Квантовые и поверхностные состояния носителей заряда в оптических спектрах нанокластеров в матрице с низкой диэлектрической постоянной

Abstract

Получены и проанализированы оптические спектры квантовых точек CdS и ZnSe, выращенных в боросиликатном стекле золь-гель методом. Обнаружено, что при концентрациях обоих полупроводников х < 0,06% спектры излучения обусловлены аннигиляцией свободных (внутренних) экситонов в квантовых состояниях. Рассчитаны средний размер квантовых точек (KT) для данной концентрации ZnSe и CdS, который хорошо согласуется с рентгенографическими данными, а также энергия связи экситонов с учетом диэлектрического рассогласования полупроводника и матрицы. Высказано предположение, что рассогласование может быть причиной появления уровня протекания (перколяции) экситонов в массиве КТ, которое наблюдается в обеих системах при х > 0,06%. Впервые обнаружено излучение из поверхностного уровня КТ CdS в области 2,7 эВ, образованного внешними атомами с оборванными связями, а также полоса излучения из поверхностных локализованных состояний. Установлена связь между положением максимума этой полосы и энергией 1S-состояния свободного экситона. Показано, что свойства поверхностных локализованных состояний во многом сходны с аналогичными свойствами локализованных состояний 3D (аморфные полупроводники, твердые растворы замещения) и 2D (квантовые ямы и сверхрешетки) структур.

Отримано та проаналізовано оптичні спектри квантових точок ZnSe та CdS, які було вирощено в боросил ікатному склі золь-гель методом. Виявлено, що при концентраціях обох напівпровідників х < 0,6% спектри випромінювання обумовлені анігіляцією вільних (внутрішніх) екситонів у квантових станах. Розраховано середній розмір квантових точок (КТ) для даної концентрації ZnSe та CdS, котрий добре узгоджується з рентгенографічними даними, а також енергію звязку екситонів з урахуванням діелектричного неузгодження напівпровідника та матриці. Зроблено припущення, що неузгодження може бути причиною появи рівня протікання (перколяції) екситонів в масиві КТ, яке спостерігається в обох системах при х > 0,06%. Вперше виявлено випромінювання з поверхневого рівня КТ CdS в області 2,7 eВ, утвореного зовнішніми атомами з обірваними звзками, а також смугу випромінювання із поверхневих локалізованих станів. Встановлено звязок між положенням максимума цієї смуги та енергією 1S-стану вільного екситона. Показано, що властивості поверхневих локалізованих станів багато в чому схожі на аналогічні властивості локалізованих станів 3D (аморфні напівпровідники, тверді розчини заміщення) та 2D (квантові ями та надгратки) структур.

The optical spectra from quantum dots of CdS and ZnSe grown by the sol-gel method in borosilicate glass are taken and analyzed. It is found that for the both semiconductors with x < 0.06% the radiation spectra are conditioned by the annihilation of free (internal) exitons in the quantum states. For that concentration, calculated is the mean size of quantum dots (QD) which is in good agreement with the x-ray diffraction data, as well as the exiton binding energy, the semiconductor-matrix dielectric mismatch being taken into account. It is suggested that the mismatch may be responsible for an exiton percolation level occurred in the QD bulk at x > 0.06% in the above systems. A ~ 2.7 eV emission from the QD surface level of CdS formed by dangling-bond external atoms and an emission band from the surface localized states were observed for the first time. The relation between the maximum position of the band and the energy of the free exciton 1S state is found out. It is shown that the properties of surface localized states are much similar to those of localized states of 3D (amorphous semiconductors, substitutional solutions) and 2D (quantum wells and superlattices) structures.