Исследование наноструктур методами электронного парамагнитного резонанса и оптически детектируемого магнитного резонанса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Толмачев, Данил Олегович

• Толмачев, Данил Олегович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Толмачев, Данил Олегович

Содержание.

Введение.

Основные положения выносимые на защиту.

I. Обзор литературы.

1.1 Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР).

1.2 Исследования коллоидных нанокристаллов.

1.3 Исследование микро- и нанокристаллов, встроенных в кристаллическую матрицу щелочногалоидных кристаллов.

1.4 Исследования разбавленных магнитных полупроводников, на основе полупроводниковых соединений АгВб с примесью Мп.

1.5 Цели работы.

II. Методика эксперимента.

2.1 Приготовление образцов.

2.2 Оптическая регистрация магнитного резонанса.

2.3 Спектрометр ЭПР.

III. Исследования нанокристаллов ZnO, полученных методами коллоидной химии.

3.1 Туннельное рекомбинационное послесвечению в нанокристаллах ZnO.

3.2 Оптическое детектирование магнитного резонанса по туннельному послесвечению нанокристаллов ZnO.

3.3 Обменно связанные донорно-акцепторные пары в нанокристаллах ZnO.

3.4 ОДМР в дисперсных нанокристаллах. Оценка размеров.

IV. Исследование ионных кристаллов с примесными наноструктурами - перспективных материалов для компьютерной радиографии.

4.1 Туннельное рекомбинационное послесвечение и фотостимулированная люминесценция в кристаллах CsBr:Eu и CsBr:Pb.

4.2 Люминесценция нанокристаллов встроенных в матрицу CsBr.

4.3 Излучение автолокализованных экситонов в фотостимулированной люминесценции.

4.4 Закалка кристаллов CsBnEu и CsBr:Pb и образование нанокластеров (нанокристаллов).

4.5 Эффекты кросс-релаксации и пространственные корреляции дефектов.

V. Исследование эпитаксиальные структур с квантовыми ямами и квантовыми точками CdSe/ZnSe:Mn.

5.1 Фотолюминесценция и ОДМР квантовых точек.

5.2 Анизотропия ОДМР и тонкая структура.

5.3 ОДМР в структуре с квантовыми ямами. Перенос энергии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование наноструктур методами электронного парамагнитного резонанса и оптически детектируемого магнитного резонанса»

Настоящая работа посвящена изучению нескольких типов низкоразмерных систем, методами люминесценции, электронного парамагнитного резонанса и оптически детектируемого магнитного резонанса.

В диссертационной работе представлены результаты исследований трех различных типов наноструктур:

1. Коллоидные нанокристаллы ZnO. В работе исследовались свободные квантовые точки (free-standing quantum dots), представляющие собой нанокристаллы ZnO, покрытые одним-двумя монослоями Zn(OH), полученные методами коллоидной химии. Нами исследовались нанокристаллы размерами от 2 до 6 нм.

2. Нанокристаллы и нанокластеры, образующихся в матрице щелочнога-лоидных кристаллов (CsBr, КВг) с двухвалентной примесью (Eu2+,Pb2+) в результате самоорганизованного роста. Такие системы являются перспективными фосфорами для записи рентгеновской информации (Х-гау storage phosphors). В то же время в щелочногалоидных кристаллах с примесью Pb2+, Mn2+, Еи2+ и др., вследствие наличия компенсирующих избыточный заряд катионных вакансий, имеется тенденция к образованию примесных нанокластеров (нанокристаллов или фазы Сузуки) даже при комнатной температуре.

3. Эпитаксиальные полумагнитные структуры с квантовыми ямами и квантовыми точками на основе соединений А2Вб с примесью Мп. В работе исследовались структуры CdSe/ZnSe с примесью Мп с образовавшимися в результате самоорганизованного роста квантовыми точками, и структуры с субмонослойными квантовыми ямами Cd(Mn)Se/ZnSe.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и основанные на ЭПР методы является очень тонким инструмент для изучения малых расщеплений энергетических уровней различных систем под действием внешнего магнитного поля, а также воздействий внутри исследованных систем. Метод ЭПР является основным при определении электронной структуры различных дефектов и возбуждений в полупроводниках.

Однако, вследствие • сравнительно низкой чувствительности традиционного метода ЭПР, исследования систем пониженной размерности этим методом широкого распространения не получили. В низкоразмерных системах количество исследуемых парамагнитных центров значительно ниже, чем в объемных кристаллах тех же размеров, что затрудняет исследование методами традиционной радиоспектроскопии из-за их недостаточной чувствительности.

Оптические методы обладают намного большей чувствительностью и пространственной селективностью, но их разрешение и возможность получить структурную информацию о дефекте на микроскопическом уровне не могут сравниться с методами радиоспектроскопии.

Достоинства ЭПР и оптики удалось совместить в методе двойного микроволново-оптического резонанса - оптически детектируемом магнитном резонансе (ОДМР). Метод ОДМР на сегодняшний день зарекомендовал себя как эффективный инструмент для исследований в области физики полупроводников и твердого тела, позволяющий получить детальную информацию об электронной структуре дефектов и экситонов. Высокая чувствительность, хорошее разрешение и пространственная избирательность позволяют использовать метод ОДМР для изучения дефектов, носителей и экситонов в квантовых ямах, сверхрешетках, квантовых точках и нанокри-сталлах. Метод ОДМР представляет особый интерес для исследования влияния эффектов пространственного ограничения на физические характеристики носителей, экситонов и рекомбинационных процессов.

Основные положения выносимые на защиту

В оптически возбужденных нанокристаллах ZnO наблюдается спин-зависимая рекомбинация электронных и дырочных центров, приводящая к длительному послесвечению . В Туннельном послесвечении, участвуют мелкие доноры и глубокие акцепторы трех типов: атомы лития, замещающих атомы цинка LiZn , вакансии цинка VZn; и глубокие акцепторы, связанных с натрием, расположенные вблизи интерфейса.

В спектре фотолюминесценции нанокристаллов ZnO, преобладает излучение обменно-связанных донорно-акцепторных пар.

Метод оптического детектирования магнитного резонанса может быть применен для диагностики размеров нанокристаллов в системе дисперсных нанокристаллов ZnO, к которой традиционный метод ЭПР не применим.

В спектрах послесвечения и фотостимулированной люминесценции кристаллов CsBr:Eu и CsBr:Pb присутствует люминесценция наноструктур (нанокластеров европия в системе CsBr:Eu и нанокристаллов CsPbBr3 в кристалле CsBr:Pb).

В спектрах туннельного послесвечения излучение нанокластеров европия в кристаллах CsBr:Eu и нанокристаллов СбРЬВгз в CsBr:Pb возбуждается за счёт рекомбинации F-VK центров в матрице CsBr. Имеет место пространственная корреляция Еи2+ и дефектов, создаваемых рентгеновским излучением

В квантовых точках и субмонослойных квантовых ямах CdMnSe/ZnSe наблюдается анизотропия спектров ОДМР марганца, связанная с появлением расщепления тонкой структуры одиночных ионов марганца из-за пониженной размерности структуры.

В квантовых ямах Cd(Mn)Se/ZnSe происходит передача энергии возбуждения от экситонов в квантовой яме к центрам Мп . ч

I. Обзор литературы

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Толмачев, Данил Олегович

VI. Заключение

1. Впервые обнаружено длительное послесвечение в возбужденных светом квантовых точках ZnO, обусловленное спин-зависимой туннельной рекомбинацией электронных и дырочных центров. Наблюдалось значительное увеличение интенсивности послесвечения при изменении ориентации спинов электронных и дырочных центров в условиях электронного парамагнитного резонанса, позволившее произвести идентификацию этих центров. Предложен способ оценки размеров нанокристаллов по спектрам ОДМР.

2. Продемонстрирована возможность регистрации ОДМР в диспергированных нанокристаллах ZnO, что было невозможно сделать традиционным методом ЭПР — до этого магнитный резонанс регистрировался только образцах, представляющих собой сухой порошок. Данный метод является весьма перспективным для изучения материалов и структур для фотовольтаики, в которых коллоидные нанокристаллы ZnO применяются в сочетании с полимерными органическими соединениями.

3. Рекомбинационные процессы приводящие к туннельному послесвечению и фотостимулированной люминесценции в системах перспективных в качестве рентгеновских запоминающих фосфоров (X-ray storage phosphors) были изучены методами люминесценции, ЭПР и ОДМР. Данные системы представляют собой примесные ионные кристаллы, в которых могут образовываться самоорганизованные наноструктуры.

4. В кристаллах CsBr:Eu и CsBriPb, подвергнутых рентгеновскому облучению, был обнаружен, направленный перенос энергии спин-зависимой рекомбинации электронно-дырочных пар и автолокализованных экситонов в объемном ионном кристалле (матрице) к внедренным в матрицу в результате самоорганизованного роста низкоразмерным структурам, т.е. нанокристаллам CsPbBr3 в кристалле CsBr:Pb и нанокластерам европия в системе CsBr:Eu. Сделано предположение о существовании механизма передачи энергии от индивидуальных ионов Ей к нанокластерам Ей. Рекомбинирующие центры были идентифицированы методом ОДМР, регистрируемого по туннельному послесвечению, фотостимулированной люминесценции, в том числе по люминесценции наночастиц.

