Исследование материалов, содержащих экситоны, сохраняющие стабильность при комнатной температуре
Автор: Андронов Илья Андреевич
Рубрика: 2. Физика
Опубликовано в
XIII международная научная конференция «Исследования молодых ученых» (Казань, октябрь 2020)
Дата публикации: 16.09.2020
Статья просмотрена: 164 раза
Библиографическое описание:
Андронов, И. А. Исследование материалов, содержащих экситоны, сохраняющие стабильность при комнатной температуре / И. А. Андронов. — Текст : непосредственный // Исследования молодых ученых : материалы XIII Междунар. науч. конф. (г. Казань, октябрь 2020 г.). — Казань : Молодой ученый, 2020. — С. 1-4. — URL: https://moluch.ru/conf/stud/archive/380/16028/ (дата обращения: 01.07.2024).
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:
- 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.
- Нокс Р. Теория экситонов, М., Мир, 1966
- Воронов В. К., Подоплелов А. В. Современная физика, М., КомКнига, 2005, ISBN 5–484–00058–0
- Гросс Е. Ф. Экситон и его движение в кристаллической решетке, — «Успехи физических наук», 1962, т. 76, в. 3;
- Экситоны в полупроводниках, [Сб. статей], — М., 1971;