Оптические свойства наностуктур

Кроме энергетических сдвигов в спектрах поглощения и  испускания,

изменения ширины линий и времени испускания для  нанокластеров 

увеличивается интенсивность излучения, выражающаяся как увеличение

силы осцилляторов (произведение интенсивности полосы поглощения

или излучения  на ее ширину).

Для массивного тела энергия излучения от 0,15 до 0,3 эВ рассеивается

по множеству  состояний, в нанокластере же она  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 пи-

косекунд может  быть изменена слабыми нерезонансными электрическими

полями, например, для управления мощным лазером.

 

3.Фононные нанокристаллы и пористый кремний

Наноматериалы приобретают новые свойства, связанные  как 

квантовым ограничением длины пробега носителей, так  и организацией 

нанокластеров в нанокристаллы. В качестве примера наноматериалов, при-

обретающих новые  свойства, приведем пористый кремний  и фотонные

нанокристаллы. Пористый кремний представляет собой  пример появления новых оптических свойств, связанных с квантовым  ограничением [12].

Он представляет из себя материал, состоящий из изогнутых 

кремниевых нитей  нанометрового диаметра. Для кристаллического кремния 

радиационные  переходы между валентной зоной  и зоной проводимости

формально запрещены  по условиям симметрии. Переходы, однако, 

происходят, но только с участием фононов, и поэтому скорость радиационных переходов мала. Это является причиной того, что кремний не используется для генерации оптических сигналов. В пористом кремнии наблюдается интенсивная фотолюминесценция, что вначале связывалось с возможным нарушением привила отбора в наносистеме, которая не удовлетворяет трансляционной симметрии.

Квантовые ограничения  действительно играют основную роль в 

появлении фотолюминесценции  путем изменения соотношения  интенсивности радиационных и не радиационных переходов. Интенсивность 

радиационных  переходов несколько возрастает, но, главным образом, уменьшается  интенсивность нерадиационных переходов, в частности, резко 

убывает вероятность  трехчастичных Оже-процессов, связанных  с испусканием электронов после поглощения светового излучения, по сравнению с  кристаллическим кремнием.

Фотонные кристаллы  образуются из нанокластеров с размерами,

сравнимыми с  длиной волны фотонов, например, для  видимого диапазона 

света это сотни  нанометров. Благодаря этому, для таких наноструктур

наблюдаются дифракционные  процессы и выполняются условия  Брэгга,

подобно рассеянию  рентгеновских лучей на атомной  кристаллической 

решетке. Это  в свою очередь приводит к возникновению  когерентных 

эффектов при  рассеянии и поглощении света, весьма чувствительных

к энергии фотонов  и направлению их распространения.

Так, фотонные кристаллы  имеют периодически меняющийся 

коэффициент отражения, что позволяет изменять оптические свойства 

материалов. Одномерные наноструктуры используются как интерференционные фильтры, однако большой интерес представляют трехмерные  нанокристаллы. Для таких наносистем было получено существование щелей  фотонных состояний в энергетических и дисперсионных спектрах подобно запрещенным зонам в энергетических и дисперсионных спектрах  электронов в атомных кристаллах. Это предсказывает существование фотонной щели с частотами, при которых фотон не может распространяться внутрь кристалла и происходит его упругое отражение от нанокристаллического

слоя. Такие возможности позволяют создавать наноматериалы с 

изменяющимися оптическими свойствами.

Создание фотонных кристаллов с фотонной щелью включает 

разнообразные приемы синтеза. Один из таких приемов  состоит в 

использовании свойства сфер субмикронного (несколько сотен нанометров)

размера произвольно  организовываться в гранецентрированную  решетку.

  

В результате получается наноматериал — синтетический опал, 

включающий монодисперсные сферы окиси кремния. Однако такой  нанокристалл не обладает устойчивой фотонной щелью, которая легко разрушается различного рода дефектами и несовершенством нанокристалла. Такой синтетический опал далее используется как матрица для получения 

полупроводникового  материала путем его фильтрации в поры нанокрастал-

лического опала (рис. 15.5). Удаление матрицы опала позволяет получать

нанокристаллический обращенный опал, в котором кремний  включает

упорядоченную структуру пустот [13].

Было рассчитано, что если полупроводник обладает достаточно 

высоким коэффициентом  отражения >2,85, то такая структура будет иметь

фотонную щель, что экспериментально было обнаружено для фотонного 

кристалла, сделанного из кремния [14].

В этой области  большой интерес вызывает создание фотонных 

кристаллов, которые  способны к интенсивному испусканию света, например

на основе GaS, InS, GaP, или созданию упорядоченных  полостей на 

основе алмазной структуры, которая по расчетам может  иметь еще большую 

фотонную щель и меньше зависеть от дефектов и  разупорядоченности.

4.Полупроводниковые наноструктуры и наноустройства

Как отмечалось в предыдущих пунктах, изменение  размера кластера

приводит к  сдвигу энергии поглощения и люминесценции  оптического 

излучения полупроводниковых  нанокластеров. Это свойство используется

в таких оптических наноустройствах, как светоперестраиваемые диоды.

В качестве примера  приведем светоперестраивыемые диоды  на основе

CdSe [15]. Светоизлучающая  ячейка была организована следующим  образом: 

нанокластеры CdSe находились в тонком слое на поверхности  люми-

несцирующего  полимера (поли-п-фениленвинилена), сам полимер был

выращен на слое оксида индия и олова, способном  пропускать носители

в виде дырок, с  другой стороны нанокластеры CdSe покрывались  пленкой 

магния и алюминия для инжекции в нанокластеры CdSe электронов. 

Приложение напряжения к такой системе вызывает электролюминесценцию,

длина волны  которой изменяется путем изменения  размера кластера.

Нанокластеры (или, как называют их физики, квантовые  точки)

позволяют создавать  лазерные устройства с регулируемой длиной волны

за счет размера  нанокластера. Как известно, в массивном  твердом теле

со свойствами полупроводника электроны могут  находиться на 

энергетических  уровнях, образующих зоны. Возбуждение  электрона за счет

наложения электрического напряжения или светового воздействия может

перенести электрон с нижней по энергии валентной  зоны через 

запрещенную зону в зону проводимости. Такой перенос  должен сопровождаться возникновением дырки в валентной зоне. Через  некоторое время,  определяемое временем люминесценции, возбужденный электрон может упасть в соответствующую дырку, выделяя энергию, равную разности энергий между зоной проводимости и валентной зоной. Эта энергия, может 

выделиться радиационным способом в виде фотона или нерадиационным

способом, например за счет взаимодействия с фононами в твердом

теле. Для массивного твердого тела эта энергия неизменна, в случае же

нанокластера  эта энергия может изменяться, что дает возможность 

создания лазера с различной цветовой гаммой излучения. Кроме того,

в нанокластере из-за квантового ограничения энергия концентрируется

на малом числе  уровней и соответственно на малом  числе переходов, и,

таким образом, за счет рекомбинации дырки и электрона  высвобождается

большая энергия.

Для создания лазера, использующего для генерации излучения 

нанокластеры (квантовые  точки), необходимо создание упорядоченных 

наноструктур, включающих кластеры одного размера, окруженных 

полупроводниковыми  твердыми растворами, которые могут  инициировать

заселение электронами  высших энергетических состояний, инжектируя

электроны и  дырки в нанокластеры. Переход  нанокластеров в низшее

энергетическое  состояние должен приводить к  генерации фотонов с 

одинаковой длиной волны, которые фокусируются в когерентный  лазерный

пучок света. На рис. 15.6 приведена принципиальная схема такого 

лазерного устройства.

Наложение электрического поля вызывает инжекцию электронов

и дырок и  заселение уровней узкозонного  полупроводника арсенида

индия, что затем  генерирует лазерное излучение в  видимом диапазоне.

Все предыдущее рассмотрение должно заканчиваться  возможностью

формирования  таких упорядоченных гетероструктур, включающих 

моноразмерные нанокластеры. Прогресс в этой области  оказался возможным 

благодаря разработкам  и применениям методов формирования 

полупроводниковых гетероструктур Алферовым, работы которого в этой области были отмечены Нобелевской  премией [16].

Оптические свойства наноструктур целесообразно рассмотреть  вместе

с условиями  их самоорганизации и применения метода для их органи-

зации — молекулярно-пучковой эпитаксии. Спонтанное возникновение

периодически  упорядоченных наноструктур на поверхности  твердых тел 

и в эпитаксиальных пленках активно используется для  создания нано-

структурных объектов — нанокластеров (квантовых точек) и квантовых

проволок, которые  составят основу технологии опто- и 

микроэлектроники  нового поколения. Выделяются четыре основных группы 

упорядоченных наноструктур, представленные на рис. 15.7 [17]. Сюда включены:

1) наноструктуры  с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных

пленках твердых  растворов полупроводников, 2) периодически фасетиро-

ванные поверхности, 3) периодические структуры плоских  поверхностных 

доменов, 4) упорядоченные  структуры трехмерных когерентно 

напряженных островков (нанокластеров) в гетероэпитаксиальных наноструктурах на поверхности подложки.

Причина упорядочения в таких наноструктурах возникает, в той