Оптические свойства твердотельных наноструктур и автоматизация спектроскопических измерений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Б. И. СТЕПАНОВА

^ УДК 621.373

Г 5 ДЕК 193В

ГЕРМАНЕНКО Игорь Николаевич

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУР И АВТОМАТИЗАЦИЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

01.04.05 -оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск 1996

Работа выполнена в Институте физики им. Б. И. Степанова Академии наук Беларуси

Научные руководители:

Член-корреспондент АНБ

доктор физико-математических наук

лауреат Государственной премии БССР

профессор В. П. Грибковский

Кандидат физико-математических наук

ведущий научный сотрудник С. В. Гаионснко

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук профессор Орлович В. А. (ИФ АНБ) кандидат физ.-мат. наук вед. н. с. Тихомиров С. А (ИМАФ АНБ)

Оппонирующая организация Институт физики твердого тела и полупроводников Академии наук Беларуси

Защита состоится ¿^Я&^^ЬэуэЪЬ года в & на заседании совета по защите диссертаций Д 01.05.01 в Институте физики им. Б. И. Степанова Академии наук Беларуси по адресу: 220072 Минск, пр. Ф. Скорины 70. С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института физики АН Беларуси.

Автореферат разослан 1996 года.

Ученый секретарь совета докгор физ.-мат. паук

профессор —Г" А. А. Афанасьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исторически первой публикацией по физике квазинульмерных твердотельных структур была работа X. Фрелиха, в которой были предсказаны термодинамические свойства малых металлических частиц, обусловленные дискретностью энергетического спектра электронов. Однако начало систематического изучения квазинульмерных полупроводниковых структур началось спустя почти пятьдесят лет и связано с работами В. А. Цехомского, А. И. Екимова и А. А. Онущенко, в которых было впервые продемонстрировано смещение экситонных полос кристаллитов СиС1 в стекле при изменении их размера, а также с работой А. Л. и Ал. Л. Эфросов, в которой было предложено теоретическое описание этого эффекта в рамках модели "частица в потенциальном ящике". С тех пор до настоящего времени по этой тематике опубликовано более тысячи экспериментальных и теоретических работ.

Современная технология позволяет создавать кристаллические структуры, размер которых в одном, двух или трех направлениях сопоставим с дебройлевской длиной волны электрона и дырки или с воровским радиусом экситона. К числу таких объектов и относятся наноструктуры пористого кремния, нанокристаллиты полупроводниковых соединений, введенные в твердую матрицу, а также молекулы красителя в пористом стекле. Движение элементарных электронных возбуждений в таких структурах происходит, соответственно, в двумерном (квантовый слой), одномерном (квантовая проволока) или нульмерном (квантовая капля) пространстве. В отличие от структур, ограшгченных в одном или двух направлениях, в квантовых каплях отсутствуют коллективные процессы в электронной подсистеме полупроводника и, следовательно, невозможно применять теорию, основанную на представлениях о газе квазичастиц.

Поскольку в течение длительного времени считалось, что свойства вещества определяются только составом и агрегатным состоянием, весьма актуальным представляется изучение того, как изменяются свойств а наноструктур с изменением характерного размера. Это позволяет

проследить за эволюцией свойств вещества при переходе от отдельных атомов к кристаллу и установить фундаментальные закономерности атомно-молекулярной физики и физики твердого тела. С другой стороны, большое число элементарных возбуждений в пересчете на единицу объема позволяет рассматривать наноструктуры как хороший объект для изучения нелинейных оптических эффектов, не имеющих аналогов среди кристаллических сред.

Наряду с обратимыми эффектами при лазерном возбуждении в квазинульмерных структурах происходят необратимые процессы, имеющие фотохимическую природу. Вследствие большого количества поверхностных атомов, а также из-за большого количества нарушенных химических связей на границе матрица-кристаллит, вероятность фотостамули-рованных химических реакций в квазинульмерных структурах значительно выше, чем в других структурах пониженной размерности. Таким образом, одним из основных препятствий на пути к практическому применению материалов на основе наноструктур может оказаться фотодеградация их оптических свойств. С другой стороны, изучение фотодеградации методами лазерной спектроскопии может дать дополнительную информацию о механизме люминесценции.

Очевидные трудности, возникающие при исследовании кристаллитов размером в несколько нанометров электрическими методами, делают эти методы малоэффективными. Поэтому, изучение электронных процессов в квантовых каплях и структурах пониженной размерности в настоящее время базируются, в основном, на методах лазерной спектроскопии. Метод селективной лазерной спектроскопии, применимый ко всем классам наноструктур даже при отсутствии коллективных процессов в электронной подсистеме, в отличие от электрических методов является пока единственным, позволяющим сравнить свойства наноструктур разных классов между собой, но требует разработки нового экспериментального оборудования на базе новейших многоканальных фоточувствительных приборов. Многоканалыюсть регистрирующей аппаратуры, повышающая скорость информационного потока и объем получаемых данных в тысячи раз, оказывается таким же важным требованием, как и её высокая линейность и чувствительность, особенно при изучении нелинейных быстропротскающих оптических процессов.

Связь работы с научными программами и темами. Отдельные этапы работы выполнялись в рамках различных программ и проектов:

♦ Республиканская комплексная программа "Разработка проблем лазерной оптики и распространения света в средах", 1986 -1990 гг. (тема "Оптика 2.20");

♦ Республиканская комплексная программа "Разработка проблем генерации, взаимодействия с веществом и использования лазерного излучения", 1991 - 1995 гг. (тема "Лазер 3.03");

♦ Государственная научно-техническая программа СССР "Перспективные информационные технологии", 1988 - 1990 гг. (тема "Оптима 1.09");

♦ Проект Фонда фундаментальных исследований РБ "Оптические процессы в квантовых каплях", 1992 - 1994 гг.;

♦ Проект Международного научного фонда "Экситои-экситонные взаимодействия в квантовых точках", 1994 - 1995 гг.

Цель и задачи исследования. Целью работы является установление основных закономерностей поглощения и испускания света в наноструктурах на основе непрямозонных полупроводников и в гетерогенных наноструктурах, выяснение возможности использования квазинульмерных структур в качестве материалов для различных устройств квантовой электроники и оптоэлектроники.

Для достижения этой цели необходимо было разработать и создать автоматизированный экспериментальный комплекс для проведения измерений методом селективной лазерной спектроскопии, применив оптический многоканальный анализатор на базе прибора с зарядовой связью для повышения чувствительности и точности измерений. Затем с его помощью исследовать оптические свойства и причины их изменения в образцах пористого кремния, сульфида кадмия в полимерной матрице и красителя акридинового оранжевого в матрицах из тяжелого и пористого (композитного) стекла при оптическом воздействии, сопоставить свойства неорганических и органических микроструктур в диэлектрических матрицах.

Научная новизна полученных результатов. Обнаружено неоднородное ушнрение спектров поглощения структур на основе пористого

кремния и исследованы его проявления в спектрах возбуждения, в кинетике и поляризации люминесценции, а также в процессе фотодеградации люминесценции. Впервые исследованы разрешенные во времени спектры излучения кремниевых наноструктур. Впервые обнаружены стабильные провалы в спектрах пропускания полупроводниковых нанокри-сталлов, обусловленные селективным фотолизом резонансно возбужденных кристаллитов в неоднородно уширенном ансамбле. Исследованы межмолекулярные взаимодействия в системе "органические молекулы в неорганической матрице" и установлено, что структура димера акридинового оранжевого соответствует простой экситонной теории. Разработаны методики компенсации нелинейной чувствительности оптического многоканального анализатора на базе ПЗС-матрицы к интенсивности и длине волны падающего света.

Практическая значимость полученных результатов. Исследованные в работе фотолюминесцентные свойства кремниевых наноструктур свидетельствуют о потенциальной возможности изготовления оптических компонентов современных высокоскороспшх оптоэлектронных приборов на основе имеющейся кремниевой микроэлектронной технологии, включая кремниевые светоизлучающие приборы, активные матрицы для экранов мониторов, датчики для устройств искусственного обоняния. Установленное в работе влияние межмолекулярных взаимодействий на люминесцентные свойства органических молекул в неорганических матрицах имеет существенное значение при использовании этих структур в качестве светотрансформаторов в устройствах преобразования солнечной энергии, а также в качестве акгивных сред перестраиваемых лазеров видимого спектрального диапазона. Создаш1ая в ходе выполнения работы аппаратура и программное обеспечение могут быть использованы для разработки приборов и устройств контроля параметров излучения в оптической промышленности, построения приборов контроля за состоянием окружающей среды и содержания вредных веществ в пищевых продуктах, а также для исследования различных фотостимулированных процессов в биологии и медицине. Разработанная в ходе выполнения работы методика компенсации амплитудной нелинейности многоэлементных полупроводниковых фотоприемников и соответствующее программное обеспечение представляют готовый коммерческий продует,

