Оптические свойства полупроводниковых нанокластеров

147 
(синее смещение) при уменьшении размеров частиц. Фотоны с энергией равной 
или превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника могут создать 
электронно-дырочные пары. 
В некоторых случаях возникает 
экситон 
- связанная кулоновским полем, 
электрически нейтральная квазичастица, состоящая из электрона и дырки. 
Экситонные переходы в низкоразмерных системах наблюдаются даже при 
комнатных температурах. Существует два типа экситонов: 
Экситоны Ванье-Мотта
– слабосвязанные электронно-дырочные пары, с 
размером несколько периодов решетки, характерные для полупроводников. 
Электрон и дырка делокализованы по многим молекулам. Модель пригодна 
для органических полупроводников и ионных кристаллов. 
Экситоны Френкеля 
- сильносвязанные электронно-дырочные пары, с 
размером порядка одного периода решетки, характерные для диэлектриков. 
Экситон прочно связан с молекулой и межмолекулярные силы слабые. 
Энергия связанного состояния экситона 
2
2
0
1
13, 6
n
m
E
эВ
m
n


.
Радиус экситона 
2
10
0
0,5 10
n
n m
a
м
m



, 
1, 2,...
n

, 
где 

- диэлектрическая проницаемость среды, 
e
- заряд электрона, 
0
m
- масса 
свободного электрона. 
e
p
e
p
m m
m
m
m


- масса экситона, 
e
m
, 
p
m
- эффективные массы 
электрона и дырки соответственно. На рис. 3.9 показаны связанные состояния 
экситона и энергия ионизации экситона. 
Рис. 3.9. 
1
E
- 
энергия ионизации экситона. 
G
E
- 
ширина запрещенной зоны. 
1, 2,3....
n

квантовое число.[3] 
Энергии связанных состояний экситона расположены в запрещенной зоне 
полупроводника, близко к дну зоны проводимости. Спектр оптического 
поглощения экситонов имеет пики согласно уравнению для энергий экситонов. 
Для оксида меди 
2
Cu O
оптический спектр поглощения экситонов показан на 
рис. 3.10. 

148 
 
Рис. 3.10. Спектр оптического поглощения водородоподобных переходов экситона в оксиде 
меди 
2
Cu O
.[3] 
При уменьшении наночастиц до размеров меньших радиуса экситона, 
возникают два режима слабой и сильной локализации. 
В режиме слабой локализации радиус частицы больше радиуса экситона, но 
область перемещения экситона ограничена, что приводит к смещению спектра 
поглощения в голубую сторону (частота поглощения возрастает).
В режиме сильной локализации, когда радиус частицы меньше радиуса 
орбиты электронно-дырочной пары, движение электрона и дырки становятся 
независимыми и экситон перестает существовать. Электрон и дырка имеют 
собственный набор энергетических уровней. Это приводит к появлению нового 
набора линий поглощения и к голубому смещению.
В полупроводниковых нанокластерах до нескольких атомов в кластере 
существует запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости. 
Процесс возбуждения кластера фотоном с энергией большей или равной 
ширины запрещенной зоны состоит в образовании экситона, в виде слабо 
связанной пары электрон-дырка. Электрон появляется в зоне проводимости, а 
дырка в валентной зоне.
Общая энергия экситонного возбуждения имеет вид 
(1)
(2)
g
g
g
Ry
E
E
E
E
E




,
1, 2,3...
n

где 
g
E
-ширина запрещенной зоны массивного полупроводника, 
(1)
2
2
/ 2
g
E
h n
mR

- 
зависимость ширины запрещенной зоны от размера 
нанокластера 
R
, 
(2)
2
1, 78
/
g
E
e
R

- зависимость кулоновской энергии взаимодействия электрона и 
дырки от размера нанокластера, 


4
2
2
0, 24
/ 2
Ry
E
me
n

-энергия связи экситона (электрона и дырки). 
От размера кластера зависят второе и третье слагаемое. 
Ширина запрещенной зоны должна возрастать с уменьшением размера 
нанокластера 
2
1/
R
, и энергия перехода возрастает, что приводит к голубому 

149 
сдвигу в оптических спектрах поглощения и люминесценции для нанокластеров 
по сравнению с массивными полупроводниками. 
Кроме голубого сдвига в нанокластерных материалах наблюдается 
красный сдвиг в полупроводниках с большой запрещенной зоной. Например, 
для кластеров 
2
3
Fe O

с размером 8,5 нм полимерной матрице с помощью 
измерения оптического края поглощения при 595 нм наблюдался сдвиг в 
сторону низких энергий на величину 0.2 эВ по сравнению с эпитаксиальной 
пленкой 
2
3
Fe O

. 
Основной причиной приводящей к уменьшению запрещенной зоны 
является сжатие нанокластера оксида железа, обусловленное поверхностным 
натяжением. Действие давления на зонную структуру сводится к увеличению 
перекрывания волновых функций атомов материала. Для некоторых 
полупроводников энергетическая щель может уменьшиться до нуля. Материал 
переходит из полупроводникового в металлическое состояние. При действии 
давления 5 ГПа на магнетит ширина запрещенной зоны от 2 эВ падает до нуля, 
и материал становится проводником при всех температурах. 
В нанокластере энергия излучения концентрируется на нескольких модах с 
шириной линий от 0,1 МэВ до 0,5 МэВ. Такое свойство важно для 
конструирования материалов с нелинейными оптическими свойствами. 
Поляризуемость кластера зависит от его объема, поэтому интенсивность узких 
линий в нанокластерах со временем несколько пикосекунд может быть 
изменена слабым нерезонансным электрическим полем, что используется для 
управления мощным лазером. 

жүктеу/скачать 12,63 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: