно из рисунка, наблю- и не может быть интерпретирована как локализованная мода. Эта линия, вероятно, обусловлена поверхдается отличие положений экспериментальных линий рамановского рассеяния от частот оптических фоно- ностными колебательными модами. Это предположение подтверждается совпадением рассчитанной частоты SOнов материалов, составляющих КТ. Два эффекта могут быть ответственны за подобное поведение — эффект моды (316 cm-1) с величиной, полученной из эксперилокализации оптических фононов и рамановское рас- мента. Как и в случае КТ CdS, завышенное значение сеяние поверхностными оптическими фононами в КТ. рассчитанной частоты SO1 моды может быть следствием Наблюдаемые частоты линий рамановского рассеяния в эффекта локализации оптических фононов в КТ, который структурах с КТ PbS и CdS отличаются от частот LO не был принят во внимание при расчетах из-за отсутфононов в объемных материалах и составляют 207 ствия данных о частотах TO и LO фононов в КТ ZnS.

и 297 cm-1 соответственно, что превышает частоту LO Отсутствие в рамановском спектре линий оптических фонона в PbS (205 cm-1) [11] и меньше частоты LO фононов подтверждает выводы электронной микроскоФизика твердого тела, 2002, том 44, вып. Оптические колебательные моды в квантовых точках (Cd, Pb, Zn)S в матрице Ленгмюра–Блоджетт модели. Данные электронной микроскопии, УФ спектроскопии в сочетании с расчетами позволили определить размеры КТ.

Список литературы [1] G. Bastard. Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures. Halsted Press, N. Y. (1988).

[2] S.P. Beaumont, C.N. Sotomayor-Torres. Science and Engineering of One-and Zero-Dimensional Semiconductors.

V. 214. Plenum Press, N. Y. (1990).

[3] D. Leonard, M.K. Krishnamurthy, C.M. Reeves, S.P. Denbaars, P.M. Petroff. Appl. Phys. Lett. 63, 3203 (1993).

[4] J. Xu, H. Mao, Y. Du. J. Vac. Sci. Tecnol. B15, 1465 (1997).

[5] G. Scamarcio, M. Lugara, D. Manno. Phys. Rev. B45, 13 (1992).

Рис. 5. Экспериментальные спектры ИК отражения исследуе- [6] P.V. Kamat, D. Meisel. Semiconductors Nanoclusters. V. 103.

мых структур с КТ. Вертикальные линии и стрелки указывают Elsevier, N. Y. (1996).

положение частот LO и TO фононов в объемных материалах и [7] С.М. Репинский, Л.Л. Свешникова, Ю.И. Хапов. ЖФХ 72, SO1 мод в КТ соответственно. 829 (1998).

[8] С.М. Репинский, Л.Л. Свешникова, Ю.И. Хапов, В.Н. Кручинин, В.Г. Половинкин. ЖФХ 73, 1199 (1999).

[9] А.К. Гутаковский, Л.Д. Покровский, С.М. Репинский, пии о малых размерах КТ ZnS. Для существенно малых Л.Л. Свешникова. ЖСХ 40, 589 (1999).

КТ соотношение атомов на поверхности и в объеме [10] L.E. Brus. J. Chem. Phys. 80, 4403 (1984).

велико, и число атомов на поверхности становится [11] Landolt-Brnstein. Numerical Data and Functional Relalionships in Science and Technology. Springer, Berlin сравнимым или больше, чем в объеме КТ, поэтому (1982).

вклад поверхностных слоев в рамановское рассеяние [12] O. Zelaya-Angel, F. de L. Castillo-Alvarado, J. Avendanoстановится значительным. Более того, в ИК спектрах Lopez, A. Escamilla-Esquivel, G. Contreras-Puente, R. Loотражения всех исследованных структур объемные оптиzada-Moralez, G. Torres-Delgado. Solid Stat. Commun. 104, ческие фононы не наблюдались. На рис. 5 представлены 161 (1997).

ИК спектры отражения исследованных структур в диа[13] P.A. Knipp, T.L. Reinecke. Phys. Rev. B46, 10 310 (1992).

пазоне частот собственных колебаний кристаллической [14] A. Milekhin, M. Friedrich, D.R.T. Zahn, L. Sveshnikova, решетки материалов, составляющих КТ. Как видно из S. Repinsky. Appl. Phys. A69, 97 (1999).

рисунка, в интервале между частотами TO и LO фононов [15] T.D. Krauss, F.W. Wise, D.B. Tanner. Phys. Rev. Lett. 76, наблюдаются особенности, обусловленные поверхност- (1996).

ными оптическими модами. Рассчитанные частоты SOмод обозначены на рисунке стрелками и хорошо соответствуют минимумам отражения, обнаруженным в ИК спектрах, и частотам SO1 мод, определенным по рамановским спектрам. Минимум отражения в ИК спектре структур с КТ PbS вблизи 275 cm-1 находится выше по частоте, чем какие-либо колебания кристаллической решетки, и близок к сумме частот TO и LO фононов (67 + 205 cm-1) в кристалле PbS. Поэтому эта особенность предположительно обусловлена двухфононными процессами.




© 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.