5. В самоорганизованных квантовых точках Cd(Mn)Se/ZnSe ЭПР и в суб-монослойных квантовых ямах Cd(Mn)Se/ZnSe методом ОДМР обнаружена тонкая структура изолированных ионов Мп2+, возникающая в следствие пониженной размерности системы.

6. В субмонослойных квантовых ямах Cd(Mn)Se/ZnSe ЭПР марганца регистрировался как по экситонной люминесценции квантовой ямы, так и по внутрицентровой люминесценции марганца. Был обнаружен спин-зависимый перенос энергии возбуждения от экситона к ионам Мп .

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Толмачев, Данил Олегович, 2010 год

1. А. Абрагам, Б. Блини. Электронный парамагнитный резонанспереходных ионов. Мир, Москва, 1973.

2. Дж. Вертц, Дж. Болтон. Теория и практические приложения метода1. ЭПР. Мир, Москва, 1975.

3. B.C.Cavenett. Adv. Phys., 4 (1981), 475-538.

4. P. G. Baranov, N. G. Romanov. Appl. Magn. Reson., 21 (2001), 165-193. andreferences therein.

5. F.Bitter, J. Brossel. Phys.Rev., 86 (1952), 308.

6. Geschwind, S., ed. Electron paramagnetic resonance. Chap. 5. Plenum1. Press, New York, 1972.

7. П.Г. Баранов, Н.Г.Романов. Физика Твердого Тела, 41, 56 (1999), 805807.

8. S. В. Orlinskii, J. Schmidt, P.G. Baranov, D.M. Hofmann, C. de Mello

9. Donega, and A. Meijerink. Phys. Rev. Lett., 92 (2004), 047603.

10. П.Г. Баранов, Н.Г.Романов, И.В.Машков, Г.Б.Хитрова, Х.М.Гиббс,

11. О.Лунгрес. Физика Твердого Тела, 37, 10 (1995), 2991-3004.10N. G. Romanov, A. G. Badalyan, D. О. Tolmachev, V. L. Preobrazhenski, P. G. Baranov, К. Nitsch, К. Polak, J. Rosa. Int. J. Nanoscience, 6, 5 (2007), 311-314.

12. P. G. Baranov, N.G. Romanov, D.O. Tolmachev, R.A. Babunts, B.R. Namozov, Yu.G. Kusrayev, I.V. Sedova, S.V. Sorokin, S.V. Ivanov. JETP Letters, 88, 9 (2008), 724-728.

13. S. B. Orlinskii, J. Schmidt, P.G. Baranov, V. Lorrmann, D. Rauh, I. Riedel,

14. V. Dyakonov. Phys. Rev. B, 77 (2007), 115334.

15. G. N. Panin, T. W. Kang, A. N. Aleshin, A. N. Baranov, Y.-J. Oh and I. A.

16. Khotina. Appl. Phys. Lett. , 86 (2005), 113114.

17. W. J. E. Веек, M. M. Wienk and R. A. J. Janssen. Adv. Funct. Mater. , 162006).

18. M. Pientka, V. Dyakonov, D. Meissner, A. Rogach, D. Talapin, H. Weller, L.1.tsen, and D. Vanderzande. Nanotechnology, 15 (2004).

19. W. U. Huynh, J. J. Dittmer, and A. P. Alivisatos. Science, 295 (2002), 2425.

20. S. B. Orlinskii, J. Schmidt, E.J.J. Groenen, P.G. Baranov, C. de Mello

21. Donega, and A. Meijerink. Phys. Rev. Lett., 94 (2005), 097602.

22. S. B. Orlinskii, H. Blok, J. Schmidt, P.G. Baranov, C. de Donega, and A.

23. Meijerink. Phys. Rev. B, 74 (2006), 045204.

24. O. F. Schirmer, and D. Zwingel. Solid State Commun., 8 (1970), 1559.

25. A.L. Taylor, G. Filipovich and G.K. Lindeberg. Solid State Communications,8 (1970), 1359.21D. Bimberg, M. Grundmann and N.N. Ledentsov. Quantum Dot Heterostructures. John Wiley and Sons Ltd., Chichester, 1998.

