Трансформация электронных и колебательных состояний нанокристаллов в зонные состояния объемных полупроводниковых материалов группы II — VI

В последние годы в физике полупроводников появилось новое направление — физика наноструктур. Уменьшение размеров кристалла хотя бы в одном направлении до размеров, сравнимых с длиной волны де Бройля для электронов, приводит к квантованию движения частиц в этом направлении. На этих масштабах появляются новые закономерности и свойства кристаллов.

Особый интерес в последние годы вызывают исследования нульмерных полупроводниковых структур — квантовых точек (КТ). Размерные эффекты в КТ важны как с точки зрения фундаментальных исследований, так и в связи с возможностями их применения в оптоэлектронике, аналитической химии и т. д. Это связано с тем, что спектральные свойства систем, содержащих бинарные нанокристаллы соединений групп II—VI (Сс18е, СсГГе, Сс18 и др.), определяются не только химическим составом, но и, в гораздо большей степени, пространственными размерами оптически активных областей. Нанокристаллы, диспергированные в стеклянных матрицах, широко используются в качестве модельных объектов для изучения квантово-размерных эффектов в полупроводниковых нульмерных системах. Прозрачность стеклянной матрицы в широком диапазоне длин световых волн, от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области спектра, дает богатые возможности для экспериментального исследования нанокристаллов методами оптической спектроскопии. Гибкость технологии синтеза нанокристаллов позволяет получать в стекле кристаллиты различных полупроводниковых соединений, направленно варьировать размеры нанокристаллов, менять их кристаллическую модификацию и химический состав. Поэтому полупроводниковые квантовые точки на основе соединений А2Вб, и, в частности, Сс18е, в диэлектрических матрицах являются перспективными материалами современной оптоэлектроники, в частности, для создания эффективных светоизлучателей, диодов и лазеров с высокой квантовой эффективностью и рекордно малыми плотностями накачки. Поэтому поиск путей получения КТ на основе Сё8е, оптически активных вплоть до комнатной температуры, с малыми линейными размерами (<10 нм), большим содержанием Сё и с узкой дисперсией размеров, имеет чрезвычайно большое практическое значение. Кроме того, КТ СёБе в оболочке обладают узкой полосой фотолюминесценции и имеют высокий квантовый выход, достигающий 50% в зависимости от качества нанокристалла и пассивации поверхности, при одновременной высокой устойчивости к деградации [1].

Использование явления квантового ограничения носителей в полупроводниковых нанокристаллах реализует также потенциальную возможность создания оптимально подобранных люминесцентных материалов для решения прикладных задач широкого диапазона: от оптоэлектронных устройств отображения и передачи данных, применяемых в информационно-вычислительных системах, до создания эффективных светоизлучателей и диодов. В последние годы активно ведется разработка способов соединения полупроводниковых КТ с биомолекулами (биосопряжение), что является важным шагом в создании эффективных биокомплексов. Последнее 1 обеспечивает применение КТ в качестве люминесцентных маркеров в биологии, а также для диагностики различных заболеваний в медицине [2].

Физика объемных идеальных кристаллов, созданная еще в начале 20 века, сводится, в сущности, к установлению связи между индивидуальными свойствами атомов и свойствами, обнаруживаемыми при объединении атомов в гигантские ассоциации в виде регулярно упорядоченных систем. Эти свойства можно объяснить, опираясь на простые физические модели кристаллических твердых тел. Основной причиной, дающей возможность построения теории, как известно, является периодичность расположения атомов в пространстве. Следствием этой периодичности является существование зонной теории кристаллических твердых тел.

Нанометровый диапазон размеров измерений открывает мир новых свойств вещества. В этом отношении квантовые точки или нанокристаллы играют роль модельных объектов, исследование которых дает понимание о процессе возникновения зонных состояний как электронных, так и колебательных возбуждений в кристаллических объектах. Интерес к этому процессу связан с необходимостью знания электронных и колебательных уровней энергии, определяющих свойства кристаллов в промежуточных между нанои макроразмерами. Все эти эффекты носят размерный характер. При структуризации атомов в кристаллические объекты для формирования зонной структуры, особенно важен периодический потенциал системы. Поэтому важен для понимания характер трансформации электронных энергетических состояний отдельных атомов и возникновение электронных и колебательных зон при образовании кристалла.

ЧАСТЫ.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1. S.V. Gaponenko. Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals (Cambridge University Press, Cambridge, 1998).

