Полупроводниковые наночастицы
Название этого раздела — полупроводниковые наночастицы — несколько обманчиво. Наночастицы германия или кремния сами по себе не являются полупроводниками. Наночастицы веществ, являющихся в обычных условиях полупроводниками, резко отличаются по оптическим свойствам от объемных материалов. Оптические спектры поглощения существенно сдвигаются в голубую сторону (в сторону уменьшения длин волн) при уменьшении размеров частиц. Зачастую частицы могут иметь кристаллическую решетку, не характерную для массивного материала. Связанная электрон-дырочная пара, называемая экситоном, в объемном полупроводнике может образоваться под действием фотона с энергией больше ширины запрещенной зоны для данного вещества. Связанные электрон и дырка находятся на расстоянии многих параметров решетки. Присутствие экситонов оказывает сильное влияние на электронные свойства полупроводников и их оптическое поглощение. Экситон можно рассматривать как водородоподобный атом, структура уровней энергии которого аналогична атому водорода, но с меньшим масштабом по энергиям. Вызванные светом переходы между этими водородоподобными уровнями приводят к сериям линий в спектре поглощения, которые можно нумеровать по главным квантовым числам уровней атома водорода. Особенно интересным оказывается то, что проис
Такие наночастицы, представляющие собой трехмерные потенциальные ямы с размерами порядка радиуса экситона, в которых движение электронов, дырок и экситонов пространственно ограничено в трех измерениях, относят к квантовым точкам (КТ) [2]. В качестве материала для изготовления КТ применяют Ge и Si, а также практически любые полупроводниковые соединения (например, бинарные: сульфиды и селениды кадмия, свинца, цинка; тройные класса I-III-VI2, где обычно I = Cu, Ag, III = Αl, Ga, In, VI — атомы халькогенов). Последние обладают более широким спектром свойств и также могут быть получены в виде наночастиц в различных средах [12]. Создание в диэлектрической матрице полупроводниковой нанокристаллической фазы и регулирование ее свойств является одной из важных задач в технологии изготовления наноструктурированных материалов. Одним из таких свойств является оптическая нелинейность, то есть зависимость показателей преломления от интенсивности падающего света. Такие стекла имеют существенную восприимчивость третьего порядка, что приводит к следующему виду зависимости показателя преломления n от интенсивности падающего света I:
п = п0 + п2I (1) Малоинерционная нелинейность КТ, порог которой неизмеримо ниже, чем в сплошной среде, определяет основное применение КТ в нанофотонике – устройства управления световыми потоками, в том числе управляемые самим светом. Рассмотрим нелинейный резонатор Фабри-Перо, в который помещена система из многих КТ. В качестве управляющего используем излучение, центральная частота которого соответствует резонансному поглощению в КТ. Основной (управляемый) сигнал имеет частоту, на которую настроен резонатор, таким образом, что он, скажем, полностью проходит через зеркала. При подаче даже сравнительно слабого управляющего светового сигнала за счет взаимодействия с КТ происходит достаточное изменение показателя преломления матрицы, и резонатор Фабри-Перо перестраивается на другую частоту, т.е. оптический ключ размыкается.
Металлические наночастицы
где Ns — концентрация сфер объемом V, ε 1 и ε2 — действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости сфер, n0 — показатель преломления непоглощающей среды и λ — длина волны падающего света. Когда размеры частиц уменьшаются до 10 нм, начинают играть важную роль эффекты квантовой локализации, изменяющие оптические характеристики материала.
Другим важным для технологии свойством композитных металлизированных стекол является оптическая нелинейность. Такие стекла имеют существенную восприимчивость третьего порядка c(3), что приводит к зависимости показателя преломления n от интенсивности падающего света I (см формулу 1). Величины c(3) определяются, как типом металла и диэлектрика, так и структурными параметрами наночастиц, т.е. их размерами, распределением по размерам, формой и фактором заполнения диэлектрика металлом. Впервые оптические нелинейности металлических коллоидных частиц Au и Ag в водных растворах наблюдались Рикардом с коллегами в 1985 году, и регистрируемые значения c(3) составляли 1.5x10-8 ед. СГСЭ для Au частиц и 2.4x10-9 ед. СГСЭ для Ag частиц. Эти величины примерно на два порядка выше, чем у объемных металлических материалов. В случае меди c(3) заметно превышает значения, соответствующие Au и Ag, что обуславливает практический интерес к исследованию Cu наночастиц. Несмотря на то, что для композитных материалов с металлическими наночастицами теоретические оценки предсказывают величины c(3) порядка 10‑6 ед. СГСЭ, реально на практике из-за низкой концентрации частиц величина c(3) составляет не более 10-8 ед. СГСЭ. В принципе, повысить концентрацию возможно сверх равновесного значения методом ионной имплантации, которая будет рассмотрена нами ниже. Плазмонные материалы можно использовать для увеличения яркости светодиодов до уровня яркости ламп накаливания. Еще в 1980х гг. исследователи обнаружили, что плазмонное усиление электрического поля на границе металл – диэлектрик повышает интенсивность излучения люминесцентных красок, расположенных вблизи поверхности металла. Позже стало очевидно, что такой тип усиления свечения под действием поля может значительно увеличить интенсивность излучения КТ, повышая таким образом эффективность и яркость твердотельных светодиодов. При облучении светом с частотой плазмонного резонанса за счет эффекта ближнепольной интерференции полей, переизлученных соседними частицами, можно достичь эффекта локального усиления светового поля падающей волны на 1-2 порядка, поэтому ее можно использовать для создания полупроводникового оптического ключа на резонаторе Фабри-Перо (см. выше). Для увеличения быстродействия можно использовать вместо металлических наночастиц в полупроводниковой оболочке полупроводниковую наночастицу в металлической (серебряной) оболочке. В данном случае используются нелинейные свойства полупроводникового ядра и резонансные свойства металла оболочки. [4]
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|