Исследование материалов, содержащих экситоны, сохраняющие стабильность при комнатной температуре

В статье автор представляет результаты работы и исследований материалов с энергией связи достаточной для того, чтобы экситоны существовали при комнатной температуре.

Ключевые слова: комнатная температура, спектр фотолюминесценции монокристалла, энергия связи, отвечающая аннигиляция, температура, экситон.

Для полупроводников: ε =10–15, m _r < m _{o ,} поэтому : r _ex =1–5 нм > 𝛼 ₀ =0.2–0.5 нм–постоянной решетки кристаллов и >> 𝛼 _B =0.053 нм — боровского радиуса в атоме водорода, что указывает на делокализацию экситона по многим атомам кристалла.

Энергия связи Еex=1–15 мэВ, что меньше тепловой энергии kBT=26 мэВ при Т=300 К.

Поэтому экситон термодинамически нестабилен при комнатной температуре.

Экситонное поглощение имеет место для энергий фотонов меньше ширины запрещенной зоны полупроводника и проявляется при низкой температуре как узкие линии ниже края межзонного поглощения.

Рис. 1.

Рис. 2. Примеры спектров экситонного поглощения

Eвх =2–16 мэВ, что меньше, чем энергия теплового движения при комнатной температуре (26 мэВ).

Наблюдение экситонных пиков поглощения в объеме полупроводника возможно при низких температурах. В полупроводниковых наноструктурах энергия связи возрастает и экситоны стабильны даже при комнатной температуре.

На кафедре физики РУТ (МИИТ) много лет работают с материалами ZnO и CuI, у которых энергия связи наблюдается в районе 60 мэВ. Этого достаточно чтобы экситоны существовали при комнатной температуре и даже выше. В настоящее время исследования в этом направлении продолжаются совместно с Физическим институтом Российской академии наук и Институтом физики НАН Белоруссии.

На рисунках 3 и 4 ниже представлены спектры люминесценции ZnO и СuI, соответственно, при различных температурах.

Рис. 3. Спектры фотолюминесценции монокристалла ZnO при разных температурах (T = 10 ÷ 300 К) и возбуждении гелий-кадмиевым лазером (λ = 325 нм)

На рисунке отчетливо видно, что при комнатной температуре структура спектра существенно упрощается, наблюдается единая относительно широкая полоса люминесценции с максимумом в районе λ = 380 нм, отвечающая аннигиляции свободных экситонов.

Аналогичная ситуация видна на рис.2, где при комнатной температуре остается полоса люминесценции в районе λ = 410 нм, отвечающая аннигиляции свободных экситонов.

Рис. 4. Спектры фотолюминесценции монокристалла CuI при разных температурах (T = 80 ÷ 300 К) и возбуждении азотным лазером (λ = 337 нм)

На спектрофлюориметре Cary Eclipse в лаборатории НОЦ ФИАТ нам удалось получить спектр фотолюминесценции монокристалла CuI при комнатной температуре.

Рис. 5. Спектр люминесценции монокристалла CuI при Т=300 К

На рисунке хорошо видна полоса люминесценции свободных экситонов при λ = 410 нм. Люминесценция в этом диапазоне была настолько сильная, что измерительная схема с измерением не справилась, как говорят, «зашкалило».

Литература:

1. Силин А. П. Экситон // Физическая энциклопедия: [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5: Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 501−504. — 692 с. — 20 000 экз. — ISBN 5–85270–101–7.
2. Нокс Р. Теория экситонов, М., Мир, 1966
3. Воронов В. К., Подоплелов А. В. Современная физика, М., КомКнига, 2005, ISBN 5–484–00058–0
4. Гросс Е. Ф. Экситон и его движение в кристаллической решетке, — «Успехи физических наук», 1962, т. 76, в. 3;
5. Экситоны в полупроводниках, [Сб. статей], — М., 1971;