2. А. И. Екимов, А. А. Онущенко, Ф. Г. Плюхин, Ал. Л. Эфрос «Размерное квантование экситонов и определение параметров их энергетического спектра в СиС1». Журнал экспериментальной и теоретической физикит. 88 вып.4, 1985.

3. A.I. Ekimov, Al. L. Efros, А.А. Onushchenko «Quantum size effect in semiconductor microcrystals», Solid State Communications, Vol. 56, No. 11, pp. 921−924, 1985.

4. Mittelman D.M., Schoenlein R.W., Shiang J.J., Colvin V.L. «Quantum size dependence of femtosecond electronic dephasing and vibrational dynamics in CdSe nanocrystals.» Phys. Rev. B. Condens. Matter. 1994. 49. P. 14 435−14 447.

5. T. Itoh, Y. Iwabuchi, Phys. Status Solid В 146, 567 (1988).

6. Эфрос Ал.Л., А. Л. Эфрос «Межзонное поглощение в полупроводниковом шаре» ФТПтом.16, вып.7 с. 1602, 1982.

7. Г. Б. Григорян, Э. М. Казарян, Ал. Л. Эфрос, Т. В. Язева. ФТТ, 32, 172 (1990).

8. А. И. Ансельм. «Введение в теорию полупроводников», Физмат, из. Москва, с. 420, 1962.

9. Т. Uozumi and Y. Kayanuma, PhysRev В, Vol 65, p 165 318, 2002.

10. T. Richard, P. Lefebvre, G. Mathieu, J. Alle^gre, Phys. Rev. B, Vol. 53, No. 11, pp 7287−7298, 1996.

11. C.B.Murray, D.J.Norris, M.G.Bavendi, J.Am.Chem.Soc. 115, 19, 8706 (1993).

12. A.Y. Baranov, Ya.S. Bobovich, V.I. Petrov. J. Raman Spectr.24, 767−772 (1993).

13. L. Shiff, Quantum Mechanics, 2nd ed., McGraw-Hill, New York, 1968.

14. Lifshitz J.Phys.Chem. 98, 1459−1463 (1994).

15. Lifshitz J.Phys.Chem. 99, 1245−1250 (1995).

16. A. I. Ekimov, Al.L. Efros, M.G. Ivanov, A.A. Onushchenko and S.K. Shumilov «Donor-Like exciton in zero-dimension semiconductor structures» Solid State Commun., Vol.69, n.5, 565−568 (1989).

17. Ledermann W., Proc. Roy. Soc., A182, 362 (1944).

18. M. Ferrari, B. Champagnon and M. Barland, «Width of the excitonic absorption peak and size of CdSxSeix Semiconductor nanocrystallites» Journal of Non-Crystalline Solids 151, 95−101 (1992).

19. Г. Лэмб Динамическая теория звука. Физматгиз, М. 372 с. 1960 г.

20. A. Tamura, К. Higeta, Т. Ichinokawa. J. Phys. С 15, 4975−4991 (1982).

21. A. A. Sirenko М. К. Zundel, Т. Ruf, К. Eberl, and М. Cardona «Resonant Raman scattering in InP/In0.48Ga0.52P quantum dot structures embedded in a waveguide» Phys. Rev. В 58, 12 633 12 636 (1998).

22. A. A. Sirenko, V. I. Belitsky, T. Ruf, and M. Cardona, A. I. Ekimov «Spin-flip and acoustic-phonon Raman scattering in CdS nanocrystals» Phys. Rev. В 58, 2077 2087 (1998).

23. M. Ivanda, K. Baboesi, C. Pem, M. Schmitt, M. Montagna, W. Kiefer «Low-wave-number Raman scattering from CdSxSeix quantum dots embedded in a glass metrix» Phys.Rev., B67, 235−329 (2003).

24. Y.-N. Hwang, S. Shin, H. L. Park, S.- H. Park, and U. Kim «Effect of lattice contraction on the Raman shifts of CdSe quantum dots in glass matrices» Phys.Rev., B54, 15 120, (1996).

25. A. Tanaka, S. Onari, and T. Arai «Raman scattering from CdSe microcrystals embedded in a germinate glass matrix» Phys.Rev., B45, 6589, (1992).

26. H. Richter, Z. P. Wang, L. Ley. Solid State Commun. 39, 625 (1981).

27. С. В. Карпов, Г. К. Музафарова, М. А. Ястребова. ФТТ 43, 6, 1126 (2000).

