Исследователи Сколтеха и их коллеги разработали две модели, хорошо воспроизводящие светоизлучающие характеристики полупроводниковых нанопластинок (наноплателетов), которые могут стать «строительными блоками» для оптоэлектроники будущего.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

В последние годы активное развитие получила оптоэлектроника – раздел фотоники, связанный с изучением квантово-механического воздействия света на полупроводники и другие материалы, используемые в электронике. Оптоэлектроника имеет перспективы применения в самых разных устройствах − от солнечных батарей и светодиодов до коллоидных лазеров, которые могут со временем прийти на смену классическим полупроводниковым лазерным диодам в сканерах штрих-кодов и системах оптоволоконной связи.

В рамках проблемы поиска материалов с улучшенными фотолюминесцентными свойствами по сравнению с существующими аналогами ученые исследуют кинетику низкоразмерных полупроводниковых нанопластинок. Они представляют собой плоские структуры с характерным размером в несколько нанометров. При помощи современных прецизионных методов синтеза можно выращивать нанопластинки нужной формы, толщины и кристаллической структуры – параметров, напрямую влияющих на характеристики фотолюминесценции.

Модель случайного блуждания на двумерной квадратной решетке, моделируемой как набор N × N вершин (атомов) с периодическими граничными условиями / ©pubs.rsc.org

«Для настройки параметров синтеза фотолюминесцентных нанокристаллов под конкретные приложения может потребоваться предсказание их спектральных и релаксационных характеристик, а для этого необходимо детально понимать и уметь моделировать кинетику фотолюминесценции», − отмечает один из авторов статьи, первый проректор Сколтеха, профессор Центра энергетических технологий Сколтеха (CEST) Кит Стивенсон.

Профессор Стивенсон, выпускник аспирантуры Сколтеха Александр Курилович, старший преподаватель Центра Сколтеха по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных (CDISE) Владимир Палюлин и их коллеги обратили внимание, что в недавних экспериментальных работах наблюдается нетривиальная кинетика фотолюминесценции в полупроводниковых нанопластинках.

Как отмечают исследователи, в более ранних теоретических и экспериментальных исследованиях предполагался экспоненциальный характер уменьшения интенсивности фотолюминесценции в нанопластинках. Однако экспериментальные данные указывают на то, что на длительных временных интервалах интенсивность фотолюминесценции изменяется по степенноому закону, что подчеркивает сложность этого процесса.

Исследователи построили численную и теоретическую модели, описывающие кинетику фотолюминесценции в нанопластинках и основанные на описании поведения экситонов — квазичастиц, которые в случае рекомбинации могут излучать фотоны. Результаты моделирования указывают на то, что диффузия экситонов и их удержание на поверхностных дефектах хорошо описывают сложную кинетику фотолюминесценции. Это позволило успешно интерпретировать экспериментальные результаты по композитным нанопластинкам, изготовленным из селенида кадмия и сульфида кадмия.

«Результаты моделирования показали, что поверхностные дефекты играют важную роль для обеспечения фотолюминесценции на больших временах и способны вызывать задержку в рекомбинации экситонов. Это позволяет оценивать уровень плотности дефектов, который необходим для увеличения продолжительности фотолюминесценции», − поясняет профессор Стивенсон.

В исследовании также приняли участие специалисты из МГУ имени М. В. Ломоносова, Института физики и астрономии Потсдамского университета и Института теоретической физики имени А. И. Ахиезера Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт».