Сотрудники Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и Факультета наук о материалах МГУ им. М. В. Ломоносова составили описание примесной люминесценции квантовых точек.

Механизмы люминесценции — нетеплового свечения, обусловленного преобразованием поглощённой веществом энергии возбуждения в энергию оптического излучения, — различаются в зависимости от того, происходит ли она внутри примесного центра или же с участием электронной подсистемы всего кристалла. Люминесценция последнего типа, называемая межзонной, хорошо изучена и определяется электронными переходами между валентной зоной и зоной проводимости. Её цвет можно контролировать, изменяя размеры образцов.

Однако с уменьшением светоизлучающих кристаллов межзонная люминесценция начинает «сдавать позиции», поскольку доля поверхностных атомов увеличивается, а различные дефекты и примеси выходят наружу. В таких условиях более значимой становится люминесценция, связанная с переходами между зонами и донорно-акцепторными уровнями поверхностных и примесных атомов. Цельного представления об этих эффектах у физиков пока нет, хотя исследуется примесная люминесценция довольно активно. Результаты опытов пригодятся при разработке новых органических светодиодов и элементов квантовой электроники; в оптике, к примеру, грамотное использование широкого спектра поверхностной люминесценции позволит создавать источники белого света на основе одного вещества.

Спектры фотолюминесценции полупроводниковых нанокристаллов CdS.

Российские физики экспериментировали с наночастицами сульфида кадмия CdS с характерными размерами в 4–5 нм. «Люминесценцию кристаллов CdS изучают давно, с середины прошлого века, — замечает один из авторов работы Алексей Кацаба, студент пятого курса Московского физико-технического института. — Конечно, всё это время исследовались в основном не квантовые точки, а обычные монокристаллы».

Наноразмерные образцы CdS были получены из пересыщенного раствора неполярного растворителя и дополнительно стабилизированы олеиновой кислотой. Такая обработка должна была связать поверхностные состояния и погасить примесную люминесценцию, но анализ показал, что на поверхности наночастиц сохранялось множество непрореагировавших участков. Из-за этого взвесь нанокристаллов в растворе излучала жёлтый свет, что по спектрам соответствовало примесной люминесценции. Кроме того, на спектрах был и основной (малый по интенсивности) межзонный пик люминесценции на длинах волн синего цвета. Широкая же примесная область представляла собой суперпозицию трёх отдельных пиков, которые по-разному вели себя при изменении температуры. «Эти температурные зависимости связаны с передачей энергии между уровнями, отвечающими за свечение поверхностных состояний, — поясняет Алексей Кацаба. — Мы также заметили, что некоторые переходы и линии в примесном спектре имеют зависимость от размера квантовой точки».

На основе снятых термических зависимостей спектров и кинетических кривых фотолюминесценции была построена модель энергетических уровней и переходов, отвечающих за оптические свойства образцов. Таким образом, авторы описали природу примесной люминесценции и наметили возможности для управления её характеристиками.