28. Joel W. Ager, III, D. Kirk Veirs, and Gerd M. Rosenblatt «Spatially resolved Raman studies of diamond films grown by chemical vapor deposition»., Phys.Rev.B 43, N8, 6491 (1991).

29. L. Saviot, B. Champagnon, E. Duval. A. I. Ekimov Phys.Rev. B57, 1, 341. Size-selective resonant Raman scattering in CdS doped glasses (1995).

30. I.H.Campbell and P.M.Fauchet. Solid State Commun. 58, 739−741 (1986).

31. M. C. Klein, F. Hache, D. Ricard, C. Flytzanis. Phys. Rev. 42, 17, 11 123 (1990).

32. F. Comas, C. Trallero-Giner, Nelson Studart, and G. E. Marques. Phys Rew В, V 65, 73 303.

33. T. Bischof, M. Ivanda, G. Lermann, A. Materny, W. Kiefer, J. Kalus. J. Raman Spectroscopy. 27, 3−4, 297 (1996).

34. S. Nizamoglu, T. Qzel, E. Sari, H.V.Demir. Nanotechnology, 18, 65 709 (2007).

35. D. J. Norris and M. G. Bawendi. Phys.Rev. B53, 16 338 (1996).

36. Y. Kayanuma. Phys. Rev. В 41,10 261 (1990).

37. J. Alle’gre, G. Arnaud, H. Mathieu, P. Lefebvre, W. Granier, and L. Boudes. J. Cryst. Growth 138, 998 (1994).

38. H. Mathieu, T. Richard, J. Alle’gre, P. Lefebvre, and G. Arnaud. J. Appl. Phys. 77, 287 (1995).

39. M. C. Klein, F. Hache, D. Ricard, and C. Flytzanis. Phys. Rev. B42, 11 123 (1990).

40. T. Tokizaki, H. Akiyama, M. Takaya, and A. Nakamura. J. Cryst. Growth 117, 603 (1992).

41. M. G. Bawendi, W. L. Wilson, L. Rothberg, P. J. Carroll, Т. M. Jedju, M. L. Steigerwald, andL. E. Brus. Phys. Rev. Lett. 65, 1623 (1990).

42. V. Esch, K. Kang, B. Fluegel, Y. Z. Hu, G. Khitrova, H. M. Gibbs, S. W. Koch, N. Peygambarian, L. C. Liu, and S. H. Risbud. Int. J. Non. Opt. Phys. 1, 25 (1992).

43. T. Rajh, О. I. МГсГс, and A. J. Nozik. J. Phys. Chem. 97, 11 999 (1993).

44. О. V. Salata, P. J. Dobson, P. J. Hull, and J. L. Hutchison. Appl. Phys. Lett. 65, 189 (1994).

45. О. I. Mi’ci’c, C. J. Curtis, К. M. Jones, J. R. Sprague, and A. J. Nozik. J. Phys. Chem. 98, 4966 (1994).

46. В. А. Гайсин, С. В. Карпов, С. В. Микушев. Вестник СПбГУ. Сер.4, 2, 119 (2005).

47. T. Uozumi, Y.Kayanuma. Phys.Rev. В65, 165 318 (2002).

48. Н. Р. Григорьева, Р. В. Григорьев, Е. П. Денисов, Б. А. Казеннов, Б. В. Новиков, Д. Л. Федоров «Исследование рентгеновскими и оптическими методами твердых растворов CdSixSex с дефектами упаковки» ФТТ, том 42, вып.9, 1570 (2000).

49. А.А. Lipovskii, E.V. Kolobkova V.D. Petrikov «Hole spectrum in CdTe quantum dots» Proc SPIE.

50. A.A. Lipovskii, E.V. Kolobkova, N.V. Nikonorov, A.A. Sitnikova «Phosphate Glasses Doped with CdS Nanocristals» phys stat sol v.147, k65, 1995.

51. E.V. Kolobkova, A.A. Lipovskii, N.V. Nikonorov, A.A. Sitnikova. Phys. Stat. Sol. (a) 147, K65 (1995).

52. Winiarz J.G. Chem.Phys. 1999. V.245. P.417.

53. Шифрин K.C. Рассеяние света в мутной среде. М.: ГИТЛ, 1951.288 с.

54. Mie G. Ann.d.Phys. 1908. V. 25. P. 377.

55. Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. New-York.: Wiley, 1983. 286 p.

56. Masumoto Y., Wamura Т., Kawamura T. Appl.Phys.Lett. 1991. V.58 (20). P.2270.

57. T.V. Shubina,* S.V. Ivanov, V. N. Jmerik, D. D. Solnyshkov, V. A. Vekshin, and P. S. Kop’ev, A. Vasson, J. Leymarie, and A. Kavokin, H. Amano and K. Shimono, A. Kasic and B. Monemar, Phys Rev. Lett. B. 2004. V.92. P. l 17 407.

58. Борн М., Вольф Э. «Основы оптики.» М.: Наука. 1970. С. 693. 60] Оптические свойства полупроводников. Справочник. Ред. М. П. Лисица. Киев: Наукова Думка. 1987. 607 с.

59. М.Н. Kim, J.K. Cho, LH. Lee, S. J. Park. Phys. Stat. Sol. A, 176, 269(1999).

60. C.C. Chuo, C.M. Lee, Т.Е. Nee, J.l. Chyi. Appl. Phys. Lett., 76, 3902 (2000).

61. K.P. O.Donneil. Phys. Stat. Sol. A, 183, 117 (2001).

62. Т. Inushima, V.V. Mamutin, V.A. Vekshin, S.V. Ivanov, T. Sakon, S. Motokawa, S. Ohoya. J. Cryst. Growth, 227{228, 481 (2001).

63. Davydov V.Yu., Klochikhin A. A. Semiconductor. 2004. V.38. P.897.

64. T.V. Shubina,* S.V. Ivanov, V. N. Jmerik, D. D. Solnyshkov, V. A. Vekshin, and P. S. Kop’ev, A. Vasson, J. Leymarie, and A. Kavokin, H. Amano and K. Shimono, A. Kasic and B. Monemar, Phys Rev. Lett. В. 2004. V.92. P. l 17 407.

65. Stampfl С., and Van de Walle С. G. Phys.Rev. В. 1999. V.59. P.5521.

66. Bechstedt F., Furthmuller J., Ferhat M., Teles L. K., Scolfaro L. M. R., Leite J. R., Davydov V. Yu., Ambacher O., Goldhahn R. phys. stat. sol. (a). 2003.V.195.P.628.

67. E.V.Kolobkova, A.A.Lipovskii, V.D.Petrikov, V.G.Melehin, P. Lavallard, C. Laermans, M.A.Parshin «Study of the growth kinetics of CdTe nanocrystals in germanate glass by optical spectroscopy» PLDS2001.

68. V. Esch, B. Fluegel, G. Khitrova, H.M.Gibbs, Xu Jiajin, K. Kang, S.W.Koch, L.C.Liu, S.H.Risbud, N.Peyghqmbarian. «State filling, Coulomb, and trapping effects in the optical nonlinearity of CdTe quantum dots in glass» Phys.Rev., B42, 12, 7450, (1990).

69. Lifshitz E., Yassen M., Bykov L. et al. J.Phys.Chem. 1994. Vol. 98. P. 14 591 463. (I. Dag and E. Lifshitz Dynamics of Recombination Processes in PbI2 Nanocrystals Embedded in Porous Silica J. Phys. Chem. 1996, 100, 8962−8972).

70. Adachi S. Physical Properties of III—V Semiconductor Compounds. — New: Wiley, York 1992.

71. Ю П., Кардона М. Основы физики полупроводников Пер. с англ. И. И. Решиной. Под ред. Б. П. Захарчени. — 3-е изд. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. -— 560 с. Издательская фирма «Физико-математическая литература» МАИК «Наука/Интерпериодика».

72. Madelung 0., Schulz М., Weiss Н. eds. Landolt-Bornstein, Series III. V. 17a~h (Semiconductors) (Springer, Berlin, Heidelberg 1987)75. «Химическая энциклопедия», изд. «Советская энциклопедия», М., 1988.

73. Efros ALL., Efros L. Sov. Phys. Semicond. 1082. Vol. 16. P. 772−776.

74. D. J. Norris and M. G. Bawendi. Phys.Rev., B53, p.16 338−16 353, (1996).j.

75. Y. Kayanuma, Phys. Rev. В 41, p.10 261 (1990).

76. Sandra J. Rosenthal, James McBride, Stephen J. Pennycook, Leonard C. Feldman. Surface Science Reports 62 (2007) 111−157].

