Исследование наноструктур методами электронного парамагнитного резонанса и оптически детектируемого магнитного резонанса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

0046

0260

Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

на правах рукописи

Толмачев Данил Олегович

Исследование наноструктур методами электронного парамагнитного резонанса и оптически детектируемого магнитного резонанса.

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2010

004610260

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физико-Техническом институте им. А.Ф. Иоффе. РАН

Научный руководитель: Член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, Конников Самуил Гиршевич Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Романов Николай Георгиевич Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор Закревский Владимир Александрович Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Кандидат физико-математических наук, доцент Ильин Владимир Алексеевич Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Защита диссертации состоится "21" октября 2010г. в 16:30 часов на заседании диссертационного совета Д 002.205.01 Физико-Технического института им. А.Ф. Иоффе по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Автореферат разослан "17" сентября 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук ХАгv[ Петров A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Исследования наноструктур занимают в последние годы ведущее место в физике твердого тела и физике полупроводников благодаря их уникальным свойствам и перспективам практического применения. В диссертации представлено исследование трех классов наноструктур методами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), оптической спектроскопии и оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР).

Полупроводниковые нанокристаллы, полученные методами коллоидной химии, интересны с научной и технологической точек зрения благодаря квантово-размерным эффектам и поверхностным свойствам. В таких системах возможна тонкая настройка электронных и оптических свойств, за счет варьирования размеров нанокристаллов. Большие ожидания связаны с применением органических-неорганических композитов для создания устройств, обладающих высокой стабильностью и проводимостью благодаря наличию неорганической составляющей. Комбинация сопряженных полимеров и неорганических наночастиц, в частности коллоидных нанокристаллов ZnO является привлекательным направлением развития органической оптоэлектроники и фотоволь-таики и для создания устройств, обладающих высокой стабильностью и проводимостью благодаря наличию неорганической составляющей. Большая энергия связи экси-тона (60 мэВ), которая может стать еще больше в квантовых точках, благодаря эффектам конфайнмента, является главной причиной выдающихся электронных и оптических свойств нанокристаллов ZnO.

В настоящее время основным фосфором для записи рентгеновской информации (X-ray storage phosphor) является BaFBnEu), однако рентгенологические системы на его основе обладают достаточно плохим разрешением из-за двойного лучепреломления света в кристаллитах. Ведутся интенсивные поиски новых материалов, которые позволили бы увеличить эффективность записи путем замены низкосимметричной кристаллической матрицы BaFBr на оптически изотропную. В настоящее время система CsBr:Eu2t считается наиболее перспективной альтернативой системе BaFBnEu2'. В то же время в щелочногалоидных кристаллах с двухвалентной примесью (Ей21, Мп2', РЬ2' и др.) имеется тенденция к образованию примесных нанокластеров (нанокристаллов или фазы Сузуки) даже при комнатной температуре. Представляет интерес исследование рекомбинационных процессов в кристаллах с такими наноструктурами.

Полумагнитные (или магнитосмешанные) полупроводники — перспективный класс материалов, сочетающих в себе полупроводниковые и магнитные свойства. Особенно перспективны полумагнитные квантоворазмерные структуры - квантовые ямы и квантовые точки, изготовление которых стало возможно с помощью технологии молекулярной эпитаксии. Носитель-ионное обменное взаимодействие в приводит к возникновению ряда необычных для традиционных полупроводников явлений, например, гигантского расщепления зон, примесных и экситонных уровней во внешнем магнитном поле. Поэтому актуальной проблемой является изучение влияния спиновой поляризации примесных переходных ионов на свойства низкоразмерных структур на основе полумагнитных полупроводников.

Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) является основным при определении электронной структуры дефектов в конденсированных средах. Однако традиционный метод ЭПР плохо подходит для исследования систем пониженной размерности из-за недостаточной чувствительности и отсутствия селективности. Основными методами исследования систем пониженной размерности являются оптические методы. При использовании ОДМР информативность и высокое энергетическое разрешение ЭПР сочетаются с высокой чувствительностью и пространственной селективностью оптических методов, поэтому применение ОДМР для изучения низкоразмерных систем является актуальным и перспективным.

Цель работы

Целью работы являлось развитие исследований рекомбинационных процессов в практически важных низкоразмерных структурах методами ЭПР и ОДМР .

В задачи работы входило:

Изучение рекомбинационных процессов в коллоидных нанокристаллах ХпО. Идентификация центров, участвующих в рекомбинации, методом ОДМР. Разработка методики диагностики размеров нанокристаллов.

Изучение рекомбинационных процессов, приводящих к туннельному послесвечению и фотостимулированной люминесценции в системах на основе кристаллов СэВг с примесью Ей21 и РЬ21 - перспективных материалах для компьютерной радиографии. Изучение нанокристаллов и нанокластеров, образующихся в таких структурах в результате самоорганизованного роста, их взаимодействия с радиационными дефектами

Исследование методом ОДМР эпитаксиальных структур с квантовыми ямами и квантовыми точками Сс1Мп8е/гп8е. Исследование анизотропии спектров ОДМР и процессов передачи энергии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Впервые обнаружено длительное послесвечение в возбужденных светом квантовых точках ЪпО, обусловленное спин-зависимой туннельной рекомбинацией электронных и дырочных центров. По интенсивности послесвечения зарегистрированы спектры ОДМР и идентифицированы участвующие в рекомбинации мелкие доноры и глубокие акцепторы.

Предложена методика диагностики размеров нанокристаллов по измеренному методом ОДМР ^-фактору мелких доноров, который зависит от размеров нанокристаллов вследствие квантово-размерных эффектов. Эта методика позволяет проводить диагностику размеров нанокристаллов в практически важных системах с диспергированными нанокристаллами, которые невозможно изучать традиционным методом ЭПР.

Впервые проведено исследование методом ОДМР рекомбинационных процессов в перспективных материалах компьютерной радиографии СвВпЕи и СвВпРЬ. Установлена природа рекомбинационных процессов. Обнаружен направленный перенос энергии спин-зависимой рекомбинации электронно-дырочных пар и автолокализованных экситонов в объемном ионном кристалле (матрице) к внедренным в матрицу в результате самоорганизованного роста низкоразмерным структурам. Доказана пространственная корреляция дефектов, возникающих при рентгеновском облучении, и примесных центров.

Впервые методом ОДМР исследованы самоорганизованные квантовые точки и субмонослойные квантовые ямы СёМпЯеЛ^пЗс. Обнаружена тонкая структура изолированных ионов Мп21, возникающая вследствие пониженной размерности системы. В субмонослойных квантовых ямах Сс1(Мп)Зе/2п5е методом ОДМР продемонстрирован спин-зависимый перенос энергии возбуждения от экситона к ионам Мп21.

Положения, выносимые на защиту:

В оптически возбужденных номинально чистых и легированных алюминием коллоидных нанокристаллах ZnO наблюдается спин-зависимая рекомбинация электронных и дырочных центров, приводящая к длительному туннельному послесвечению. В послесвечении участвуют мелкие доноры и глубокие акцепторы: атомы лития,

замещающих атомы цинка , вакансии цинка Угп; и глубокие акцепторы расположенные вблизи интерфейса и связанные с натрием.

В спектре фотолюминесценции нанокристаллов ZnO, преобладает излучение обменно-связанных донорно-акцепторных пар.

Метод ОДМР по послесвечению может быть применен для диагностики размеров нанокристаллов 2пО, включая систему диспергированных нанокристаллов, к которой традиционный метод ЭПР не применим из-за недостаточной чувствительности.

В спектрах послесвечения и фотостимулированной люминесценции кристаллов СвВпЕи и СзВпРЬ присутствует люминесценция наноструктур (нанокластеров европия в системе СвВпЕи и нанокристаллов СвРЬВгз в кристалле СвВпРЬ), которая возбуждается за счёт рекомбинации Р-Ук центров в матрице СэВг. Имеет место пространственная корреляция Ей2' и дефектов, создаваемых рентгеновским излучением.

В квантовых точках и субмонослойных квантовых ямах СёМпБе^пЗе наблюдается анизотропия спектров ОДМР марганца, связанная с появлением расщепления тонкой структуры одиночных ионов марганца из-за пониженной размерности структуры.

В квантовых ямах С(!(Мп)8е/2п8е происходит передача энергии возбуждения от экситонов в квантовой яме к центрам Мп21.

Практическая ценность.

В работе получены новые результаты при исследовании объектов и материалов, имеющих перспективы с точки зрения практического применения.

В работе развит метод ОДМР по послесвечению коллоидных нанокристаллов 2п0 и предложена методика диагностики размеров нанокристаллов по спектрам ОДМР, зарегистрированным по туннельному послесвечению, обеспечивающая высокую чувствительность.

Исследована природа рекомбинационных процессов, приводящих к туннельному послесвечению и фотостимулированной люминесценции в перспективных для компьютерной радиографии структурах на основе щелочногалоидных кристаллов СвВг легированных ионами Ей21, которые, не уступая по своим дозиметрическим характеристикам коммерчески используемой системе ВаРВпЕи21, обеспечивает существенно лучшее разрешение.

Получена новая информация о примесных ионах марганца и процессах передачи энергии в квантовых точках и квантовых ямах СМ(Мп)5е/7пЗе. Такие наноструктуры рассматриваются в качестве модельных объектов спинтроники .

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях: 13th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, St Petersburg, Russia, June 20-25, 2005; VII Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой оито - и наноэлектро-нике, Санкт-Петербург, 5-9 декабря 2005 г; X Международная Научная Молодежная Школа «Актуальные проблемы магнитного резонанса и его применений», Казань, 31 октября — 3 ноября 2006 г; Международная Зимняя Школа по Физике Полупроводников, г. Зеленогорск, 1-5 марта 2007 года; 15th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" Novosibirsk, Russia, June 25-29, 2007; VIII Российская конференция по физике полупроводников, "Полупроводники-2007", г.Екатеринбург, 30.09.07-5.10.07; 4-ая Зимняя молодежная школа-конференция «Магнитный резонанс и его приложения», г.Санкт-Петербург, Россия, 03-07 декабря 2007 года; Magnetic Resonance Conference "Euromar-2008" St. Petersburg, Russia July 6-11, 2008; 16th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" Vladivostok, Russia, July 15-19, 2008; 5-ая Зимняя молодежная школа-конференция «Магнитный резонанс и его приложения», г.Санкт-Петербург, Россия, 01-05декабря 2008 года; 17th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology". Minsk, Belarus, June 22-26, 2009 p 314; 25th International Conference on Defects in Semiconductors St. Petersburg, Russia, July 20-24, 2009; 14lh International Conference on II-VI compounds. St. Petersburg, Russia, August 23-28, 2009; XII International Young Scientists School «Actual problems of Magnetic Resonance and its Applications», Kazan, Russia, 5-9 October 2009; 6-ая Зимняя молодежная школа-конференция «Магнитный резонанс и его приложения», г.Санкт-Петербург, Россия, 30 ноября-04 декабря 2009 года

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 18 печатных работах. Перечень работ приведен в конце автореферата.

Структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Список литературы содержит 71 наименование. Объем диссертации составляет 122 страницы, в том числе 41 рисунок и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснованы актуальность темы диссертационной работы, перечислены объекты исследования, представлена структура диссертации и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе, сделан краткий литературный обзор по теме диссертации.

Первая часть главы посвящена методам электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР). ЭПР известен как один из наиболее мощных методов в экспериментальной физике дефектов в твердом теле. С его помощью можно получить надежную информацию о химической природе, спиновом и зарядовом состоянии парамагнитного центра, о симметрии его окружения и амплитудах волновых функций в местах расположения различных ядер [1,2]. Энергетическое разрешение ЭПР-спектроскопии достигает 10 9 эВ, что более чем на три порядка превышает разрешение оптической спектроскопии. Однако, ограниченная чувствительность метода обычно недостаточна для изучения низкоразмерных структур с очень малым активным объемом. Оптические методы обладают намного большей чувствительностью и пространственной селективностью, но их энергетическое разрешение и возможность получить структурную информацию о дефекте на микроскопическом уровне не могут сравниться с методами радиоспектроскопии. Достоинства ЭПР и оптики удалось совместить в методе двойного оптико-магнитного резонанса - оптически детектируемом магнитном резонансе [3]. Принцип ОДМР состоит в регистрации вызванного электронным парамагнитным резонансом изменения в поглощении или излучении света. Методом ОДМР регистрируются спектры магнитного резонанса и сохраняются высокое разрешение и информативность ЭПР, при этом чувствительность сопоставима с чувствительностью оптических методов. ОДМР является одним из наиболее эффективных спектроскопических методов, позволяющих исследовать тонкие эффекты в низкоразмерных структурах [4].

Во второй части описаны свойства оксида цинка, перспективы использования нанокристаллов ХпО, рассказано о предыдущих исследованиях таких систем. Интерес к ТпО обусловлен возможными перспективами его применения в оптоэлектронике. ZnO - это прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны Ед~3.3 эВ при комнатной температуре. Его важной особенностью является большая энергия связи экси-тона порядка 60 мэВ. Комбинация сопряженных полимеров и неорганических наноча-стиц является привлекательным направлением органической оптоэлектроники [5], в

частности большие ожидания связаны с применением органически-неорганических композитов для создания устройств фотовольтаики, обладающих высокой стабильностью и проводимостью благодаря наличию неорганической составляющей [6]. Спектры ЭПР и двойного электронно-ядерного резонанса доноров и акцепторов в квантовых точках Zr\0 были исследованы недавно методами высокочастотного электронного спинового эха (ЭСЭ) [7,8,9], что позволило надежно установить их структуру.

В третьей части рассказано об исследовании нанокристаллов, образовавшихся в результате самоорганизованного роста в матрице ионных кристаллов, перспективных для применения в качестве рентгеновских запоминающих фосфоров. Фосфоры для записи рентгеновской информации с последующим считыванием путем лазерного возбуждения фотостимулированной люминесценции имеют существенные преимущества по сравнению с традиционными фотографическими пластинами и сцинтилляционные экранами. В настоящее время основным фосфором является ВаРВг.Еи (подробнее см. в [10]), однако рентгенологические системы на его основе обладают достаточно плохим разрешением. Ведутся интенсивные поиски новых материалов, которые позволили бы увеличить эффективность записи путем замены низкосимметричной кристаллической матрицы ВаИБг на оптически анизотропную. Наиболее перспективной считается система СвВгЕи2', которая не уступает по своим характеристикам коммерчески используемой системе ВаРВг.Еи2', гтри этом рентгеновские пластины на основе оптически изотропных кристаллов СяВпЕи2' обладают хорошим разрешением при высокой чувствительности [И].

Разбавленные магнитные полупроводники демонстрируют много интересных полупроводниковых, оптических и магнитных свойств. Среди полумагнитных материалов одними из наиболее интересных объектов являются соединения ЛзВс, в которых часть атомов II группы заменяется Мп [13]. Внедрение атомов Мп в полупроводниковые соединения АгВг, изменяет их оптические и магнитные свойства из-за наличия обменного взаимодействия магнитного момента 3</ электронов локализованного Мп2' и электронами ер3 связи. Обменное взаимодействие яр - с/ оказывает влияние на физические явления, в которых участвуют электроны как из зоны проводимости так и из валентной зоны, например, гигантское зеемановское расщепление зоны проводимости и валентной зоны [18]

В конце первой главы сформулированы цели и задачи работы.

Во второй главе описана методика эксперимента.

В первой части приведено описание исследованных в работе образцов.

9

Коллоидные нанокристаллы ZnO были получены методами коллоидной химии, описанными в [7]. Они представляли собой нанокристаллы ZnO, покрытые одним-двумя монослоями Zn(OH)2. В работе исследовались как номинально чистые нанокристаллы, так и нанокристаллы ZnO, выращенные с примесью алюминия. Размеры на-нокристаллов определялись методами рентгеновской дифракции и электронной микроскопии и составляли 3-10 нм. Разброс размеров нанокристаллов не превышал 10%. Исследовались как сухие порошки нанокристаллов, так и нанокристаллы, диспергированные в этиловом спирте.

Кристаллы CsBr:Eu и CsBr:Pb были выращены методом Бриджмена. Концентрация примеси варьировалась в пределах 0.1-0.5 мол % НиВгг или РЬВгг в расплаве. Также в данной работе исследовались нелегированные кристаллы типа флюорита: CaF2, SrF2, BaF2, CaF2 легированный Eu, Mn или дважды легированный Cd and Er, и кристаллы BaFBnEu. Измерения проводились на образцах как после их длительного хранения при комнатной температуре, так и после термических обработок: закаливания от температуры 650 К до температуры жидкого азота, или отжига при температуре 450 К.

И последним типом объектов являются были структуры с квантовыми ямами и квантовыми точками Cdi-jMnASe/ZnSe выращенные методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке GaAs (001). Образцы с квантовыми точками Cdi_xMnxSe/ZnSe (х = 0.07) представляли собой слой CdMnSe номинальной толщиной 2.1 монослоя окруженный барьерными слоями ZnSe толщиной 30 нм. Самоорганизованные квантовые точки имеют форму блина с продольными размерами около 10 нм, намного превышающими их высоту. Образец с квантовыми ямами представлял собой восемь слоев Cdo.72Mno.28Se номинальной толщиной 0.3 монослоя, разделенных барьерными слоями ZnSe, толщиной 10 монослоев.

В следующей части представлено описание и блок-схемы использованных в работе спектрометров ОДМР (35 и 94 ГГц) и ЭПР (9 ГГц). Приведены конфигурации установки ОДМР, позволяющие регистрировать спектры по фотолюминесценции, послесвечению и магнитному циркулярному дихроизму (МЦЦ).

Третья глава посвящена исследованию рекомбинационных процессов в коллоидных нанокристаллах ZnO. В нанокристаллах ZnO, подвергнутых кратковременному облучению ультрафиолетовым светом (УФ) с энергией квантов в области межзонного поглощения, обнаружено длительное туннельное послесвечение (ТП), наблюдавшееся при гелиевых температурах в течение нескольких часов после прекращения облучения. Его интенсивность уменьшается в сильных магнитных полях при низких температурах

10

(см. Рис. 1) из-за спиновой поляризации электронных и дырочных центров. Это свидетельствует о спин-зависимом характере рекомбинации. Это обстоятельство позволило оптически зарегистрировать ЭПР по возрастанию интенсивности послесвечения при переориентации спина одного из партнеров, участвующих в рекомбинации, в момент резонанса. Из спектра ОДМР, зарегистрированного по послесвечению в нанокристал-лах 2пО диаметром 3.5 нм (Рис. 2) следует, что в рекомбинации участвуют мелкие доноры и глубокие акцепторы трех типов, указанных на рисунке. В спектрах ОДМР, за регистрированных по фотолюминесценции, преобладают сигналы обменно-связанных донорно-акцепторных пар.

Повышение рабочей частоты до 94 ГГц приводит к увеличению разрешения по ¿¡-факторам и повышению чувствительности. Такие измерения, осуществленные с использованием квазиоптического микроволнового тракта, позволили идентифицировать рекомбинирующие центры в практически важных нанокристаллах 2пО: А1. В нанокри-сталлах ZnO из-за эффектов конфайнмента происходит сдвиг ¿'-фактора мелких доноров в сторону ¿>=2 при уменьшении размеров [7], поэтому регистрация ОДМР мелких доноров по послесвечению нанокристаллов ZnO дает возможность проводить диагно-

1 О О О О О

О 1.0 2.0 3.0

Магнитное моле (Тл)

Рис. !. Зависимость интенсивности туннельного послесвечения в нанокристаллов ZnO от магнитного поля в присутствии микроволнового поля 35.2 ГГц при температуре 2 К. Пунктирной линией показана расчетная зависимость магнитного тушения туннельного послесвечения.

о,

сь §

ег а

С О

Рис. 2 Сигнал ОДМР на частоте 35.2 ГГц, зарегистрированный при 2 К по послссвсчению нанокристаллов ХпО через два часа после прекращения УФ возбуждения. Внизу показаны симулированные спектры ОДМР мелких доноров и трех типов глубоких акцепторов, участвующих в рекомбинации. Вертикальной линией со стрелкой показан сдвиг линии ОДМР мелких доноров относительно объемного кристалла

нанокристаллы ZnO (3.5 нм) 35.2 ГГц 2 К

' _I-.-1-1_I-.-I_I_I-

1.22 1.24 1.26 1.28 1.30 1.32 Магнитное поле (Тл)

6 5

Энергия (эВ) 3

А СвВпЕч

стнку их размеров. ОДМР был зарегистрирован в нанокристаллах 2пО, диспергированных в этиловом спирте. Зарегистрировать обычный ЭПР в такой системе невозможно из-за его недостаточной чувствительности.

Четвертая глава посвящена исследованию ионных кристаллов с примесными наноструктурами методами люминесценции, ЭПР и ОДМР. В кристаллах СйВпЕи, и СйВпЕи подвергнутых рентгеновскому облучению при низкой температуре (77 К) обнаружено длительное послесвечение, в спектре которого присутствуют широкие полосы, связанные с рекомбинацией в матричном кристалле и узкие полосы излучения наноструктур. Методом ОДМР показано, что широкие полосы в спектрах послесвечения обусловлены рекомбинацией РиУк центров, созданных рентгеновским облучением в СвВг. При фотостимуляции электроны высвобождаются из возбужденных Б-центров и могут быть либо перезахвачены другими электронными центрами кристаллической решетки, расположенными ближе к дырочным центрам,

'З

тем самым увеличивая интенсивность донорно- ,§

акцепторной рекомбинации, или захвачены ав- £

толокализованными дырками с формированием |

автолокализованного экситона. Для подтвер- >

ждения того, что в спектре фотостимулирован- ^

£

ной люминесценции в ионных кристаллах при- о

ш

сугствует полоса излучения автолокализован- §

т

ных экситонов, в диссертации представлены £ результаты исследования кристаллов типа флюорита методом ОДМР, регистрируемого по фотостимулированной люминесценции. Спектр ОДМР автолокализованных экситонов имеет характерную разрешенную структуру.

На Рис. 4 представлен спектр ОДМР, зарегистрированный по послесвечению кристалла

РЭ!.

ТА .¿г ИХ 1

I \ "—

3

200

300 400 500 600 Длина волны (нм) Рис. 3. Спектры фотолюминесцении (РЬ), туннельного послесвечения (ТА) и фотостимулированной люминесценции СвВгЕи. На том же рисунке приводятся Симу- С^М в СвВпЕи и СэВиРЬ, зарегистрированные при 77 1С после рентгеновско-лированные сигналы ОДМР Р - центров и Ук - го облучения при 77 К.

центров для ориентации кристалла [100] || В с использованием известных параметров

спектров ЭПР для ¥ - центров и Ук - центров в кристалле СвВг [14,15]. Видно, что си-

мулированные спектры близки к экспериментально наблюдаемым. Аналогичные спектры наблюдаются в кристалле СвВпРЬ. Регистрация сигналов ЭПР рекомбинирующих в матрице Р - и Ук - центров по интенсивности излучения нанокристаллов, встроенных в решетку матрицы, однозначно свидетельствует о том, что это излучение возбуждается рекомбинационными процессами в матрице.

На Рис. 5 показана зависимость сигнала МЦД Р-центров в кристалле СбВпЕц от магнитного поля в присутствии постоянного СВЧ излучения на частоте 35 ГГц, зарегистрированная на длине волны 650 нм. Наряду с линией ОДМР Р-центров в спектре присутствуют сигналы ЭПР Ей21. Факт наблюдения запрещенных переходов ДМ% = ±2, ±3, ±4 Ей21 подтверждает, что наблюдаемые сигналы принадлежат изолированным центрам Ей21.

о

е

3

г

с;

1.0 1.2 1.4

Магнитное поле (Тл)

Рис. 4.Сигнал ОДМР на частоте 35 ГГц при 2 К, зарегистрированный по туннельному послесвечению кристалла СйВгЕи. Ниже показаны симулированные спектры ОДМР Р -центров и УК - центров в СйВг для ориентации кристалла в магнитном поле В || [100].

Наблюдение ЭПР Ей2' в кристалле СбВпЕц при регистрации МЦД в поглощении Р-центров, возможное благодаря эффектам кросс-релаксации, говорит о том, что наведенные рентгеновским облучением Р-центры и ионы Ей21 пространственно коррелиро-ваны. Важным является тот факт, что возможность регистрации ЭПР Ей2' по МЦД Р-центров не зависит от того, были ли кристаллы закалены. Таким образом, пространственно скоррелированные электронные и дырочные центры рекомбинируют вблизи изолированного иона Ей2'. Как следует из ЭПР исследований, концентрация изолирован-

0 0.5 1.0 1.5 2.0 Магнитное поле (Тл)

Рис. 5. 35.2 ГГц ОДМР, зарегистрированный при 2 К по МЦД Р-центров (длина волны 650 нм) в кристалле CsBr.Hu после рентгеновского облучения при комнатной температуре. В верхней части показаны симулированные сигналы ОДМР Еи2> и р-центров (8= 1.958).

ных ионов Ей2* существенно увеличивается в результате закаливания. Поскольку фото-стимулированная люминесценция возбуждается в нанокластерах, связанных с Ей, то должен существовать механизм передачи энергии от индивидуальных ионов Ей2' к на-нокластерам.

В пятой главе представлены результаты исследования двух типов наноструктур на основе полумагнитных полупроводников АгВ«: квантовых точек и субмонослойных квантовых ям СУ(Мп)8е/2п5е. Внедрение атомов Мп в полупроводниковые соединения АгВб изменяет их оптические и магнитные свойства из-за наличия обменного взаимодействия магнитного момента 3</ электронов локализованного Мп21 и электронами эр3 связи. На вставке Рис. 6 показаны спектры фотолюминесценции экситонов в квантовых точках Сё(Мп)Зе/7п8е в нулевом магнитном поле и в поле 2 Тл зарегистрированные в геометрии Фарадея при температуре 2 К. В магнитном поле происходит смещение полосы экситонной люминесценции в сторону меньших энергий из-за эффекта гигантского спинового расщепления зон [16]. Увеличение ее интенсивности было объяснено спин-зависимой Оже рекомбинацией экситонов с одновременным возбуждением иона Мп из основного состояния в нижнее возбужденное [17]. Под действием СВЧ излучения с частотой 35.2 ГГц наблюдается ослабление экситонной люминесценции.

Нами была обнаружена анизотропия спектров ОДМР ионов марганца в квантовых точках и субмонослойных квантовых ямах Сс1Мп8еЖп8е. На Рис. 6. показаны спектры ОДМР зарегистрированные по изменению интенсивности экситонной

-1<2«+1/2 __ -5Д*т-Э<2

1.1 1.2 1.3 1.4

Магнитное попе (Тл) Рис. 6. Спектры люминесценции квантовых точек С(1Мп8е/2п8е при В = 0 и В = 2 Т (вставка). Спектры ОДМР (35.2 ГГц), зарегистрированные по интенсивности люминесценции при различных ориен-тациях магнитного поля и спектры ЭПР Мп2* , симулированные с учетом фактора Больцмана.Т = 2 К

люминесценции квантовых точек при различных ориентациях магнитного поля относительно оси роста [001]. ¿»-фактор ионов Мп21 изотропен и не может быть причиной столь явной анизотропии сигнала ОДМР.

Была предложена модель, объясняющая анизотропию спектров ОДМР наличием тонкой структуры с аксиальной симметрией. Согласно этой модели из-за значительного фактора Больцмана при 2 К и полях, соответствующих частоте 35 ГГц преимуществен-

5 3

но населены нижние магнитные подуровни Ms = --,—-, и в спектре ОДМР доминируют переходы Ms = — j «-> Aís = — | и Ms = -Ms — — i, как это показано на рис. 6, на котором приведены спектры, рассчитанные с помощью программы R-spectr [18] с учетом фактора Больцмана с параметром тонкой структуры D ~ 200 • Ю-4 см-1. Для субмонослойных квантовых ям D «SO - 10~4 см-1. Сделан вывод, что тонкая структура Мп2' в квантовых точках и квантовых ямах Cd(Mn)Se/ZnSe обусловлена пониженной размерностью этих структур.

В субмонослойных квантовых ямах Cd(Mn)Se/ZnSe при ЭПР ионов Мп21 наблюдалось резкое снижение интенсивности экситонной люминесценции с одновременным увеличением интенсивности фотолюминесценции, , связанной с внутрицентровыми 4Г| <-»6/) переходами Мп2'. Это свидетельствует о существовании спин-зависимого переноса энергии от экситона к ионам Мп2'.

В заключении представлены основные результаты диссертационной работы:

1. Впервые обнаружено длительное послесвечение в возбужденных светом квантовых точках ZnO, обусловленное спин-зависимой туннельной рекомбинацией электронных и дырочных центров (мелких доноров и глубоких акцепторов). Наблюдалось значительное увеличение интенсивности послесвечения при изменении ориентации спинов рекомбинирующих центров в условиях электронного парамагнитного резонанса, позволившее произвести их идентификацию. Показано, что в спектрах фотолюминесценции нанокристаллов ZnO доминирует излучение обменно-связанных донорно-акцепторных пар.

2. Предложен способ оценки размеров нанокристаллов по спектрам ОДМР, зарегистрированным по послесвечению Продемонстрирована возможность регистрации ОДМР в системах диспергированных нанокристаллах ZnO, что было невозможно сделать традиционным методом. Данный метод является весьма перспективным для изучения материалов и структур для фотовольтаики, в которых коллоидные нанок-

ристаллы ЪпО применяются в сочетании с полимерными органическими соединениями.

3. Рекомбинационные процессы, приводящие к туннельному послесвечению и фото-стимулированной люминесценции в системах, перспективных в качестве рентгеновских запоминающих фосфоров, были изучены методами люминесценции, ЭПР и ОДМР. Рекомбинирующие центры были идентифицированы методом ОДМР, регистрируемого по туннельному послесвечению, фотостимулированной люминесценции, в том числе по люминесценции наночастиц. Данные системы представляют собой примесные ионные кристаллы, в которых могут образовываться самоорганизованные наноструктуры.

4. В кристаллах СвВгЕи и СбВгРЬ, подвергнутых рентгеновскому облучению, был обнаружен, направленный перенос энергии спин-зависимой рекомбинации электронно-дырочных пар и автолокализованных экситонов в объемном ионном кристалле (матрице) к внедренным в матрицу в результате самоорганизованного роста низкоразмерным структурам, т.е. нанокристаллам СяРЬВгз в кристалле СвВпРЬ и на-нокластерам европия в системе СйВпЕи. Сделано предположение о существовании механизма передачи энергии от индивидуальных ионов Ей21 к нанокластерам Ей..

5. В самоорганизованных квантовых точках С(1(Мп)8е/7п8е ЭПР и в субмонослойных квантовых ямах С(1(Мп)8е/2п8е методом ОДМР обнаружена тонкая структура изолированных ионов Мп2к, возникающая вследствие пониженной размерности системы.

6. В субмонослойных квантовых ямах С(1(Мп)8е/7п8е ЭПР марганца регистрировался как по экситонной люминесценции квантовой ямы, так и по внутрицентровой люминесценции марганца. Был обнаружен спин-зависимый перенос энергии возбуждения от экситона к ионам Мп2'.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. П. Г. Баранов, Н. Г. Романов, А. Г. Бадалян, Д. О. Толмачев, В. Л. Преображенский. Обнаружение направленного переноса энергии электронно-дырочной рекомбинации от ионной кристаллической матрицы к самоорганизованным нанокристаллам. // Письма в ЖЭТФ, 2005, т. 82, вып. 11, с. 822-826

2. Баранов П.Г., Романов Н.Г., Толмачев Д.О., Мелло Донега Ц., Маеринк А., Орлин-ский С.Б., Шмидт Я. Гигантское изменение интенсивности туннельного послесвечения в возбужденных квантовых точках ХпО, индуцированное переориентацией

16

спинов электронно-дырочных пар в статическом и микроволновом магнитных полях. // Письма в ЖЭТФ, 2006, т. 84, вып. 7, с. 474-478

3. N. G. Romanov, A. G. Badalyan, D. О. Tolmachev, V. L. Preobrazhenski and P. G. Baranov, K. Nitsch, K. Polak and J. Rosa. Recombination processes in systems based on ionic crystals with embedded self-organized nanocrystalsM International Journal of Nanoscience 6, №. 5 (2007) p. 311-314

4. P. G. Baranov, N. G. Romanov, D. O. Tolmachev, R. A. Babunts, B. R. Namozov, Yu. G. Kusrayev, I. V. Sedova, S. V. Sorokin, S. V. Ivanov. Evidence of Mn2' fine structure in CdMnSe/ZnSe quantum dots caused by their low dimensionality!! Письма в ЖЭТФ, 2008, т. 88, вып. 9, с. 724-728

5. П.Г. Баранов, А.Г. Бадалян, Г.Р. Асатрян, И.В. Ильин, Н.Г. Романов, Р.А. Бабунц, Д.О. Толмачев, А.П. Бундакова, А.А. Солтамова, В.А. Солтамов // Утвержденный отчет по этапу Государственного Контракта № 02.513.12.3031 "Разработка методов высокочастотной радиоспектроскопии в 3 мм диапазоне (94-96 ГГц) с оптически детектируемым сигналом магнитного резонанса (ОДМР), регистрацией электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и разработка устройства для исследования и диагностики наноструктур на молекулярном уровне", 2008, 65 С.

6. Р. А. Бабунц, Н. Г. Романов, Д. О. Толмачев, А. Г. Бадалян, В. А. Храмцов, П. Г. Баранов, D. Rauh, V. Dyakonov. Идентификация рекомбинирующих центров в широкозонных кристаллах и наноструктурах на их основе по спин-зависимому туннельному послесвечению // Физика твердого тела, 2009, т. 51, вып. 12, с. 2296

7. N. G. Romanov, D.O. Tolmachev, A. G. Badalyan, R. A. Babunts, P. G. Baranov, V. V. Dyakonov. Spin-dependent recombination of defects in bulk ZnO crystals and ZnO nanocrystals as studied by optically detected magnetic resonance //Physica В 404, p. 4783-4786 (2009).

8. D. O. Tolmachev, R. A. Babunts, N. G. Romanov, P. G. Baranov, B. R. Namozov, Yu. G. Kusrayev, S. Lee, M. Dobrowolska, and J. K. Furdyna. Optically detected magnetic resonance in CdMnSe/ZnSe submonolayer quantum wells II Phys. Status Solidi В 247, No. 6, p. 1511-1513(2010)

9. D О Tolmachev, A G Badalyan, R A Babunts, V A Khramtsov, N G Romanov, P G Baranov and V V Dyakonov. Recombination processes in systems based on doped ionic crystals with impurity-related nanostructures.il J. Phys.: Condens. Matter 22 (2010) p. 295306.

10. N.G. Romanov, A.G. Badalyan, D.O. Tolmachev, V.L. Preobrazhenski, P.G. Baranov. Recombination processes in systems based on ionic crystals with embedded self-organized nanocrystals. II Proceedings of 13th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology, St Petersburg, Russia, June 20-25, 2005, p. 22-23

11. Д.О.Толмачев, Н.Г.Романов, П.Г.Баранов, С.Г.Конников. Исследования спин-зависимых рекомбинационных процессов в системах с квантовыми точками методом оптической регистрации ЭПР по послесвечению II Тезисы X Международной Научной Молодежной Школы «Актуальные проблемы магнитного резонанса и его применений», Казань, 31 октября — 3 ноября 2006 г., с. 101-104

12. N. G. Romanov, P. G. Baranov, D. О. Tolmachev, С. de Mello Donega, A. Meijerink, S. В. Orlinskii, and J. Schmidt. ODMR investigation of tunneling recombination processes in ZnO nanocrystals //Proceedings of 15th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" Novosibirsk, Russia, June 25-29, 2007, p. 265-266

13.Д.О. Толмачев, Н.Г. Романов, С. Г. Конников, П.Г. Баранов. Регистрация магнитного резонанса по туннельному послесвечению нанокристаллов ZnO II Тезисы VIII Российской конференции по физике полупроводников, "Полупроводники-2007", г.Екатеринбург, 30 сентября - 5 октября 2007, с. 319

14. P.G.Baranov, D.O.Tolmachev, N.G.Romanov, D.Rauh, V.Lorrmann, V.Dyakonov, S.B.Orlinskii, J.Schmidt. Radiospectroscopy of Al doped ZnO nanocrystals II Proceedings of Magnetic Resonance Conference "Euromar-2008" St. Petersburg, Russia July 6-11, 2008, p. 22

15. N.G.Romanov, D.O.Tolmachev, A.G.Badalyan, R.A.Babunts, P.G.Baranov. Optically detected magnetic resonance in systems with semiconductor nanocrystals. II Proceedings of Magnetic Resonance Conference "Euromar-2008" St. Petersburg, Russia July 6-11, 2008, p. 201

16. N.G.Romanov, D.O.Tolmachev, P.G.Baranov, R.A.Babunts, B.R.Namozov, Yu.G.Kusrayev, I.V.Sedova, S.V.Sorokin, and S.V.Ivanov. Evidence of Mn2i fine structure in CdMnSe/ZnSe quantum dots caused by their low dimensionality // Proceedings of 16th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" Vladivostok, Russia, July 1519, 2008, p. 191-192

17. N.G. Romanov, D. O. Tolmachev, P. G. Baranov, R. A. Babunts, B.R. Namozov, Yu.G. Kusrayev and J. K. Furdyna. Spin-dependent phenomena in CdMnSe/ZnSe nanostructures as studied by optically detected magnetic resonance И Proceedings of 17th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology". Minsk, Belarus, June 22-26, 2009, p. 314-315

18. D. О. Tolmachev, N.G. Romanov, P. G. Baranov, R. A. Babunts. Evidence of Mn2' fine structure in CdMnSe/ZnSe quantum dots and quantum wells. // Proceedings of XII International Young Scientists School «Actual problems of Magnetic Resonance and its Applications», Kazan, Russia, 5-9 October 2009, p. 95-98

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 А. Абрагам, Б. Блини. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. Мир, Москва, 1973.

2 Дж. Вертц, Дж. Болтон. Теория и практические приложения метода ЭПР. Мир, Москва, 1975.

3 B.C.Cavenett. Adv. Phys., 4 (1981), 475-538.

4 P. G. Baranov, N. G. Romanov. Appl. Magn. Reson., 21 (2001), 165-193. and references therein.

5 G. N. Panin, T. W. Kang, A. N. Aleshin, A. N. Baranov, Y.-J. Oh and I. A. Khotina. Appl. Phys. Lett. , 86 (2005), 113114.

6 W. J. E. Beek, M. M. Wienk and R. A. J. Janssen. Adv. Funct. Mater. , 16 (2006).

7 S. B. Orlinskii, J. Schmidt, P.G. Baranov, D.M. Hofmann, C. de Mello Donega, and A. Meijerink. Phys. Rev. Lett., 92 (2004), 047603.

8 S. B. Orlinskii, J. Schmidt, E.J.J. Groenen, P.G. Baranov, C. de Mello Donega, and A. Meijerink. Phys. Rev. Lett., 94 (2005), 097602.

9 S. B. Orlinskii, II. Blok, J. Schmidt, P.G. Baranov, C. de Donega, and A. Meijerink. Phys. Rev. В, 74 (2006), 045204.

10 Sweizer, S. Phys. slat. sol. (a), 187 (2001), 335.

11 P. Hackenschmied, G. Schierning, M. Batentschuk, A. Winnacker. J. Appl. Phys., 93 (2003), 5109.

12 Furdyna, J. K. J. Appl. Phys., 64 (1988), R29.

13 A. V. Komarov, S. M. Ryabchenko, О. V. Terletskii, I. I.Zheru, and R. D. Ivanchuk. Sov.Phys. JETP, 46 (1977), 318.

14 Y. Urda, T. Fujita, Y. Kazumata. J. Phys. Soc. Japan, 46 (1979), 889.

15 П.Г. Баранов, Ю.П. Вещунов, Н.Г. Романов. ФТТ, 20 (1978), 2622.

16 Yu. G. Kusrayev, В. R. Namozov, I. V. Sedova, and S. V. Ivanov. Phys. Rev. B, 76 (2007), 153307.

17 A. V. Chernenko, P. S. Dorozhkin, V. D. Kulakovskii, A. S. Brichkin, S. V. Ivanov, and A. A. Toropov. Phys. Rev. B, 72 (2005), 045302.

18 Грачев, В.Г. ЖЭТФ, 65 (1987), 1029.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 15.06.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 6394Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Содержание.

Введение.

Основные положения выносимые на защиту.

I. Обзор литературы.

1.1 Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР).

1.2 Исследования коллоидных нанокристаллов.

1.3 Исследование микро- и нанокристаллов, встроенных в кристаллическую матрицу щелочногалоидных кристаллов.

1.4 Исследования разбавленных магнитных полупроводников, на основе полупроводниковых соединений АгВб с примесью Мп.

1.5 Цели работы.

II. Методика эксперимента.

2.1 Приготовление образцов.

2.2 Оптическая регистрация магнитного резонанса.

2.3 Спектрометр ЭПР.

III. Исследования нанокристаллов ZnO, полученных методами коллоидной химии.

3.1 Туннельное рекомбинационное послесвечению в нанокристаллах ZnO.

3.2 Оптическое детектирование магнитного резонанса по туннельному послесвечению нанокристаллов ZnO.

3.3 Обменно связанные донорно-акцепторные пары в нанокристаллах ZnO.

3.4 ОДМР в дисперсных нанокристаллах. Оценка размеров.

IV. Исследование ионных кристаллов с примесными наноструктурами - перспективных материалов для компьютерной радиографии.

4.1 Туннельное рекомбинационное послесвечение и фотостимулированная люминесценция в кристаллах CsBr:Eu и CsBr:Pb.

4.2 Люминесценция нанокристаллов встроенных в матрицу CsBr.

4.3 Излучение автолокализованных экситонов в фотостимулированной люминесценции.

4.4 Закалка кристаллов CsBnEu и CsBr:Pb и образование нанокластеров (нанокристаллов).

4.5 Эффекты кросс-релаксации и пространственные корреляции дефектов.

V. Исследование эпитаксиальные структур с квантовыми ямами и квантовыми точками CdSe/ZnSe:Mn.

5.1 Фотолюминесценция и ОДМР квантовых точек.

5.2 Анизотропия ОДМР и тонкая структура.

5.3 ОДМР в структуре с квантовыми ямами. Перенос энергии.

Настоящая работа посвящена изучению нескольких типов низкоразмерных систем, методами люминесценции, электронного парамагнитного резонанса и оптически детектируемого магнитного резонанса.

В диссертационной работе представлены результаты исследований трех различных типов наноструктур:

1. Коллоидные нанокристаллы ZnO. В работе исследовались свободные квантовые точки (free-standing quantum dots), представляющие собой нанокристаллы ZnO, покрытые одним-двумя монослоями Zn(OH), полученные методами коллоидной химии. Нами исследовались нанокристаллы размерами от 2 до 6 нм.

2. Нанокристаллы и нанокластеры, образующихся в матрице щелочнога-лоидных кристаллов (CsBr, КВг) с двухвалентной примесью (Eu2+,Pb2+) в результате самоорганизованного роста. Такие системы являются перспективными фосфорами для записи рентгеновской информации (Х-гау storage phosphors). В то же время в щелочногалоидных кристаллах с примесью Pb2+, Mn2+, Еи2+ и др., вследствие наличия компенсирующих избыточный заряд катионных вакансий, имеется тенденция к образованию примесных нанокластеров (нанокристаллов или фазы Сузуки) даже при комнатной температуре.

3. Эпитаксиальные полумагнитные структуры с квантовыми ямами и квантовыми точками на основе соединений А2Вб с примесью Мп. В работе исследовались структуры CdSe/ZnSe с примесью Мп с образовавшимися в результате самоорганизованного роста квантовыми точками, и структуры с субмонослойными квантовыми ямами Cd(Mn)Se/ZnSe.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и основанные на ЭПР методы является очень тонким инструмент для изучения малых расщеплений энергетических уровней различных систем под действием внешнего магнитного поля, а также воздействий внутри исследованных систем. Метод ЭПР является основным при определении электронной структуры различных дефектов и возбуждений в полупроводниках.

Однако, вследствие • сравнительно низкой чувствительности традиционного метода ЭПР, исследования систем пониженной размерности этим методом широкого распространения не получили. В низкоразмерных системах количество исследуемых парамагнитных центров значительно ниже, чем в объемных кристаллах тех же размеров, что затрудняет исследование методами традиционной радиоспектроскопии из-за их недостаточной чувствительности.

Оптические методы обладают намного большей чувствительностью и пространственной селективностью, но их разрешение и возможность получить структурную информацию о дефекте на микроскопическом уровне не могут сравниться с методами радиоспектроскопии.

Достоинства ЭПР и оптики удалось совместить в методе двойного микроволново-оптического резонанса - оптически детектируемом магнитном резонансе (ОДМР). Метод ОДМР на сегодняшний день зарекомендовал себя как эффективный инструмент для исследований в области физики полупроводников и твердого тела, позволяющий получить детальную информацию об электронной структуре дефектов и экситонов. Высокая чувствительность, хорошее разрешение и пространственная избирательность позволяют использовать метод ОДМР для изучения дефектов, носителей и экситонов в квантовых ямах, сверхрешетках, квантовых точках и нанокри-сталлах. Метод ОДМР представляет особый интерес для исследования влияния эффектов пространственного ограничения на физические характеристики носителей, экситонов и рекомбинационных процессов.

Основные положения выносимые на защиту

В оптически возбужденных нанокристаллах ZnO наблюдается спин-зависимая рекомбинация электронных и дырочных центров, приводящая к длительному послесвечению . В Туннельном послесвечении, участвуют мелкие доноры и глубокие акцепторы трех типов: атомы лития, замещающих атомы цинка LiZn , вакансии цинка VZn; и глубокие акцепторы, связанных с натрием, расположенные вблизи интерфейса.

В спектре фотолюминесценции нанокристаллов ZnO, преобладает излучение обменно-связанных донорно-акцепторных пар.

Метод оптического детектирования магнитного резонанса может быть применен для диагностики размеров нанокристаллов в системе дисперсных нанокристаллов ZnO, к которой традиционный метод ЭПР не применим.

В спектрах послесвечения и фотостимулированной люминесценции кристаллов CsBr:Eu и CsBr:Pb присутствует люминесценция наноструктур (нанокластеров европия в системе CsBr:Eu и нанокристаллов CsPbBr3 в кристалле CsBr:Pb).

В спектрах туннельного послесвечения излучение нанокластеров европия в кристаллах CsBr:Eu и нанокристаллов СбРЬВгз в CsBr:Pb возбуждается за счёт рекомбинации F-VK центров в матрице CsBr. Имеет место пространственная корреляция Еи2+ и дефектов, создаваемых рентгеновским излучением

В квантовых точках и субмонослойных квантовых ямах CdMnSe/ZnSe наблюдается анизотропия спектров ОДМР марганца, связанная с появлением расщепления тонкой структуры одиночных ионов марганца из-за пониженной размерности структуры.

В квантовых ямах Cd(Mn)Se/ZnSe происходит передача энергии возбуждения от экситонов в квантовой яме к центрам Мп . ч

I. Обзор литературы

VI. Заключение

1. Впервые обнаружено длительное послесвечение в возбужденных светом квантовых точках ZnO, обусловленное спин-зависимой туннельной рекомбинацией электронных и дырочных центров. Наблюдалось значительное увеличение интенсивности послесвечения при изменении ориентации спинов электронных и дырочных центров в условиях электронного парамагнитного резонанса, позволившее произвести идентификацию этих центров. Предложен способ оценки размеров нанокристаллов по спектрам ОДМР.

2. Продемонстрирована возможность регистрации ОДМР в диспергированных нанокристаллах ZnO, что было невозможно сделать традиционным методом ЭПР — до этого магнитный резонанс регистрировался только образцах, представляющих собой сухой порошок. Данный метод является весьма перспективным для изучения материалов и структур для фотовольтаики, в которых коллоидные нанокристаллы ZnO применяются в сочетании с полимерными органическими соединениями.

3. Рекомбинационные процессы приводящие к туннельному послесвечению и фотостимулированной люминесценции в системах перспективных в качестве рентгеновских запоминающих фосфоров (X-ray storage phosphors) были изучены методами люминесценции, ЭПР и ОДМР. Данные системы представляют собой примесные ионные кристаллы, в которых могут образовываться самоорганизованные наноструктуры.

4. В кристаллах CsBr:Eu и CsBriPb, подвергнутых рентгеновскому облучению, был обнаружен, направленный перенос энергии спин-зависимой рекомбинации электронно-дырочных пар и автолокализованных экситонов в объемном ионном кристалле (матрице) к внедренным в матрицу в результате самоорганизованного роста низкоразмерным структурам, т.е. нанокристаллам CsPbBr3 в кристалле CsBr:Pb и нанокластерам европия в системе CsBr:Eu. Сделано предположение о существовании механизма передачи энергии от индивидуальных ионов Ей к нанокластерам Ей. Рекомбинирующие центры были идентифицированы методом ОДМР, регистрируемого по туннельному послесвечению, фотостимулированной люминесценции, в том числе по люминесценции наночастиц.

5. В самоорганизованных квантовых точках Cd(Mn)Se/ZnSe ЭПР и в суб-монослойных квантовых ямах Cd(Mn)Se/ZnSe методом ОДМР обнаружена тонкая структура изолированных ионов Мп2+, возникающая в следствие пониженной размерности системы.

6. В субмонослойных квантовых ямах Cd(Mn)Se/ZnSe ЭПР марганца регистрировался как по экситонной люминесценции квантовой ямы, так и по внутрицентровой люминесценции марганца. Был обнаружен спин-зависимый перенос энергии возбуждения от экситона к ионам Мп .

1. А. Абрагам, Б. Блини. Электронный парамагнитный резонанспереходных ионов. Мир, Москва, 1973.

2. Дж. Вертц, Дж. Болтон. Теория и практические приложения метода1. ЭПР. Мир, Москва, 1975.

3. B.C.Cavenett. Adv. Phys., 4 (1981), 475-538.

4. P. G. Baranov, N. G. Romanov. Appl. Magn. Reson., 21 (2001), 165-193. andreferences therein.

5. F.Bitter, J. Brossel. Phys.Rev., 86 (1952), 308.

6. Geschwind, S., ed. Electron paramagnetic resonance. Chap. 5. Plenum1. Press, New York, 1972.

7. П.Г. Баранов, Н.Г.Романов. Физика Твердого Тела, 41, 56 (1999), 805807.

8. S. В. Orlinskii, J. Schmidt, P.G. Baranov, D.M. Hofmann, C. de Mello

9. Donega, and A. Meijerink. Phys. Rev. Lett., 92 (2004), 047603.

10. П.Г. Баранов, Н.Г.Романов, И.В.Машков, Г.Б.Хитрова, Х.М.Гиббс,

11. О.Лунгрес. Физика Твердого Тела, 37, 10 (1995), 2991-3004.10N. G. Romanov, A. G. Badalyan, D. О. Tolmachev, V. L. Preobrazhenski, P. G. Baranov, К. Nitsch, К. Polak, J. Rosa. Int. J. Nanoscience, 6, 5 (2007), 311-314.

12. P. G. Baranov, N.G. Romanov, D.O. Tolmachev, R.A. Babunts, B.R. Namozov, Yu.G. Kusrayev, I.V. Sedova, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov. JETP Letters, 88, 9 (2008), 724-728.

13. S. B. Orlinskii, J. Schmidt, P.G. Baranov, V. Lorrmann, D. Rauh, I. Riedel,

14. V. Dyakonov. Phys. Rev. B, 77 (2007), 115334.

15. G. N. Panin, T. W. Kang, A. N. Aleshin, A. N. Baranov, Y.-J. Oh and I. A.

16. Khotina. Appl. Phys. Lett. , 86 (2005), 113114.

17. W. J. E. Веек, M. M. Wienk and R. A. J. Janssen. Adv. Funct. Mater. , 162006).

18. M. Pientka, V. Dyakonov, D. Meissner, A. Rogach, D. Talapin, H. Weller, L.1.tsen, and D. Vanderzande. Nanotechnology, 15 (2004).

19. W. U. Huynh, J. J. Dittmer, and A. P. Alivisatos. Science, 295 (2002), 2425.

20. S. B. Orlinskii, J. Schmidt, E.J.J. Groenen, P.G. Baranov, C. de Mello

21. Donega, and A. Meijerink. Phys. Rev. Lett., 94 (2005), 097602.

22. S. B. Orlinskii, H. Blok, J. Schmidt, P.G. Baranov, C. de Donega, and A.

23. Meijerink. Phys. Rev. B, 74 (2006), 045204.

24. O. F. Schirmer, and D. Zwingel. Solid State Commun., 8 (1970), 1559.

25. A.L. Taylor, G. Filipovich and G.K. Lindeberg. Solid State Communications,8 (1970), 1359.21D. Bimberg, M. Grundmann and N.N. Ledentsov. Quantum Dot Heterostructures. John Wiley and Sons Ltd., Chichester, 1998.

26. P. Hackenschmied, G. Schierning, M. Batentschuk, A. Winnacker. J. Appl.1. Phys., 93 (2003), 5109.

27. H. Vogelsang, O. Husberg, U. Kohler, W. von der Osten and A.P. Marchetti.

28. Phys. Rev. B, 61 (2000), 1847.

29. M. Haselhoff, and H.-J. Weber. Phys. Rev. B, 58 (1998), 5052.25П.Г. Баранов, Н.Г. Романов, B.JI. Преображенский, B.A. Храмцов. Письма вЖЭТФ, 76 (2002), 465.

30. М. Nikl, К. Nitsch, К. Polak, et al. Phys. Rev. B, 51 (1995), 5192.

31. M. Nikl, K. Nitsch, K. Polak et al. J. Luminescence, 12-1A (1997), 377.

32. Suzuki, K. J. Phys. Soc. Jpn., 16 (1961), 67.

33. Sweizer, S. Phys. stat. sol. (a), 187 (2001), 335.

34. A. P. Marchetti, K. P. Johansson, G. L. McLendon. Phys. Rev. B, 47/81993), 4268.

35. А. Волошиновский, С. Мягкота, А. Глосковский, С. Зазубович. ФТТ, 432001), 1808.

36. Мягкота, С. В. Оптика и спектроскопия, 87 (1999), 311-315.

37. Зоренко Ю. В., Турчак Р. М., Констанкевич И. В. ФТТ, 46, 7 (2004). 34Furdyna, J. К. J. Appl. Phys., 64 (1988), R29.

38. A. V. Komarov, S. M. Ryabchenko, О. V. Terletskii, I. I.Zheru, and R. D.1.anchuk. Sov.Phys. JETP, 46 (1977), 318.

39. T. Wojtovich, M. Kutrowski, G. Karczewski, J. Kossut, F. J.Teran, and M.

40. Potemski. Phys. Rev. B, 59 (1999), R10437.

41. S. J. С. H. M. van Gisbergen, M. Godlewski, R. R. Galazka,

42. T.Gregorkowicz, C. A. J. Ammerlaan, and N. T. Khoi. Phys. Rev. B, 48 (1993), 11767.38Abragam, A and Bleaney, B. Electron Paramagnetic Resonance of Transition Ions. Oxford University Press, Oxford, 1970.

43. Meulenkamp, E. A. J. Phys. Chem. B, 102 (1998), 5566-5572.

44. A. V. Chernenko, P. S. Dorozhkin, V. D. Kulakovskii, A. S. Brichkin, S. V.1.anov, and A. A. Toropov. Phys. Rev. B, 72 (2005), 045302.

45. P. R. Kratzert, J. Puis, M. Rabe, and Hennenberger. Appl. Phys. Lett., 192001), 2814.

46. C.J. Delbecq, Y. Toyozawa, and P.H. Yuster. Phys. Rev. B, 9 (1974), 4497.

47. P. G. Baranov, Yu. P. Veshchunov, and N. G. Romanov. Sov. Phys.- Solid1. State, 22 (1980), 2186.

48. N. G. Romanov, V.A. Vetrov, and P.G. Baranov. JETP Lett., 37 (1983), 386.

49. Y. Urda, T. Fujita, Y. Kazumata. J. Phys. Soc. Japan, 46 (1979), 889.

50. П.Г. Баранов, Ю.П. Вещунов, Н.Г. Романов. ФТТ, 20 (1978), 2622. 47П.Г. Баранов, В.А. Ветров, Н.Г. Романов. ФТТ, 25 (1983), 1364.

51. Т. Kawazoe, К. Kobayashi, М. Ohtsu. Appl. Phys. Lett., 86 (2005), 103102. and references therein.49I.P. Pashuk, N.S. Pidzyrailo, M.G. Matsko. Sov. Phys.-Solid State, 23 (1981), 1263.

52. W, Hayes. Semiconductors and Insulators, 3 (1978), 121.

53. P. G. Baranov, V. A. Vetrov, and N. G. Romanov. Sov. Phys. Solid State, 251983).52Savel'ev V P, Avdonin V P, Dugarova L G, Nedashkovskii A P and

54. Plachenov В Т. Sov. Phys. Solid State (1974), 700. 53 W van Puymbroeck, D Schoemaker. Phys. Rev. B, 23 (1981), 1670.54Rliter H H, von Seggem H, Reininger R and Saile V. Phys. Rev. Lett., 65 (1990), 2438.

55. Koschnick F K, Spaeth J-M, Eachus R S, McDugle W G, and Nuttall R H D.

56. Phys. Rev. Lett. , 67 (1991), 3571.

57. Zorenko Yu V, Turchak R M, Konstankevich I V. Functional Materials , 4 (2004), 707.

58. V. G. Abramishvili, A. M. Komarov, S. M. Ryabchenko, and Yu. G.

59. Semenov. Solid State Commun, 78 (1991), 1069.

60. M. Nawroski, Yu.G. Rubo, J.P. Lascaray, and D. Coquillat. Phys. Rev. B, 521995), R2241.59Title, R. S.Phys. Rev., 131 (1963), 2503.

61. Hausmann, A. Solid State Communications, 6 (1968), 457.

62. S. B. Orlinskii, P. G. Baranov, and J. Schmidt.

63. Грачев, В .Г. ЖЭТФ, 65 (1987), 1029.

64. Y. Leger, L. Besombes, L. Maingault, D. Ferrand, and H. Mariette. Phys.

65. Rev. Lett., 95 (2005), 047403.

66. Yu. G. Kusrayev, B. R. Namozov, I. V. Sedova, and S. V. Ivanov. Phys. Rev.1. В, 76 (2007), 153307.

67. Watkins, G. D. Phys. Rev., 113 (1959), 79.

68. P. G. Baranov, V. S. Vikhnin, N. G. Romanov, and V. A. Khramtsov. JETP1.tters, 72 (2000), 329.

69. P. G. Baranov, Yu. P. Veshchunov, R. A. Zhitnikov, N. G. Romanov and Yu.

70. G. Shreter. JETP Letters, 26 (1977), 249.

71. П.Г. Баранов, Ю.П. Вещунов, Н.Г. Романов. ФТТ, 22 (1980), 3732.69Н.Г. Романов, В.А. Ветров, П.Г. Баранов. Письма в ЖЭТФ, 37 (1983), 325.

72. Yu, II and Senna, Mamoru. Appl. Phys. Lett., 66 , 4 (1995), 424.

73. P. G. Baranov, N. G. Romanov, V. S. Vikhnin, V. A. Khramtsov. J.

74. Phys. :Condens. Matter, 13 (2001), 2651-2669.

75. Список публикаций по теме диссертации

76. Баранов П.Г., Романов Н.Г., Толмачев Д.О., Мелло Донега Ц., Маеринк

77. P. G. Baranov, N. G. Romanov, D. O. Tolmachev, R. A. Babunts,

78. B. R. Namozov, Yu. G. Kusrayev, I. V. Sedova, S. V. Sorokin, S. V. Ivanov. Evidence of Mn fine structure in CdMnSe/ZnSe quantum dots caused by their low dimensionality!/ Письма в ЖЭТФ, 2008, т. 88, вып. 9, с. 724-728

79. D О Tolmachev, A G Badalyan, R A Babunts, V A Khramtsov, N G Romanov, P G Baranov and V V Dyakonov. Recombination processes in systems based on doped ionic crystals with impurity-related nanostructures.il J. Phys.: Condens. Matter 22 (2010) p. 295306.

80. N.G.Romanov, D.O.Tolmachev, P.G.Baranov, R.A.Babunts, B.R.Namozov,94