который может непосредственно использоваться в фирмах, КБ и научно-исследовательских организациях, разрабатывающих оптические приборы с применением таких фотоприемников.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Спектр излучения микроструктур на основе пористого кремния неоднородно уширен, что проявляется в зависимости положения максимума спектра люминесценции от длины волны возбуждения, смещении спектра излучения в процессе затухания, в изменении степени поляризации излучения при возбуждении поляризованным светом с различной длиной волны, а также в смещении максимума спектра при фотодеградации.

2. Спектры возбуждения и испускания, а также поляризационные характеристики люминесценции акридинового оранжевого в неорганической стеклянной матрице в значительной степени определяются сосуществованием мономеров и димеров. Свойства димеров акридинового оранжевого непротиворечиво описываются простой экситонной теорией без учета колебательных состояний молекул.

3. При селективном воздействии света на полупроводниковые наноструктуры происходит фотодеструкция резонансно возбужденных кристаллитов вследствие их фотоионизации, приводящей к серии фотохимических реакций, что проявляется в образовании стабильного спектрального провала в спектрах пропускания на частоте возбуждающего излучения.

4. Использование для регистрации оптического излучения многоканальных систем на базе приборов с зарядовой связью и применение разработанных методик компенсации неравномерности и нелинейности их характеристик в реальном времени позволило создать автоматизироваштый лазерно-спектроскопический комплекс обеспечивающий регистрацию отдельных спектров со скоростью до 30 спектров в секунду (3,6 X 105 бит/сек) при коэффициенте нелинейности 1 % и дифференциальной чувствительности 0,1 %.

Личный вклад соискателя и соавторов. Соискателю принадлежит создание аппаратно-программного комплекса для изучения оптических свойств спектрально-неоднородных структур, выполнение большинства измерений и интерпретация экспериментальных результатов,

вошедших в диссертацию. Автор глубоко признателен своим коллегам и соавторам, без участия и помощи которых выполнение работы было бы невозможным. Руководителям работы В. П. Грибковскому и С. В. Гапоненко принадлежит общее научное руководство, постановка задачи и помощь при проведении исследований и интерпретации их результатов, вошедших в диссертацию; А. П. Ступак (ИМАФ АНБ) и Е. П. Петров выполнили время-разрешенные и поляризационно-разрешенные измерения фотолюминесценции кремниевых наноструктур и молекул акридинового оранжевого в стеклянных матрицах, анализ и моделирование кинетик фотолюминесценции пористого кремния;

B. А. Цсхомский с сотрудниками (ГОИ им. С. И. Вавилова,

C. Петербург), Р. Рейсфельд с сотрудниками (Иерусалимский ун-т, Израиль), В. Е. Борисешсо с сотрудниками (БГУ ИР), М. А. Артемьев (БГУ), а также Я. X. Ксие (Лаборатории Белла, США) предоставили образцы наноструктур разных типов. Автор выражает благодарность А. П. Быку, А. М. Аксенову, И. И. Кравцевичу (НИИ ПФП БГУ) и А. М. Капитонову - за помощь в создании оптического многоканального анализатора, а также Л. Г. Зимину, И. Э. Малиновскому и В. 10. Лебедю - за помощь при освоении лазерной техники и экспериментального оборудования.

Апробация результатов. Результаты диссертации представлялись в 9-ти докладах на следующих конференциях:

♦ XXVI Международный коллоквиум по спектроскопии (София, 1989 г.),

♦ II Европейская конференция по квантовой электронике (Дрезден, ГДР, 1989 г.),

♦ XIV международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991 г.),

♦ Всесоюзная конференция "Физические принципы и методы опги-ческой обработки информации " (Гродно, 1991 г.),

♦ 7-я Международная конференция "Широкозонные полупроводники" (Триест, Италия, 1992 г.),

♦ Международная конференция "Фотонные переключения" (Минск, 1992 г.)

♦ 12-я Конференция Отделения твердого тела Европейского физического общества (Прага, 1992 г.),

♦ I Российская Конференция по физике полупроводников (Нижний

Новгород, 1993 г.).

♦ XV международная конференция но когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург, 1995 г.).

Опубликованность результатов. Результаты диссертации опубликованы в 11-ти статьях, в том числе - 6 статей в международных журналах, 2 статьи в журналах СНГ, 3 статьи в сборниках трудов различных конференций, а также в 9-ти тезисах конференций.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, списка литературы. Полный объём диссертации — 124 страниц. Диссертация содержит 63 рисунка, 5 таблиц и список литературы го 173 наименований, которые занимают 33 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

I глава содержит обзор теоретических и экспериментальных работ по изучению энергетического спектра полупроводниковых наноструктур. Современная технология позволяет создавать такие структуры, размер которых в одном (квантовый слой), двух (квантовая проволока) и трех (квантовая капля) направлениях сопоставим с дебройлевской длиной волны электрона и дырки или с боровским радиусом экситона. Начало систематического изучения наноразмерных структур связано с экспериментальными работами Цехомского, Екимова, Онущенко (1982), в которых было впервые продемонстрировано смещение экситонных полос нанокристаллов СиС1 в стекле при изменении их размера. Почти одновременно было предложено теоретическое описание этого эффекта в рамках модели "частица в потенциальном ящике" и показано, что основные свойства полупроводниковых нанокристаллитов можно объяснить, выделив два случая. В первом - размер кристаллита намного больше боровского радиуса элементарного возбуждения (экситона) и его движение квантуется как движение квазичастицы. Во втором случае радиус кристаллита намного меньше радиуса элементарного возбуждения (экситона в квантовой капле) и необходимо отдельно рассматривать квантование движения электрона и дырки в потенциальной яме, внося поправки на учет кулоновского и обменного взаимодействия и конечность потенци-

алыюго барьера.

Поскольку в диссертации изучаются наноструктуры на основе полупроводниковых кристаллитов в неорганических матрицах, наноструктуры на основе пористого кремния и гетерогенные наноструктуры различных типов в первой главе дается их характеристика и описание методов получения. Надо отметить, что большинство исследованных свойств нанокристаллитов проводилось до сих пор на структурах прямозонных соединений АПУУ1 и А'в4^. Наноструктуры непрямозонных полупроводников исследованы слабо, хотя с практической точки зрения они представляют не меньший^ а может быть и больший интерес. Особенно если учесть, что в таких структурах от размера зависит не только энергетический спектр, но и вероятности оптических переходов. Таким образом^ос-новной в настоящее время материал микроэлектроники - кремний, может стать и материалом оптики.

Наряду с синтезом и исследованием чисто неорганических и органических структур одним из направлений в материаловедении стало создание и исследование гетерогенных систем типа «неорганические микроструктуры» в органической матрице и «органические молекулы в неорганической матрице». Основной особенностью приготовления таких наноструктур первого типа является низкая температура, что позволяет уменьшить количество дефектов решетки нанокристаллита и при селективном воздействш! изучать процессы, происходящие как в кристаллите так и на границе с матрицей.

Второй тип образцов представляет интерес с той точки зрения, что в аналогии с экситонами в кристаллитах органические молекулы в неорганической пористой матрице при высоких температурах должны неизбежно взаимодействовать между собой, поскольку имеется вероятность нахождения двух молекул в одной поре. Поэтому неорганические стекла^ окрашенные органическим красителем,позволяют исследовать межмолекулярное взаимодействие, когда столкновигельные эффекты (неизбежно возникающие при таких же концентрациях в растворе) подавлены.

В первой главе особо рассмотрены механизмы рекомбинации в наноструктурах так как, вследствие большого количества поверхностных атомов, а также нарушенных связей, вероятность фотостимулированных химических реакций в наноструктурах значительно возрастает и может

стать одним из основных препятствий на пути к практическому применению. С другой стороны, изучение фотодеградации методами селективной лазерной спектроскопии может дать дополнительную информацию о процессах и их механизмах, происходящих в нанокристалле.

II глава содержит описание автоматизированного экспериментального комплекса для изучения линейных и нелинейных оптических свойств спектрально неоднородно ушнренных систем разных типов. Трудности, возникающие при исследовании объектов размером в несколько нанометров электрическими методами, делают эти методы малоэффективными. Поэтому оправданным представляется применение в исследованиях метода селективной лазерной спектроскопии, хотя это и потребовало создаши нового экспериментального оборудования. Автоматизация регистрирующей аппаратуры, в тысячи раз повысившая скорость информационного потока и объем полученных данных, позволила получить высокую линейность и чувствительность измерений.