77. В. АГайсин, С. В. Карпов, Е. В. Колобкова, Б. В. Новиков, В. Д. Петриков, А. А. Липовский, Д. Л. Федоров, М.АЛстребова. ФТТ, 41, 1505 (1999).

78. Е. Deligoz, К. Colakoglu, Y. Ciftci. Physica В 373 (2006) 124−130. Elastic, electronic, and lattice dynamical properties of CdS, CdSe, and CdTe.

79. Кардона M. Модуляционная спектроскопия. M: Мир, 1972. 416 с.

80. J.J.Hopfield and D.G.Tomas. Phys.Rev. 32, 563 (1963).

81. А. Б. Капустина, Б. В. Петров, А. В. Родина, Р. П. Сейсян. Магнитопоглощение гексагональных кристаллов CdSe в сильных и слабых полях: квазикубическое приближение. ФТТ, том 42, вып. 7., стр. 12 071 217, 2000 г.

82. Лифшиц И. М., С л езовВ .В. -ЖЭТФ, т.35, в.2(8), 479−492(1958).

83. D. Valerini, A. Creti,* and М. Lomascolof, L. Manna, R. Cingolani, and M. Anni. «Temperature dependence of the photoluminescence properties of colloidal CdSe/ZnS core/shell quantum dots embedded in a polystyrene matrix» Phys.Rev. В 71, 235 409 (2005).

84. Ю. Ю. Бачериков, О. Б. Охрименко, С. В. Оптасюк, Ю. И. Яценк, В. В. Кидалов, Е .В. Коломинская, Ю. Ф. Ваксман. «Фотолюминесценциянаночастиц CdSe в пористом GaP.» Физика и техника полупроводников, 2009, том 43, вып. 11. стр. 1443.

85. А. И. Екимов, И. А. Кудрявцев, М. Г. Иванов, Ал.Л.Эфрос. «Фотолюминесценция квазинульмерных полупроводниковых структур.» ФТТ, т.31, № 8, с. 192−207 (1989).

86. A.L.Efros, M. Rosen, M. Kuno, M. Nirmal, D.J.Norris, and M.G.Bawendi, Phys.Rev. B54, 4843 (1996).

87. Anomalous Stokes shift in CdSe nanocrystals T. J. Liptay, l L. Marshall, P. S. Rao, R. J. Ram, and M. G. Bawendi. PHYSICAL REVIEW В 76, 155 314 (2007).

88. Г. P. Уилкинсон. «Спектры KP ионных и металлических кристаллов.» М., Мир (1977).

89. Т. Bischof, М. Ivanda, G. Lermann, A. Materny, W. Kiefer, J. Kalus. «Linearand nonlinear Raman Studies on CdSxSel-x Doped Glasses. From Jama» J. Raman Spectroscopy. 27, 3−4, 297−302 (1996).

90. Родионова O.E., Померанцев А. Л. «Хемометрика: достижения и перспективы», Успехи химии, 75 (4) 302−317 (2006).

91. Родионова О. Е., Померанцев А. Л., «Хемометрика в аналитической химии», М., 2008.-61 с.

92. E. Duval, A. Boukenter, B.Champagnon. Phys. Rev^ett. 56, 2052 (1986).

93. В. С. Горелик, А. В. Иго, С. Н. Минков. ЖЭТФ, 109, N6, 2141, (1996).

94. Karpov S., Kozhakina I., Smirnov M. Lattice dynamics of quantum dots: microscopic modeling and Raman spectra. Conference Nanoparticles, Nanostructures and Nanocomposites, 5−7 July 2004, Saint-Petersburg, 2004 r.

95. Chen Chen, Mitra Dutta, and Michael A. Stroscio «Electron scattering via interactions with optical phonons in wurtzite crystals» Phys. Rev., В 70, 75 316 (2004).

96. E. Deligoz, K. Colakoglu, Y. Ciftci. Elastic, electronic, and lattice dynamical properties of CdS, CdSe, and CdTe, Physica В 373 (2006) 124−130.

97. Бори M., Хуан Кунь. «Динамическая теория кристаллических решеток», перевод с англ., М., 1958.

98. М. В. Волькенштейн, М. А. Ельяшевич, Б. И. Степанов. Молекулярная оптика. М., 1951. 526с.

99. Е. Вильсон, Дж. Дешиус, П. Кросс. «Теория колебательных спектров молекул.» ИЛ, М., 1960. 354 с.

100. Mills D.L., Burstein Е., Rept. Progr. Phys., 37, 817 (1974).