Люминесцентные свойства нанокристаллов сульфида кадмия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И.И. МЕЧНИКОВА

 

Кафедра экспериментальной физики

 

 

 

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛОВ СУЛЬФИДА КАДМИЯ

 

 

Допустить к защите

Заведующий кафедрой экспериментальной физики

Академик Смынтына В. А.

«….» ………………….

 

 

Дипломная работа

студентки V курса

физического факультета

Федоновой Дины Сергеевны

 

Научный руководитель

Доцент Скобеева В.М.

 

 

 

ОДЕССА - 2004

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 3

1.ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА СУЛЬФИДА КАДМИЯ.. 5

1.1. Эффект размерного квантования в полупроводниках. 5

1.2. Методы получения и оптические свойства наночастиц сульфида кадмия. 7

1.3.Люминесценция нанокристаллов сульфида кадмия, внедренных в полимер 16

1.4.Влияние внешних факторов на люминесценцию.. 21

нанокристаллов соединений А₂В₆

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ НАНОКРИСТАЛЛОВ CdS, ВЫРАЩЕННЫХ В ЖЕЛАТИНЕ. 24

2.1. Методика эксперимента. 24

2.2. Люминесцентные характеристики нанокристаллов CdS. 28

2.3.Эволюция спектров люминесценции нанокристаллов CdS в процессе их «старения» 38

2.4.Влияние обработок на спектр люминесценции нанокристаллов CdS. 40

2.5. Обсуждение результатов. 45

ВЫВОДЫ.. 47

ЛИТЕРАТУРА.. 48

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наблюдается интенсивное развитие физики полупроводников, размеры которых порядка нанометров. Полупроводниковые наноразмерные частицы находятся в области перехода между молекулярной структурой и твердым телом. Оптические, электронные и каталитические свойства полупроводникового нанокристалла существенно отличаются от таковых для макрокристаллического вещества и зависят от размера частицы (эффект размерного квантования). Такие полупроводники дают возможность управлять их оптическими, электрическими и структурными свойствами, изменяя размеры частиц. Особенно сильное изменение оптических свойств наблюдается в случае, когда размер нанокристалла меньше, чем диаметр основного экситона.

С тех пор, как эффект размерного квантования был впервые обнаружен, научные исследования этого явления стремительно развиваются. Некоторые группы ученых уже показали возможные сферы применения таких материалов: солнечные элементы, светодиоды, точечные транзисторы, светофильтры, полосу поглощения которых можно изменять только изменением размеров частиц. А также как новый класс - нелинейные оптические материалы.

В случае точечных транзисторов, применение основано на дискретности электронных уровней полупроводника в сильно-квантованном режиме.

На сегодняшний день качество образцов значительно улучшается, теперь существует возможность приготовить нанокристалл любого диаметра в пределах от 2-5 до 50 нм с ошибкой не  менее 5%.

В связи с таким бурным развитием данного направления физики полупроводников возникает необходимость изучения свойств полупроводниковых нанокристаллов. Особо актуальным является вопрос о стабильности оптических и люминесцентных характеристик нанокристаллов в процессе их хранения.

В связи с вышеизложенным целью моей работы являлось изучение люминесцентных свойств нанокристаллов сульфида кадмия и исследование зависимости полос люминесценции от воздействия внешних факторов.

1.ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА СУЛЬФИДА КАДМИЯ

 

1.1. Эффект размерного квантования в полупроводниках

 

В последние годы появились эксперименты [1-3, 4-9], в которых исследуются оптические свойства систем, представляющих диэлектрическую матрицу с вкрапленными в нее частицами полупроводника. Технология этих систем такова, что полупроводниковые частички с достаточно хорошей точностью можно считать шарообразными, причем дисперсия их радиусов сравнительно невелика. Очень важно, что технология позволяет получать системы, в которых средний радиус полупроводниковых частиц меняется практически непрерывно. Поэтому исследования оптических свойств этих систем в зависимости от радиуса шаров представляет мощный метод изучения параметров полупроводников, в значительной мере аналогичный магнитооптическому.

В полупроводниковом шаре возникает размерное квантование электронных и дырочных состояний, приводящих к тому, что оптические линии смещаются в зависимости от радиуса шара [1-3]. Авторы предлагают здесь теоретическое описание этого явления в рамках простейшей модели, использующей стандартную зонную схему.

Предполагалось, что зоны электронов и дырок имеют параболическую форму с массами m_e и m_h соответственно, причем m_e<<m_h. Тогда характер размерного квантования определяется соотношением трех длин: a, a_e, a_h, где a_e>a_h; а – радиус шара, a_e, a_h– боровские радиусы электронов и дырок, соответственно, в полупроводнике с диэлектрической проницаемостью e. Предполагаемая теория построена в приближении метода эффективной массы, т.е. в предположении, что существенные длины велики по сравнению с постоянной решетки. Волновая функция электронов и дырок будет считаться равной нулю на поверхности шара, что соответствует бесконечно высокой потенциальной стенке.

Рассмотрим случай сильного размерного квантования, когда a>>a_h. Расстояние между уровнями размерного квантования для электронов и дырок порядка ħ²/(m_e·a²) и ħ²/(m_h·a²).

При межзонном поглощении должна наблюдаться серия дискретных линий. Порогом поглощения является величина

(1.1),

где - ширина запрещенной зоны; - приведенная масса.

Учет дисперсии шаров по размерам приводит к замене выражения для порога поглощения (1.1) на следующее:

(1.2).

Отсюда виден закон, по которому эффективная ширина запрещенной зоны увеличивается с уменьшение радиуса шара а, прочие линии сдвигаются в коротковолновую сторону по закону

(1.3),

где  - корни функции Бесселя.

Если ширина линий сравнима с расстоянием между ними, то размерное квантование должно проявляться апериодическими осцилляциями поглощения, причем максимумы осцилляций должны сдвигаться в коротковолновую сторону по закону 1/а².