Вчені ФІАН і МДУ ім. М.В.Ломоносова вперше описали природу явища і можливі способи управління примісною люмінесценцією, що відкриває можливості для створення білих світлодіодів або елементів квантової електроніки нового типу.
Люмінесценція або світіння речовини після поглинання енергії збудження була головним напрямком діяльності засновника ФІАН С.І. Вавилова. Сьогодні співробітники відділу люмінесценції ім.С.І. Вавилова ФІАН і факультету наук про матеріали МДУ досліджують властивості квантових точок, що використовуються у складі різного роду випромінювачів.
Механізм люмінесценції в твердому тілі розрізняється в залежності від того, відбувається вона за участю електронної підсистеми всього кристала або ж всередині домішкового центру. Що стосується першого типу, міжзонної люмінесценції, обумовленої електронними переходами між валентною зоною і зоною провідності, то вона вже добре і детально вивчена. Однак зі зменшенням розмірів світловипромінюючих нанокристалів роль міжзонної люмінесценції помітно знижується - починає домінувати примісна люмінесценція, обумовлена електронними переходами між зонами і донорно-акцепторними рівнями домішних і поверхневих атомів. Цільного уявлення про природу цього явища поки не існує. Між тим, дослідження примісної люмінесценції та виявлення можливостей управління її характеристиками здатні допомогти у створенні нових органічних світловипромінюючих діодів та елементів квантової електроніки. Оптики давно мріють про створення джерела білого світла, ідентичного природному. Зараз він виходить лише при комбінації випромінювачів червоних, зелених і синіх кольорів, а з грамотним використанням широкого спектру поверхневої люмінесценції джерела білого світла можна буде отримувати на основі однієї речовини
".Люмінесценцію кристалів CdS вивчають з середини ХХ століття. Звичайно, весь цей час досліджувалися в основному не квантові точки, а звичайні монокристали, але в них теж спостерігалася досить інтенсивна примісна люмінесценція. Правда, що з нею далі робити - залишалося незрозумілим, - розповідає один з авторів дослідницької роботи Олексій Кацаба - студент 5 курсу МФТІ, який працює у відділі Люмінесценції ФІАН під керівництвом д.ф.-м.н. Олексія Вітухновського, - Ми ж пропонуємо деякий розвиток теми. Наші зразки вирощені методом колоїдної хімії, у них велика примісна люмінесценція, що має складну структуру і температурні залежності, які ми пов'язуємо з передачею енергії між рівнями, що відповідають за світіння поверхневих станів. Таких результатів з чіткою структурою примісної люмінесценції раніше не спостерігалося
". Оптичні властивості напівпровідникових нанокристалів зараз досліджуються практично повсюдно і знаходять своє застосування в різноманітних органічних світлодіодах, біологічних маркерах, лазерах або елементах квантової електроніки. У більшості випадків люмінесценція напівпровідників визначається міжзонними переходами, і тому її колір можна контролювати, змінюючи розміри нанокристалів. Однак з їх зменшенням на поверхню все більше виходять різні дефекти і домішки зразків, збільшується і частка поверхневих атомів. Все це призводить до прояву примісної люмінесценції, властивості якої залишаються невивченими
. У своїй роботі дослідники вивчали наночастинки CdS характерних розмірів в 4-5 нм. Вони були отримані з пересиченого розчину висококиплячого неполярного розчинника і додатково стабілізовані олеїновою кислотою. Така обробка повинна була зв'язати поверхневі стани і погасити домішку люмінесценцію, але аналіз зразків показав, що на поверхні наночастинок в достатку залишилися непрореагували ділянки. Тому отримана зважка нанокристалів у розчині випромінювала жовте світло, що за спектрами відповідало примісній люмінесценції. При цьому на спектрах також присутній і основний, малий за інтенсивністю, міжзонний пік люмінесценції на довжинах хвиль синього кольору. Широка ж примісна область є суперпозицією трьох окремих піків, поведінка яких зі зміною температури розрізняється. "Пік, пов'язаний із зоною всередині квантової точки, зміщується з таким же характером, як міжзонний ексітонний перехід.Виходить, що деякі переходи і лінії в домішковому спектрі теж залежать від розміру квантової точки. Зміна розміру смуги зсуватиметься. Про це говорять і температурні залежності ", - пояснює Олексій Кацаба. На основі цих термічних залежностей спектрів і кінетичних кривих фотолюмінесценції вдалося побудувати модель енергетичних рівнів і переходів, що відповідають за оптичні властивості зразків. Результати дослідження планується опублікувати в Journal of Chemical Physics. На
малюнку - спектри фотолюмінесценції напівпровідникових нанокристалів CdS з кроком по температурі близько 30К.