Хабаршысы вестник

126 
Жартылай өткізгішті наножүйелердегі электромагниттік сәулеленуді 
жұтылу үдерістерінің толық теориялық сипаттамасы өлшемдік кванттау 
әсерлерінің болуына байланысты қиынға соғады. Егер бір немесе бірнеше 
координаталар бойынша бөлшектің өлшемдері заряд тасығыштардың де 
Бройльдің толқын ұзындығы шамасымен және одан аз болса, онда жартылай 
өткізгіш бөлшектер резонатор болып табылады, ал заряд тасығыштардың 
спектрі дискретті болады. Жартылай өткізгіш наноқұрылымдар үшін 
кванттық өлшемді әсер металдар мен диэлектриктерге қарағанда әлдеқайда 
күшті. Сонымен қатар, жартылай өткізгіштер үшін нанобөлшектердің 
формасы де үлкен маңызға ие [1-3].
Жартылай өткізгіштердің қасиеттерінің мұндай айырмашылықтарын 
түсіндіру үшін қатты дененің аймақтық құрылымына бөлшектер мөлшерінің 
әсері зерттелді. Нанокристалды жартылай өткізгіштерде тыйым салынған 
аймақ енінің ұлғаюын айқындайтын әсем үлгі 1982 жылы Ал. Эфрос және А. 
Эфрос ұсынған өлшемдік кванттау теориясы болып табылады. Ол 
нанокристаллдарындағы негізгі экситонды жұтудың "көк жылжу" тәуелділігі 
бойынша А. И. Екимов пен А. А. Онущенконың эксперименталдық 
деректеріне негізделеді. Жекелеген атомдардан бөлшектер пайда болған 
кезде атомдық деңгейлер жалпыланған молекулалық орбиталдарды 
қалыптастырады, содан кейін қатты денеге тән аймақтық құрылымға 
бөлінеді. Бұл ретте делокализация көп жағдайда энергетикалық аймақтың 
орталығы ұшырайды, ал аймақтың шеттері бойынша бөлшектердің аз 
мөлшері кезінде энергетикалық деңгейлердің оқшаулануы байқалады. Яғни 
аймақ орталығы үздіксіз электронды тығыздыққа ие, ал шеттері дискретті 
деңгейден тұрады (сурет 1). Металл нанобөлшектер үшін Ферми деңгейі 
аймақтың ортасында жатыр және өлшемдік фактордың көрінісі жеткілікті 
әлсіз. Осылайша, бірнеше Кельвин градустан жоғары температурада металл 
бөлшектерінің мөлшерін (Ферми деңгейі аймақтың ортасында жатқан) 3-5 нм 
дейін азайту көлемдік металдармен салыстырғанда олардың электрондық 
құрылымының өзгеруіне әкелмейді. Екінші жағынан, жартылай өткізгіштерде 
Ферми деңгейі энергетикалық аймақтар арасында жатыр, және дәлірек 
аймақтардың шеттері оптикалық және электрлік қасиеттерді анықтайды. 
Осылайша, аймақтар арасындағы оптикалық өтпелер 20-30 нм дейінгі 
жартылай өткізгіш бөлшектерінің өлшемдеріне қатты тәуелді, ал аймақтың 
ірі бөлшектерінің толық үздіксіз энергетикалық спектрі бар. Сонымен қатар, 
нанокристалл мөлшерін азайтумен электрондық және шаңды аймақтардың 
ені азаяды, бұл оптикалық өткелдердің жалпы энергиясының өсуіне әкеледі. 

127 
Сурет 1. 
Аймақтық құрылым анизотропты болғанда жартылай өткізгіш 
бөлшектер қасиеттерінің күшті анизотропиясы де осылай түсіндіріледі. Әр 
түрлі геометриядағы нанобөлшектер әртүрлі энергетикалық спектрге ие, 
және де әр түрлі қасиеттерге ие. 2-суретте жартылай өткізгіш 
нанобөлшектердің өлшемдерінің электрондар күйлерінің тығыздығына әсерін 
бейнелейтін схемалық диаграмма берілген. Өлшемдік кванттау теориясына 
сәйкес, электрондардың өткізгіштік және тесік аймақтарындағы тәртібі 
жартылай өткізгіш бөлшектерінің валентті аймағындағы шексіз әлеуетті 
кедергімен қоршалған әлеуетті шұңқыр жақындауында қарастырылады. 
Сфералық нанокристалл үшін бұрыштық моменттің кванттық санымен l 
сипатталатын электрондық және кемтіктік кванттық өлшемдер энергиясы 
параболалық жақындауда жазылуы мүмкін: 
 
