Сотрудники отдела люминесценции им. Вавилова ФИАН и факультета наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова получили четкую структуру поверхностной люминесценции, которая помогла им описать природу явления. Результаты их работы помогут определить способы управления этим видом люминесценции, что, в свою очередь, откроет возможности для создания белых светодиодов или элементов квантовой электроники нового типа.

Люминесценция, или свечение вещества после поглощения им энергии возбуждения, была главным направлением деятельности основателя ФИАН С.И. Вавилова. В носящем его имя отделе института дело Вавилова активно продолжается и развивается. Так, сотрудники отдела люминесценции им. С.И. Вавилова ФИАН и факультета наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова исследуют свойства квантовых точек (в частности, CdS) с целью использования их в составе разного рода излучателей.

В череде этих свойств природа поверхностной люминесценции стояла на одном из первых мест.

Механизм люминесценции в твердом теле различается в зависимости от того, происходит она с участием электронной подсистемы всего кристалла или же внутри примесного центра. Что касается первого типа, межзонной люминесценции, обусловленной электронными переходами между валентной зоной и зоной проводимости, то она уже хорошо и подробно изучена.

Однако с уменьшением размеров светоизлучающих нанокристаллов роль межзонной люминесценции заметно снижается – часто начинает доминировать примесная люминесценция, обусловленная электронными переходами между зонами и донорно-акцепторными уровнями примесных и поверхностных атомов.

Цельного представления о природе этого явления пока не существует. Между тем, исследования примесной люминесценции и выявление возможностей управления ее характеристиками способны помочь в создании новых органических светоизлучающих диодов и элементов квантовой электроники. Так, оптики давно мечтают о создании источника белого света, идентичного естественному. Сейчас он получается лишь при комбинации излучателей красных, зеленых и синих цветов, а с грамотным использованием широкого спектра поверхностной люминесценции источники белого света можно будет получать на основе одного вещества.

Один из авторов исследовательской работы, которая планируется к выходу на страницах журнала Journal of Chemical Physics – Алексей Кацаба, студент 5 курса МФТИ, работающий в отделе Люминесценции ФИАН под руководством доктора физ.-мат. наук Алексея Витухновского, руководителя отдела люминесценции им. С.И. Вавилова. Он рассказывает:

«Люминесценцию кристаллов CdS изучают уже давно, еще с середины прошлого века. Конечно, все это время исследовались в основном не квантовые точки, а обычные монокристаллы, но в них тоже наблюдалась достаточно интенсивная примесная люминесценция. Правда, что с ней дальше делать оставалось непонятным. Мы же предлагаем некоторое развитие темы. Наши образцы выращены методом коллоидной химии, у них большая примесная люминесценция, которая имеет сложную структуру и температурные зависимости, которые мы связываем с передачей энергии между уровнями, отвечающими за свечение поверхностных состояний. Таких результатов с четкой структурой примесной люминесценции до нас еще не наблюдалось».

Оптические свойства полупроводниковых нанокристаллов сейчас исследуются практически повсеместно и находят своё применение в разнообразных органических светодиодах, биологических маркерах, лазерах или элементах квантовой электроники. В большинстве случаев люминесценция полупроводников определяется межзонными переходами и поэтому ее цвет можно контролировать, изменяя размеры нанокристаллов. Однако с их уменьшением на поверхность все больше выходят различные дефекты и примеси образцов, также увеличивается доля поверхностных атомов. Все это приводит к проявлению примесной люминесценции, свойства которой остаются неизученными.

В своей работе исследователи изучали наночастицы CdS характерных размеров в 4–5 нм. Они были получены из пересыщенного раствора высококипящего неполярного растворителя и дополнительно стабилизированы олеиновой кислотой. Такая обработка должна была связать поверхностные состояния и погасить примесную люминесценцию, но анализ образцов показал, что на поверхности наночастиц в изобилии остались непрореагировавшие участки.

Поэтому полученная взвесь нанокристаллов в растворе излучала желтый свет, что по спектрам соответствовало примесной люминесценции. При этом на спектрах также присутствует и основной, малый по интенсивности, межзонный пик люминесценции на длинах волн синего цвета. Широкая же примесная область является суперпозицией трех отдельных пиков, поведение которых с изменением температуры различается.

Рис. 1. Полученные в работе спектры фотолюминесценции полупроводниковых нанокристаллов CdS с шагом по температуре около 30К.

Алексей Кацаба:

«Мы показываем в нашей работе, что есть пик, который связан с зоной внутри квантовой точки. Он смещается с таким же характером, как межзонный экситонный переход. Получается, что некоторые переходы и линии в примесном спектре тоже зависят от размера квантовой точки. Будем менять размер – и полоса будет сдвигаться. Об этом говорят и температурные зависимости».

На основе этих термических зависимостей спектров и кинетических кривых фотолюминесценции авторам статьи удалось построить модель энергетических уровней и переходов, отвечающих за оптические свойства образцов. Таким образом, ученые впервые описали природу примесной люминесценции и наметили возможности для управления ее характеристиками.