Введение к работе
Актуальность темы. Среди систем пониженной размерности уникальными свойствами обладают квантовые точки (КТ), занимающие иерархию структур из промежуточных элементов между молекулярными или кластерными системами и «объемными» кристаллами. Уникальность свойств КТ связана с атомоподобным спектром и, как следствие, качественными квантово-размерными особенностями физических величин, определяющих оптический отклик и транспортные свойства КТ и их ансамблей.
Изучение КТ как самостоятельного объекта научных исследований, направленное на понимание квантово-размерных зависимостей в энергетической структуре, началось в начале 80-х годов совместно с развитием синтеза полупроводниковых нанокристаллов в стеклах. Наиболее информативным инструментом в исследовании энергетической структуры оказались методы оптической спектроскопии, которые выявили основные спектральные особенности рассматриваемых систем. Однако продолжительный период углубленное исследование спектра КТ сталкивалось с проблемой отсутствия доступных высококачественных образцов. Решение этой проблемы было дано в 1993 году с разработкой коллоидного синтеза монодисперсных ансамблей КТ CdSe в ТОРО (триоктилфосфиноксид).
Теоретическое рассмотрение подобных систем проводилось в рамках различных методов: приближения эффективных масс, сильной связи и псевдопотенциала. Наибольшее распространение получил метод эффективных масс, поскольку дает удовлетворительное согласование с экспериментом в широком диапазоне размеров КТ и наиболее ярко отражает изменение энергетической структуры при различных параметрах системы. Недавно было показано, что при строгом рассмотрении асимптотики волновых функций с учетом конечной высоты потенциального барьера на границе КТ, дискретные состояния представляют собой не стационарные, а квазистационарные уровни энергии. Таким образом, КТ рассматривается как открытая система, взаимодействующая с окружающей средой. Однако полученные выражения делают затруднительным рассмотрение оптического отклика по всем элементам ансамбля КТ с конечной дисперсией по размеру. Более того, при толщинах потенциального барьера порядка монослоя, применение эффективной массы, строго говоря, не корректно. Также в отечественной и зарубежной литературе наметился пробел в области изучения влияния квазистационарной природы электронного спектра на оптические переходы.
Таким образом, теоретическое исследование оптического отклика КТ является актуальной задачей физики полупроводников и востребовано в оптической спектроскопии квантовых систем.
Цель работы. Целью работы являлось установление закономерностей в оптическом отклике полупроводниковых КТ и гетеросистем на их основе. Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи:
-
В рамках предложенной модели открытой КТ расчет спектра квазистационарных состояний электрона при различных параметрах системы.
-
Расчет энергетического спектра дырочных состояний КТ с кристаллической структурой цинковой обманки для различной степени вырождения валентной зоны.
-
Исследование влияния квазистационарной природы электронного спектра на вероятность межзонных оптических переходов.
-
Расчет поляризуемости и диэлектрической проницаемости ансамбля слабо-упакованных коллоидных КТ при различных условиях возбуждения.
-
Интерпретация экспериментальных линейных спектров поглощения и спектров наведенной фотолюминесценции ансамблей однородных КТ CdSe и CdS, а также систем типа «ядро-оболочка» CdS/ZnS.
Объекты и методы исследования. Изучались КТ CdS, CdS/ZnS и CdSe, заглубленные в полимерную матрицу, получаемые низкотемпературными методами коллоидного синтеза. Выбор КТ CdSe связан с возможностью сравнения теоретически рассчитанных зависимостей с большим количеством экспериментальных данных. Исследование КТ CdS инициировано в виду недостаточной изученности свойств данных нульмерных систем, а также их потенциальными возможностями в области биологических приложений (биомаркеры, фотосенсибилизация). Гете-роструктуры на основе CdS/ZnS исследуются с целью интерпретации экспериментальных данных о перестройке энергетической структуры и изменения интенсивности радиационных переходов в присутствии неорганической оболочки.
Научная новизна работы определяется тем, что:
построена теоретическая модель КТ с «^-потенциалом на границе, обеспечивающая последовательный расчет параметров квазистационарных состояний электрона;
изучено влияние дополнительного канала релаксации энергии на вероятность межзонных оптических переходов;
предложено развитие теории эффективных сред Максвелла-Гарнетта для оценки диэлектрической проницаемости гетерогенных систем с нано-размерной диспергированной фазой;
на основе разработанной модели КТ проведен анализ экспериментальных линейных спектров поглощения ансамблей однородных КТ и систем типа «ядро-оболочка».
Теоретическая значимость работы. Полученные в работе результаты представляют самостоятельный интерес в исследованиях энергетической структуры полупроводниковых КТ и являются основой при теоретическом описании нестационарных явлений.
Практическая значимость работы. Разработанная модель открытой КТ является эффективным инструментом для интерпретации экспериментальных данных, получаемых методами оптической спектроскопии, и оптимизации процесса коллоидного синтеза КТ. Полученные результаты могут быть использованы в исследованиях оптических и транспортных свойств ансамблей КТ с различной степенью упорядоченности, в том числе метаматериалов.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Квантово-механическая модель открытой сферической КТ с «^-потенциалом на границе демонстрирует удовлетворительное согласование теоретически рассчитанной энергетической структуры и экспериментальных данных.
-
Свойства полимерной матрицы оказывают влияние на локализацию электрона внутри КТ, что проявляется в перераспределении соответствующих вероятностей оптических межзонных переходов.
-
Модифицирована теория эффективных сред для оценки диэлектрической проницаемости гетеросистем с наноразмерной диспергированной фазой, в которой степень модификации оптического отклика заданной гетероси-стемы определяется фактором заполнения полимерной матрицы.
-
Интерпретация спектров поглощения однородных КТ CdS, CdSe и гетероструктур типа «ядро-оболочка» на основе CdS/ZnS при различных толщинах пассивирующего слоя в рамках предложенной модели открытой КТ.
Личный вклад автора. Основное содержание положений, выносимых на защиту, получено автором лично. Разработанная в диссертации модель отрытой КТ апробирована на экспериментально полученных образцах автором, обработка экс-
периментальных данных проведена с соавторами. Автор внес значительный вклад в написание статей, раскрывающих содержание работы.
Диссертационная работа выполнена согласно тематическим планам НИР Воронежского государственного университета по теме «Исследование транспортных и оптических свойств ансамблей полупроводниковых квантовых точек в различном окружении» (№ г/р 01201263931). Работа поддержана грантом в рамках Программы стратегического развития ВГУ для молодых ученых (№ПСР-МГ/09-12) «Исследование спектральных и кинетических закономерностей формирования и распада электронных возбуждений в коллоидных нанокристаллах CdS и системах «ядро-оболочка» на их основе».
Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается корректностью использования теоретических методов квантово-механических расчетов, соответствием объекта исследования и его параметров, используемых при моделировании, экспериментально синтезируемым системам, а также согласованием полученных результатов с экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XIII Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2011 г.; XII Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века», Воронеж, 2011 г.; Conference on Laser and Electro-Optics/Pacific Rim, Sidney, 2011; Международной школе-конференции молодых ученых и специалистов «Современные проблемы физики», Минск, 2012 г.; Международной научной школе «Теоретическая физика», Воронеж, 2012 г.; Международном научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, 2012 г.; V Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах», Воронеж, 2012 г.; International Conference «Nanomaterials: Applications and Properties», Alushta, 2012.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 13 работ, из которых 4 - статьи в реферируемых журналах перечня ВАК.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения, изложенных на 119 страницах машинописного текста, включая 30 рисунков, 6 таблиц, списка литературы из 168 наименований.