мұнда m
e,h
-электрон мен кемтіктің тиімді массасы, D-кристалл радиусы, ф
l,n 
- l-дәрежесіндегі Бессель сфералық функциясының n-түбірі. 
Сонымен қатар, электрон мен кемтіктердің энергиясы артады, 
сәйкесінше, тыйым салынған аймақтың өзін тиімді арттыра отырып, валентті 
аймақтан өткізгіштік аймаққа өтетін оптикалық көшудің ең аз энергиясы 
өседі [4]. 

128 
Сурет 2. 
Үлкен материалмен салыстырғанда нанобөлшектерде тыйым салынған 
аймақ енінің өсуі өте үлкен мәнге жетуі мүмкін. Мысалы, CdS 
нанокристалдары үшін бұл шама 1,3 эВ. Бөлшектер мөлшерін 20-дан 2 нм-ге 
дейін өзгерте отырып, біз кадмий сульфидінің тыйым салынған аймағының 
енін 1,7 эВ-дан (көлемді материал) 3 эВ-ға дейін өзгерте аламыз, яғни. 
нақты барлық оптикалық спектр шегінде. 
Нанокристаллдардың оптикалық қасиеттері олардың радиусының 
көлемді материал экситонының Бор радиусының қатынасына байланысты 
( - экситонның келтірілген салмағы): 
1)
кезде (мысалы СuCl ірі нанобөлшектері үшін
=0,68 нм):
экситонэнергиясыбосэлектрондарменкемтіктер 
энергиясынан 
көп. 
Электронды-кемтікжұпөзінпотенциалдышұңқырдағыэкситонретінде әкеледі, 
оның энергиясы 
– көлемді кристалл үшін тыйым салынған аймағының ені, 
- 
көлемді кристаллдың экситондық энергиясы, 
- экситонның 
эффективтік массасы. Мұндай жүріс шағын Бор радиусы бар өте ірі 
нанобөлшектерге тән, мысалы CuCl үшін а
B
= 0,68 нм.
3-cуретте олардың көлеміне байланысты CuCl нанобөлшектері үшін 
жұту спектрін өзгеруі көрсетілген. Бұл спектрлерде екі төменгі деңгейлі 
кемтіктермен байланысқан екі экситон шыңы бар. 

129 
Сурет 3. 
2) 
, мұнда 
, 
электрон мен 
кемтіктердің бор радиусы. 
Тез электрондардың потенциалында кемтіктер жылжиды және 
нанокристалл ортасында орналасады. Экситон спектрі нанокристалл 
орталығы жанындағы кемтік осцилляциясы ретінде сипатталуы мүмкін. 
Мұндай спектр жұтылу жолағының шетінің едәуір ығысуымен CuBr 
нанобөлшектері үшін байқалады (сурет 4). 
Сурет 4. 
3) 
: электрон мен кемтік қозғалысы энергия бойынша 
квантталған, ал олардың потенциалды шұңқырдағы жүрісі өзара әсер ететін 
бөлшектердің жүрісіне ұқсас. 
Бұл төменгі тиімді массасы және Бор орбитасының үлкен радиусы бар 
(CdS және т.б.) материалдар үшін жүзеге асырылады (сурет 5). 

130 
Сурет 5. 
жартылай өткізгіштерінде экситон бор радиусының ең үлкен 
мәні (PbS үшін 
= 2 нм, CdS үшін 
= 6 нм). Мұндай нанобөлшектер ең 
қызықты: ең жоғары кванттық өлшемдік әсері және күшті сызықты емес 
оптикалық қасиеттері байқалады [5]. Өлшемдік кванттау теориясы 
идеалданған. Көптеген жағдайларда нанобөлшектерді электрондық 
тығыздықтың біртекті үлестіруімен нүктелік өлшемдегі бір экситондық тұзақ 
ретінде қарастыруға болмайды. Бұл теория тек бірінші жақындау болып 
табылады және бөлшектердің өлшемінің функциясы ретінде экситонның 
энергетикалық деңгейлері мен энергиясының ығысуын сапалы бағалау үшін 
пайдаланылуы мүмкін. 

жүктеу/скачать 2,77 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: