Американские ученые предложили эффективный способ инжекции носителей заряда в полупроводниковые нанокристаллы, что позволяет надеяться на создание высокоэффективных источников света и лазеров на их основе.

Рис.1. a - схематическое изображение гибридной структуры; b - спектр люминесценции квантовой ямы InGaN/GaN (синим), спектры люминесценции (красным) и поглощения (зеленым) нанокристаллов CdSe/ZnS.

Под термином "полупроводниковые квантовые точки" скрываются на самом дел различные виды объектов. Помимо квантовых точек, спонтанно формирующихся в процессе роста полупроводниковых гетероструктрур, существуют и квантовые точки (нанокристаллы), получаемые химическими методами (о них и пойдет речь ниже). И в том, и в другом случае, следствием локализации носителей заряда в пределах частицы нанометрового размера является квазиатомный (дискретный) энергетический спектр, за что квантовые точки называют иногда "искусственными атомами". В отличие от естественных атомов, для которых энергетический спектр задан раз и навсегда самой природой, спектром квантовых точек можно управлять, меняя размер наночастицы (что позволяет в широком диапазоне менять длину волны излучения квантовой точки). Мы чаще пишем о применениях квантовых точек в твердотельных устройствах (лазеры и светоизлучающие приборы, а также применения в таких развивающихся областях, как квантовая криптография и квантовые вычисления ), однако квантовые точки востребованы также в биологии и медицине (см., например, нашу новость квантовые точки нашли применение в визуализации биологических структур ).

Наиболее простым видом получаемой химическими методами полупроводниковой квантовой точки являются частицы вещества нанометрового размера, более сложным и интересным с точки зрения практических применений - "наночастицы в оболочке": наночастица из одного материала (полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны), покрытая слоем другого материала (полупроводника с большей шириной запрещенной зоны) нанометровой же толщины и слоем органических молекул (рис.1a). Такое усложнение структуры объекта позволяет локализовать носители заряда (электроны и дырки) дальше от поверхности, что позволяет повысить квантовый выход люминесценции (т.е. увеличить долю электронов и дырок, рекомбинирующих путем испускания фотона). В настоящее время подобные "наночастицы в оболочке" уже являются коммерческим продуктом (с характеристиками некоторых продуктов, например, фирмы Evident Technologies , которая предлагает квантовые точки, светящиеся в диапазоне от 350 до 2300 нм, полученные из различных полупроводников, можно ознакомиться здесь - (pdf-файл)).

Одна из основных проблем, связанных с созданием эффективных светоизлучающих устройств на основе нанокристаллов, - каким образом обеспечить электрическую накачку, т.е. как "доставить" носители заряда в нанокристаллы (квантовые точки). Ученые из Национальной лаборатории в Лос- Аламосе (США) предложили эффективный способ инжекции электронов и дырок в нанокристаллы, позволяющий к тому же существенно повысить квантовый выход люминесценции. Идея состоит в переносе носителей заряда (электронно-дырочных пар) из близко расположенной квантовой ямы в нанокристаллы за счет диполь-дипольного взаимодействия (а не посредством туннелирования из квантовой ямы в нанокристаллы или поглощения нанокристаллами фотонов, испущенных квантовой ямой).

Рис. 2. a - процессы релаксации и переноса носителей в гибридной структуре (энергетическая диаграмма), слева квантовая яма, справа - нанокристалл, синяя и зеленая стрелки обозначают релаксацию путем испускания кванта в квантовой яме и нанокристалле, соответственно) ; b - схематическое изображение гибридной структуры с электрической инжекцией носителей заряда.

На выращенную с помощью метода газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений структуру c квантовой ямой InGaN/GaN (на сапфировую подложку наращивался буферный слой GaN толщиной 3 мкм, затем слой InGaN толщиной 3 нм, который покрывался слоем GaN толщиной 3 нм либо оставался непокрытым) наносился слой наночастиц CdSe/ZnS (частицы CdSe с радиусом порядка 1.9 нм, покрытые слоем ZnS толщиной примерно 0.6 нм и слоем органических молекул (TOPO/TOP на рисунке)) - рис. 1a. Для сравнения исследовались отдельно структуры с квантовой ямой InGaN без слоя нанокристаллов и со слоем нанокристаллов на стеклянной подложке (без квантовой ямы).

Для исследования динамики переноса носителей заряда из квантовой ямы в нанокристаллы ученые исследовали временную динамику люминесценции гибридных и тестовых структур при комнатной температуре (для возбуждения люминесценции использовался фемтосекундный лазер). В отсутствии слоя нанокристаллов возбужденные лазерным импульсом электроны и дырки могут "гибнуть" либо излучательно (за счет испускания фотона), либо безызлучательно (тогда энергия в конечном итоге передается кристаллической решетке). В отсутствии нанокристаллов в квантовой яме доминирует безызлучательная рекомбинация, и характерное время спада люминесценции квантовой ямы (определяемое безызлучательной рекомбинацией) t _r ~ 1 нс (1/t _r = 1/t _nr + 1/t _rr, где индексы nr и rr обозначают характерные времена безызлучательной и излучательной рекомбинации, соответственно). В присутствии нанокристаллов появляется дополнительный канал "ухода" носителей заряда из квантовой ямы - перенос электронно-дырочных пар в нанокристаллы, характеризуемый своим временем t _ET, (схематически эти три конкурирующих процесса показаны на рис. 2a). Наблюдая, сколь сильно изменилось время спада люминесценции квантовой ямы вследствие появления дополнительного канала, можно оценить эффективность переноса носителей заряда из квантовой ямы в нанокристаллы. Оценки показывают, что до 55 % (!) носителей заряда из квантовой ямы переносятся в нанокристаллы (эти данные относятся к непокрытой квантовой яме), и исследователи полагают, что за счет повышения кристаллического совершенства квантовой ямы (что позволит уменьшить потери, связанные с безызлучательной рекомбинацией) можно будет приблизить эффективность переноса к 100 %. Приток носителей заряда должен приводить к увеличению интенсивности люминесценции нанокристаллов, что и наблюдалось в эксперименте (рис. 3) - интенсивность люминесценции нанокристаллов увеличивается в случае гибридной структуры примерно в четыре раза.

Рис. 3. Зависимость интенсивности люминесценции от плотности мощности оптического возбуждения для нанокристаллов на стеклянной подложке (черным) и нанокристаллов на поверхности квантовой ямы (красным).

Хотя в описанных экспериментах происходило оптическое возбуждение структур, авторы сообщают, что ими уже выращены структуры, пригодные для электрической инжекции носителей заряда (схематическое изображение такой структуры показано на рис 2b). Конечно, необходимость в тонком легированном покрывающем слое GaN снижает эффективность переноса (из-за того, что увеличивается расстояние между квантовой ямой и нанокристаллами, а эффективность переноса сильно зависит от расстояния). Тем не менее, подобные гибридные структуры, по-видимому, являются достаточно перспективныеми для создания высокоэффективных светоизлучающих устройств и лазеров на основе нанокристаллов.

1. Marc Achermann, Melissa A. Petruska, Simon Kos, Darryl L. Smith, Daniel D. Koleske, Victor I. Klimov. Nature, v.429, 642 (2004).

Е.Онищенко