Физика. Молекулярная физика

Квантовый размерный эффект в катодолюминесценции кластеров инертных элементов

Е.А.Бондаренко

Харьковский национальный экономический университет, кафедра физики и электроники, 61000, г.Харьков, пр. Ленина, 9-а

Проблема формирования и радиационного распада электронных возбуждений кластеров разных элементов, в том числе и инертных, является актуальной в современной молекулярной физике [1 - 4]. В области квантовых свойств кластеров большой интерес представляет исследование влияния размера кластера на энергетические релаксационные процессы. В частности, из общих соображений следует, что размерное квантование экситонной зоны должно существенно замедлять внутризонную энергетическую релаксацию экситонов, если промежуток D между их последовательными уровнями достигает максимальной энергии фононов (чему соответствует размер кластера N_С). Действительно, если размер кластера (выраженный в числе атомов) N превышает N_С, то в процессе релаксации экситон отдает энергию решетке путем испускания одиночных фононов; если же N < N_С, то релаксация экситона должна сопровождаться двухфононными или многофононными процессами, протекающими гораздо медленнее.

Экспериментальное исследование этого размерного эффекта затруднено тем, что за скоростью внутризонной релаксации невозможно проследить по люминесценции свободных экситонов, которая полностью отсутствует в спектрах люминесценции кластеров (все экситоны претерпевают двухцентровую автолокализацию)[1, 6]. Кинетика же экситонных релаксационных процессов, протекающих в наносекундном диапазоне, может быть измерена лишь посредством специальной методики, трудно совместимой со сложной аппаратурой для генерации и исследования кластеров.

Существует, однако, нетривиальная возможность проследить спектроскопически за замедлением внутризонной энергетической релаксации экситонов вследствие размерного квантования зоны.

В настоящей работе представлены результаты исследования влияния размерного квантования энергетического спектра экситонов внутри зоны на процессы релаксации энергии экситонов в кластерах аргона, криптона и ксенона, возбужденных электронным пучком. Исследования проводились методом вакуумной ультрафиолетой (ВУФ) эмиссионной спектроскопии на экспериментальном комплексе, позволяющем создавать свободные кластеры инертных элементов в процессе гомогенной конденсации газа в сверхзвуковых струях, вытекающих из конического сопла в вакуумную камеру [6]. Средний размер кластеров варьировался давлением и температурой газа на входе в сопло.

Экспериментально и теоретически исследованы особенности в зависимостях ВУФ спектров катодолюминесценции кластеров Ar_N, Kr_N и Xe_N от их размера в диапазоне 10 – 10⁴ атомов/кластер, что позволило выявить влияние размерного эффекта в спектре энергии экситонов на их энергетическую релаксацию в кластерах. Обнаруженны яркие особенности в области критического среднего размера @ 160 – 190 атомов/кластер в зависимостях отношения интегральной интенсивности эмиссий десорбированных частиц к интегральной интенсивности кластерного континуума М от размера кластеров, которые позволили установить два конкурирующих канала релаксации энергии экситонов. В кластерах больших размеров > (как и в кристалле) экситоны в результате внутризонной релаксации достигают дна зоны, после чего претерпевают двухцентровую автолокализацию с образованием эксимерной молекулы в наинизшем состоянии . Этот релаксационный путь заканчивается люминесценцией в широком континууме М [1, 5, 6]. При однофононном процессе релаксации расстояние между ближайшими уровнями, D, в экситонной зоне меньше дебаевской энергии фонона .

Установлено также, что с уменьшением среднего размера кластеров до величины ≤ , когда расстояние D > , однофононный процесс релаксации заменяется многофононным. В результате путь релаксации энергии экситонов через экситонные зоны блокируется и начинает действовать новый конкурирующий канал релаксации энергии. На основании анализа полученных результатов выявлено, что в области размеров < новый канал релаксации начинается с более высокоэнергетичной р-зоны и заканчивается десорбцией возбужденных атомов и эксимерных молекул , по механизму «безызлучательной эксимерной диссоциации», предложенному в [1]. Радиационный распад возбужденных десорбированных частиц приводит к формированию линейчатых и полосатых спектров в области ВУФ.

Таким образом, существование размерного эффекта в релаксационных процессах обусловлено специфическими особенностями спектра энергии экситонов кластеров инертных элементов. Эти особенности влияют на распределение энергии экситонов между двумя конкурирующими каналами релаксации, приводя к перераспределению интенсивности эмиссий в ВУФ спектрах излучения исследуемых кластеров. Поэтому, катодолюминесцентная ВУФ-спектроскопия кластеров инертных элементов может служить в качестве уникального индикатора изменений, происходящих в спектре энергии экситонов с размером кластеров, и влияния этих изменений на релаксацию экситонов.

1. Э.Т. Верховцева, Е.А. Бондаренко, Ю.С. Доронин, ФНТ 30, №1: 47 (2004).

2. T. Laarmann et al., J. Chem. Phys. 16, N17, 7558 (2002).

3. Yu.V. Malyukin et al., Fizika nizkih temperatur 29: 906 (2003).

4. A.M.Ratner, Physics Reports 296, 197 (1996).

5. T. Möller Z.Phys. D. 20: 1 (1991).

6. E.T. Verkhovtseva, E.A. Bondarenko, Yu.S. Doronin, Chem. Phys. Lett. 140: 181 (1987).