В состав экспериментального комплекса входит два спектрометра и набор аппаратуры, который позволяет следить за формой одиночных падающих и прошедших лазерных импульсов с временным разрешением 3 не на фронт, что чрезвычайно важно при изучении нелинейных эффектов. Усреднение по большому числу импульсов в этом случае становится невозможным, так как каждый импульс возбуждения отличается от другого, а незначительные, на первый взгляд, изменения в силу нелинейности приводят к значительному изменению оптических свойств.

Лазерные спектрометры предназначены для измерения спектров пропускания, поглощения и люминесценции. Они различаются типом используемого лазера и регистрирующей аппаратурой. Если в первом использовался рубиновый однократный лазер, то во втором - твердотельный частотный лазер на алюмо-итриевом гранате, накачивающий лазер на красителе. Во втором спектрометре имеется дополнительный зондирующий канал, где в качестве источника используется кювета с перемешиваемым красителем, дающая широкополосное излучение. В качестве спектральных приборов использовался либо монохроматор либо спектрограф. Применение многоканального прибора с зарядовой связью вместо телекамеры и методика компенсации нелинейности позволили получить следующие характеристики: коэффициент нелинейности

меньше 1 % при динамическом диапазоне примерно равном 103; частота измерений ограничена лазером и составляет до 50 Гц; максимальная чувствительность - до нескольких сот фотонов, а при измерении дифференциальных спектров пропускания - 0,1 % и регулируется путем изменения экспозиции.

III глава посвящена изучению трех типов наноструктур на основе пористого кремния. Первый тип - пленки пористого кремния, подвергнутые длительному хранению. Второй тип - свежеприготовленные пленки пористого кремния. Третий тип - наноструктуры пористого кремния в полимерной матрице.

Установлено, что спектр испускания микроструктур на основе пористого кремния неоднородно уширен, что проявляется в зависимости спектра испускания от степени пористости; зависимости спектра испускания от длины волны возбуждения; смещении спектра излучения в процессе затухания; зависимости степени поляризации излучения от длины волны возбуждающего поляризованного излучения, а также подтверждается смещением максимума испускания при фотодеградации.

Показана возможность применения моделей квантовых капель и квантовых проволок для описания оптических свойств пористого кремния в зависимости от условий приготовления. Об анизотропии излучающих центров говорит сильная степень поляризации люминесценции и анализ неэкспоненциальных кинетик затухания, выполненный с помощью модифицированной фрактальной кинетики. Таким образом, удается применить подходы, развитые в молекулярной спектроскопии, к полупроводниковым наноструктурам.

IV глава посвящена исследованию гетерогенных ультрадисперсных структур, полученных на основе органического красителя акридинового оранжевого (АО), введенного в неорганические матрицы из пористого и тяжелого стекла. Проведены комплексные исследования поглощения и испускания АО в тяжелом стекле, в золь-гель матрице и в растворе этанола, которые включают стационарные, разрешенные во времени и по поляризации измерения.

Установлено, что оптические свойства АО в стеклянной матрице

можно описать в рамках простой экситониой теории, также развитой в спектроскопии молекул, если предположить, что эти свойства в значительной степени обусловлены образованием димеров ЛО. Теория называется простой, поскольку не учитывает наличие колебательных подзон в энергетическом спектре молекул красителя в твердой матрице. Она предсказывает расщепление электронного состояния 8[ на два подуровня и голубой сдвиг основной полосы поглощения. Первый факт согласуется с возникновением второй широкой полосы в спектре испускания, а второй факт подтверждается зависимостью спектра возбуждения от длины волны регистрации. Теория предсказывает, что дополнительная полоса соответствует частично запрещенному переходу и имеет ортогональную поляризацию, что подтверждается зависимостью времени затухания люминесценции от длины волны и поляризационными спектрами.

V глава посвящена изучению фотостимулнрованных необратимых изменений, происходящих при селективном воздействии на полупроводниковые наноструктуры. Исследовались коллоидные частицы сульфида кадмия в поливинилпирролидоне, образцы пористого кремния II типа, описанные в 3-й главе и стеклянная матрица, содержащая кадмий, серу и селен, в которой не наводился цвет, т.е. отсутствовали панокристаллы.

Обнаружено, что на частоте накачки в спектре поглощения полимера, содержащего коллоиды сульфида кадмия, после облучения монохроматическим излучением с интегральной дозой порядка 1 Дж/мм2 образуется стабильный провал, положение которого совпадает с частотой накачки. Обнаружено характерное для спектрально неоднородно уширенных систем так называемое дозовое уширение провала и его смещение при возбуждении на длинноволновом краю.

Полученные экспериментальные данные можно объяснить эффектом селективного фотолиза с последующей деструкцией резонансно возбужденных нанокристаллитов.

Установлено, что фотодеградация пористого кремния сопровождается не только уменьшением интенсивности люминесценции, но и смещением ее максимума в длинноволновую область спектра, что подтверждает вывод о его неоднородном уширении, сделанный в 3-й главе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создан автоматизированный экспериментальный комплекс, который позволяет измерять интенсивность и спектр отдельных световых импульсов наносекундной длительности с разрешением во времени. Применение в нем многоканального фоточувствительного прибора с зарядовой связью в качестве регистрирующего устройства и методик компенсации неравномерной амплитудной и спектральной чувствительности позволило получить коэффициент нелинейности менее 1% при динамическом диапазоне 103 и дифференциальной чувствительности 0,1 %. Автоматизированный экспериментальный комплекс использован для изучения спектрально неоднородных структур различных типов.

2. Методами селективной спектроскопии, поляризационной спектроскопии и спектроскопии с временным разрешением проведены исследования пористого кремния, представляющего модельный объект для анализа "непрямозонных" квазинульмерных структур. Установлены закономерности стационарных, разрешенных во времени и зависящих от поляризации оптических процессов в наноструктурах на его основе.

3. Обнаружены и изучены проявления неоднородного уширения в спектрах испускания и возбуждения люминесценции, в кинетиках затухания и в поляризационных характеристиках пористого кремния. Показана правомочность применения моделей квантовых капель и квантовых проволок для описания оптических свойств пористого кремния в зависимости от условий приготовления и хранения.

4. На примере красителя акридинового оранжевого исследованы спектроскопические свойства органических молекул в неорганических матрицах и установлено, что эти свойства в значительной степени обусловлены образованием димеров АО. Тем самым показано, что неорганические матрицы, содержащие органические молекулы, дают возможность исследовать межмолекулярные взаимодействия в условиях, когда многие концентрационные эффекгы, присутствующие в растворах, существенно подавлены.

5. На основании исследования поляризационных спектров испускания, кинетик затухания люминесценции и изменения спектра испускания со временем показано, что энергетический спектр димера акридинового оранжевого описывается простой окситонной теорией, которая не учитывает наличие колебательных подзон в энергетическом спектре молекулы красителя в твердой матрице.

6. Исследовано явление селективной фотодеградации пористого крем-Ш1Я и фотовыжигание необратимых провалов в спектре поглощения ансамбля полупроводниковых кристаллитов CdS в органических матрицах. Предложены модели фотоиндуцированных процессов, происходящих в микрокристаллитах CdS в полимерной матрице и в наноструктурах на основе пористого кремния, в которых стабильные изменения в спектрах поглощения обусловлены фотоионизацией активных областей, что вызывает последовательность химических реакций, приводящих к их селективной деструкции или образованию новых каналов рекомбинации.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

[1] Gribkovskii V .P., Zimin L. G., Gaponenko S. V., Malinovskii I. E., Le-bed У. Yu. and Germanenko I. N. Laser spectroscopy of nonlinear optical processes near excitonic resonance of И-VI semiconductors. // XXVI Colloquium Spectroscopium International. - Sofia - 1989. - Vol. 1. -P.224.

[2] Gribkovskii V .P., Zimin L. G., Gaponenko S. V., Malinovskii I. E., Le-bed V. Yu., Gennanenko I. N. Optical Nonlinearity and Resonatorless Bistability near Exciton Resonance of Semiconductors Д2 Bg. // II European Conférence on Quantum Electronics. - Dresden - 1989. - Vol. 13d.-P.235.

[3] Zimin L. G., Gaponenko S. V., Lebed V. Yu., Malinovskii I. E., and Germanenko I. N. Nonlinear optical absorption of CuCl and CdSxSe!_x microcrystallites under quantum confinement // J. Lumin. - 1990. - Vol. 46. -P. 101-107.

[4] Гапоненко С. В., Грибковский В. П., Зимин JI. Г., Лебедь В. Ю.,. Малиновский И. Э, Германенко И. Н., Подорова E. Е., Цехом-

ский В. А. Нелинейное поглощение и фотолюминесценция квазинульмерных структур в условиях размерного квантования эксито-нов. // XIV Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике. - Ленинград. - 1991. - Т. 3. - С. 38 - 39.

[5] Зимин Л. Г., Гапоненко С. В., Лебедь В. Ю., Малиновский И. Э., Германенко И. Н. Нелинейные оптические среды для оптоэлектро-ники на основе полупроводниковых соединений А2В6 и А1В7. // Физические принципы и методы оптической обработки информации. -Гродно. -1991. - С. 20.

[6] Gaponenko S. V., Germanenko I. N., Gribkovskii V. P., Zimin L. G., Lebcd V. Yu., Malinovsky I. V., Podorova E. E., Tsekhomskii V. A. Nonlinear Absorption and Photoluminescence of CuCl Crystallites under Size Quantization of Excitons. // XII Trieste Semiconductor Symposium: Widc-Band-Gap Semiconductors.- Trieste.- 1992. - Part ThP.- P. 11 -13.

17] Gaponenko S. V., Germanenko I. N., Gribkovskii V. P., Vasil'cvM. I. Podorova E. E. and Tsekhomskii V. A. Nonlinear absorption of semiconducting microcrystallites under quantum confinement: Coexistence of reversible and irreversible effects. // 1992 Topical Meeting on Photonic Switching. - Minsk. - 1992. - Vol. 1807. - P. 65 - 73.

[8] Gaponenko S. V., Gribkovskii V. P., Zinnn L. G., Lebed V. Yu., Germanenko I. N. Malinovsky I. V. Linear- and Nonlinear-Optical Manifestations of Quantum Confinement in Copper Chloride Nanocrystalls. // XII General Conference of The Condensed Matter Division of The E.P.S. - Praha. - 1992. - Vol. 16a. - P. 229.

[9] Гапоненко С. В. Германенко И. Н., ГурскийА. Л., Петров Е. П., Ступак Л. П., Бондаренко В. П., Борисенко В. Е., Дорофеев А. М. Фотолюминесценция пористого кремния: спектры возбуждения и кинетика затухания. // I Российская Конференция по физике полупроводников. - Нижний Новгород. - 1993. - Т. 2. - С. 264 - 265.

[10] Bondarenko V. P., Borisenko V. Е., Dorofeev А. М., Germanenko I. N., and Gaponenko S. V. Spcctral characteristics of visible light emission from porous Si: Quantum confinement or impurity effect? // J. Appl. Phys. - 1994. - Vol. 75. - P. 2727 - 2729.

[И] ЛешокА. А., Германенко И. H., Гапоненко С. В., Борисенко В. Е. Фотолюминесцснтные свойства полимерных композиции с нанок-ристаллическим кремнием //Журн. прикл.спектр. - 1994. - Т. 61, N.

3 - 4. - С. 237 - 240.

[12] Gaponenko S. V., Germanenko I. N., Petrov E. P., Stupak Л. P., Bon-darenko V. P., and Dorofeev A. M. Time-resolved spectroscopy of visibly emitting porous silicon // Appl.Phys.Lett.- 1994,- Vol.64.- P.85 - 87.

[13] Gaponenko S.V., Germanenko I.N., Stupak A.P., Eyal M., Bmsilovsky D., Reisfeld R., Graham S„ and Klingshini C. Fluorescence of acridine orange in inorganic glass matrices // Appl. Phys. B. - 1994. - Vol. 58. -P. 283 -288.

[14] Artemiev M. V., Germanenko I. N., Kapitonov A. M., Gaponenko S. V. Selective Photochemistry of Quantum Dots. // XV International Conference on Coherent and Nonlinear Optics. - St.-Petersburg. - 1995. - Vol. 2. P. 273 -274.

[15] Gaponenko S. V., Kononenko V. K., Petrov E. P., Gennanenko I. N., Stupak A. P., and Xie Y.Z. Polarization of porous silicon luminescence // Appl. Phys. Lett. - 1995. - Vol. 67, N 20,- P. 3019 - 3021.

[16] Artemyev M. V., Germanenko I. N., Kapitonov A. M. and Gaponenko S. V. Selective photochemistry of semiconductor quantum dots // Proc. Int. Conf. "Nanomeeting'95".-1995,- P. 169 - 172).

