« Актуальные проблемы современных наук» 

5. Фундаментальные проблемы создания нових материалов и технологий

 

К.ф.-м.н. Скобєєва В.М., д.ф.-м.н. Сминтина В.А., к.ф.-м.н. Малушин Н.В.

Научно-исследовательский институт физики Одесского национального университета им ени И.И. Мечникова

Фотолюминесценция нанокристаллов CdS ( Li ), диспергированных в желатиновой матрице

     

Введение

 

Одним из первых и наиболее изученных полупроводниковых наноматериалов является сульфид кадмия, свойства которых описаны в многочисленных работах. Однако вопросам технологии легирования и исследованию свойств нанокристаллов сульфида кадмия, легированных различными примесями, посвящено значительно меньшее количество работ. Здесь, в основном, исследовались оптические и люминесцентные свойства нанокристаллов соединений А 2В 6 ( Mn , Fe , Ni, Eu ) [1-5]. Существенно также, что в НК зона-зонная и экситонная люминесценция наблюдается только при подавлении процессов поверхностной рекомбинации, что достигается за счет дополнительных технологических приемов. В то же время можно ожидать, что примесные атомы щелочных металлов, занимая места ионов кадмия в решетке и на поверхности, будут блокировать каналы безызлучательной рекомбинации.

Интенсивность люминесценции, связанной с точечными дефектами может быть увеличена путём увеличения их объёмной плотности и уменьшения размеров нанокристаллов. Однако увеличение концентрации примеси ограничивается пределом её растворимости, а при уменьшении размеров наночастиц эффективность свечения зависит от двух конкурирующих процессов. С одной стороны, с уменьшением размера увеличивается перекрытие волновых функций электрона и дырки, что повышает вероятность излучательной рекомбинации, а с другой – увеличивается роль каналов безызлучательной рекомбинации.

Из вышеприведенного следует, что изучение примесной люминесценции в полупроводниковых нанокристаллах в настоящее время является недостаточно изученным и актуальным. В данной работе представлены результаты исследования люминесценции НК CdS , легированных литием.

 

Экспериментальные результаты и их обсуждение

 

Нанокристаллы сульфида кадмия были синтезированы методом золь-гель технологии из раствора желатины, содержащего соли (нитрат кадмия, сульфит серы) и, в случае легирования, нитрата лития. Концентрация вводимой в раствор соли лития  варьировалась в пределах 10 -4 ч 10 -1 М . Средний радиус получаемых наночастиц, при выбранных технологических параметрах, составлял 2,5-3 нм. После окончания процесса синтеза раствор, содержащий взвешенные в желатине наночастицы CdS , поливали на стеклянные подложки и высушивали до затвердевания желатинового геля.

Спектр ФЛ нелегированных образцов, представленный на рис.1 (кривая 1), содержит одну широкую полосу с » макс = 650 нм. Природа этой полосы люминесценции связана с собственными дефектами и зависит от состояния поверхности наночастиц [6].

 

Рис.1. Спектры ФЛ нелегированных (1) и легированных литием (2,3) НК CdS с концентрацией 10 -3(2) и 10 -2 (3) М.

 

Введение в реакционный раствор соли лития LiNO 3 с наименьшей концентрацией не приводило к изменению спектра свечения. При концентрации же 10 -1 М  LiNO 3 пленки с НК становились непрозрачными. К тому же при пребывании на воздухе их поверхность покрывалась влагой, что объяснялось выходом нерастворенного лития на поверхность НК и образованием второй фазы – гидрата лития ( LiOH ).

Спектр ФЛ легированных НК CdS с концентрацией10 -3 и 10 -2М представлен на рис.1, соответственно, кривыми 2 и 3. Полоса люминесценции смещается в область меньших энергий и при  большей концентрации Li локализована у » макс = 520 нм. Очевидным становится тот факт, что в спектре ФЛ НК CdS ( Li ) вклад полосы с » макс = 650 нм уменьшается и формируется новая полоса свечения, обусловленная литиевыми центрами свечения. Динамика этого процесса подтверждается кривыми 1 и 2, представленными на рис. 2. Эти кривые получены путем вычитания кривых 2,3 из кривой 1, показанных на рис. 1. Заметно, что полуширина полосы ФЛ существенно сужается и формируется коротковолновое свечение, связанное с литием. По аналогии с объёмным сульфидом кадмия центром свечения литиевой полосы свечения может являться дефект замещения  - Li Cd , который имеет акцепторную природу.

Рис.2. Спектры ФЛ НК CdS с концентрацией 10 -3 M(1) и 10 -2М(2), полученные в результате вычитания спектра ФЛ нелегированных НК из спектров ФЛ CdS ( Li ) c c оответствующей концентрацией примеси.

 

Таким образом, люминесценция с » макс = 520 нм обусловлена рекомбинацией свободного или захваченного электрона с дыркой на глубоком акцепторном центре.

 

Заключение

При легировании нанокристаллов сульфида кадмия в процессе синтеза атомами металла лития образуются центры акцепторного типа, которые участвуют в рекомбинации с излучением полосы, локализованной у » макс = 520 нм. Одновременно, интенсивность люминесценции на глубоких центрах собственной природы (» макс = 650 нм) уменьшается.

 

Литература

В.Ф.Агекян. Внутрицентровые переходы ионов группы железо в полупроводниковых материалах типа  II - VI .   // Физика твердого тела.  -2002.-Т. 44.- Вып.11, - с. 1921-1939.

2.      S.Okamoto, M.Koboyashi,Y.Konemitsu, and T.Kushida. Fabrication and Optica Characterization of Trivalent-Rate-Earth Doped CdS Nanocrystas Eu 3+. // Phys.stat.sol. (b) -2002.- V.229. - N. 1 , - р . 481-484.

3.      Ping Yang, Mengkai Lii, Dong Xu, Dourong Yuan, Chunfeng Song, Suwen Liu, Xiufeng Cheng. Luminescence characteristics of ZnS nanoparticles Co- doped with Ni 2+ and Mn 2+. // Optical Materials -2003.- V. 24.- р . 497-502.

4.      7.M.H.Yousefi,A.A.Khoseravi,K.Rahimi,and A.Nazesh.Comparing the Luminescence of ZnSe:Mn/CdS:Mn quantum dots.  // Eur. Phys. J. Appl. Phys.- 2009.-  V.45.- Р . 10602.

5.      4.D.J.Norris,Nan Yao,F.T.Charnok and T.A. Kennedy. High-Quality Manganese-Doped ZnSe Nanocrystals. //  Nanoletters – 2001-.V.1.-N1, р . 3-7.

6.      Скобеева В.М., Смынтына В.А., Свиридова О.И., Струц Д.А., Тюрин А.В. Оптические свойства нанокристаллов сульфида кадмия, полученных золь-гель методом в желатине // ЖПС. 2008. Т.75. №4, с.556-562.