[17] Artemyev M. V., Gaponenko S. V., Germanenko IN., Kapitonov A. M. Irreversible photochemical spectral hole burning in quantum-sized CdS nanocrystals embedded in polymeric film // Chem. Phys. Lett. -1995.-Vol. 243, P. 450-455.

[18] Artemyev M. V., Germanenko I. N., Kapitonov A. M. and Gaponenko S. V. Selective photochemistry of quantum dots // SPIE Proceedings.-1995. - Vol. 2802, P. 113-117.

[19] Ксие И. X., Германенко И. Н., Воронин М. Ф., Гапоненко С. В. Фотодеградация пористого кремния при импульсном возбуждении // ФТП. - 1995. - Т. 29, N 4. - С. 673 - 677.

[20] Gaponenko S. V., Germanenko I. N., Kapitonov A. M., and Artemyev M. V. Permanent spectral hole-burning in semiconductor quantum dots // J. Appl. Phys. - 1996. - Vol. 79, N9. - P. 7139 - 7142.

РЕЗЮМЕ

диссертации Германенко Игоря Николаевича

"ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУР И АВТОМАТИЗАЦИЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ"

Квактоворахмерные структуры, неоднородное у шире кие спектров, фотофизическис и фотохимические явления, многоканальный оптический анализатор, компенсация нелинейности измерений

Создан автоматизированный комплекс для изучения спектрально неоднородных структур различных типов. Установлены основные закономерности оптических процессов в наноструктурах непрямозопных полупроводников на основе пористого кремния и гетерогенных наноструктурах типа краситель акридиновый оранжевый в неорганической стеклянной матрице. Выявлены особенности фотостимулированных изменений в спектрах полупроводниковых нанокристатлитов в полимераой матрице при селективном оптическом воздействии.

РЭЗЮМЭ

дысэртацьп Германенка 1гара Мп<алаешча

"АПТЫЧНЫЯ УЛАСЦ1ВАСЦ1 ЦВЕРДАЦЕЛЬЫЫХ НАНАСТРУКТУРАУI АУТАМАТЫЗАВАШ1Е СПЕКТР АСКАПГЧНЫХ

ВЫМЯРЭННЯУ1'

Квантавапамерныя структуры, неаднароднае пашьфэнне спектра}?, фотафпгшыя 1 фота-тичпыя з'явы. шматканалыш античны аналпатар, кампенеацыя нелшейнаац вымя-рэиняу

Створаны аутаматызаваны комплекс для вывучэння спектральна неадна-родных структурау розных тыпау. Вызначаныя асноуныя заканамернаехц аптычных працэсау у нанаструктурах непрамазохшых пауправадшкоу на аснове порыстага крэмшю 1 гетэрагенных нанаструктурах тыпу фарба-

BarimiK aKpfciicmaBBi apaimaBti y iieapram'inaii mjcwnaii MarphiiiM. BtwyjieHtw acaO.nmacni (})OTacTtiMyjuiBaiiMX 'ïMjtnemray y cneicrpax nayxrpaBajmiKOBBix HanaKphULnajmay y najuMcpuaii MaTpi>mw ripti cejieK-TOyHbiM amxraJWM yiae-Miini.

"OPTICAL PROPERTIES OF SOLID-STATE NANOSTRUCTURES AND AUTOMATION OF SPECTROSCOPIC MEASUREMENTS"

chemical phenomena, optica] multichannel analyzer, compensation of nonlinearity of measure-

All automatic experimental setup for investigations of structures with spectral heterogeneity of different types has been designed. Main dependencies of optical processes in nanostructures of porous silicon-based indirect band gap semiconductors and heterogeneous nanostructures formed by acridine orange dye embedded in an inorganic glass matrix have been established. Regularities in photoinduced spectral changes of nanostructures formed by semiconductor nanocrystals in a polymer matrix have been revealed.

ABSTRACT

of the thesis by 1. N. Germanenko

Quantum-size structures, inhomogeneous broadening of spectra, photopliysical and photo-

ments

ГЕРМАНЕНКО ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУР И АВТОМАТИЗАЦИЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Подписано к печати И- Ю, 1996 г. Формат 60x90 1/16 Тип бумаги - типографская. Печать офсетная. Объем 1,1 псч. л.., Уч. изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ Бесплатно.

Институт физики им. Б. И. Степанова АН Беларуси 220072 Минск, Пр. Ф. Скорины 70.

Отпечатано на ризографе Института физики им. Б.И.Степанова АНБ Лицензия ЛВ № 685 от 23.12.1993 г.