26. P. Hackenschmied, G. Schierning, M. Batentschuk, A. Winnacker. J. Appl.1. Phys., 93 (2003), 5109.

27. H. Vogelsang, O. Husberg, U. Kohler, W. von der Osten and A.P. Marchetti.

28. Phys. Rev. B, 61 (2000), 1847.

29. M. Haselhoff, and H.-J. Weber. Phys. Rev. B, 58 (1998), 5052.25П.Г. Баранов, Н.Г. Романов, B.JI. Преображенский, B.A. Храмцов. Письма вЖЭТФ, 76 (2002), 465.

30. М. Nikl, К. Nitsch, К. Polak, et al. Phys. Rev. B, 51 (1995), 5192.

31. M. Nikl, K. Nitsch, K. Polak et al. J. Luminescence, 12-1A (1997), 377.

32. Suzuki, K. J. Phys. Soc. Jpn., 16 (1961), 67.

33. Sweizer, S. Phys. stat. sol. (a), 187 (2001), 335.

34. A. P. Marchetti, K. P. Johansson, G. L. McLendon. Phys. Rev. B, 47/81993), 4268.

35. А. Волошиновский, С. Мягкота, А. Глосковский, С. Зазубович. ФТТ, 432001), 1808.

36. Мягкота, С. В. Оптика и спектроскопия, 87 (1999), 311-315.

37. Зоренко Ю. В., Турчак Р. М., Констанкевич И. В. ФТТ, 46, 7 (2004). 34Furdyna, J. К. J. Appl. Phys., 64 (1988), R29.

38. A. V. Komarov, S. M. Ryabchenko, О. V. Terletskii, I. I.Zheru, and R. D.1.anchuk. Sov.Phys. JETP, 46 (1977), 318.

39. T. Wojtovich, M. Kutrowski, G. Karczewski, J. Kossut, F. J.Teran, and M.

40. Potemski. Phys. Rev. B, 59 (1999), R10437.

41. S. J. С. H. M. van Gisbergen, M. Godlewski, R. R. Galazka,

42. T.Gregorkowicz, C. A. J. Ammerlaan, and N. T. Khoi. Phys. Rev. B, 48 (1993), 11767.38Abragam, A and Bleaney, B. Electron Paramagnetic Resonance of Transition Ions. Oxford University Press, Oxford, 1970.

43. Meulenkamp, E. A. J. Phys. Chem. B, 102 (1998), 5566-5572.

44. A. V. Chernenko, P. S. Dorozhkin, V. D. Kulakovskii, A. S. Brichkin, S. V.1.anov, and A. A. Toropov. Phys. Rev. B, 72 (2005), 045302.

45. P. R. Kratzert, J. Puis, M. Rabe, and Hennenberger. Appl. Phys. Lett., 192001), 2814.

46. C.J. Delbecq, Y. Toyozawa, and P.H. Yuster. Phys. Rev. B, 9 (1974), 4497.

47. P. G. Baranov, Yu. P. Veshchunov, and N. G. Romanov. Sov. Phys.- Solid1. State, 22 (1980), 2186.

48. N. G. Romanov, V.A. Vetrov, and P.G. Baranov. JETP Lett., 37 (1983), 386.

49. Y. Urda, T. Fujita, Y. Kazumata. J. Phys. Soc. Japan, 46 (1979), 889.

50. П.Г. Баранов, Ю.П. Вещунов, Н.Г. Романов. ФТТ, 20 (1978), 2622. 47П.Г. Баранов, В.А. Ветров, Н.Г. Романов. ФТТ, 25 (1983), 1364.

51. Т. Kawazoe, К. Kobayashi, М. Ohtsu. Appl. Phys. Lett., 86 (2005), 103102. and references therein.49I.P. Pashuk, N.S. Pidzyrailo, M.G. Matsko. Sov. Phys.-Solid State, 23 (1981), 1263.

52. W, Hayes. Semiconductors and Insulators, 3 (1978), 121.

53. P. G. Baranov, V. A. Vetrov, and N. G. Romanov. Sov. Phys. Solid State, 251983).52Savel'ev V P, Avdonin V P, Dugarova L G, Nedashkovskii A P and

54. Plachenov В Т. Sov. Phys. Solid State (1974), 700. 53 W van Puymbroeck, D Schoemaker. Phys. Rev. B, 23 (1981), 1670.54Rliter H H, von Seggem H, Reininger R and Saile V. Phys. Rev. Lett., 65 (1990), 2438.

55. Koschnick F K, Spaeth J-M, Eachus R S, McDugle W G, and Nuttall R H D.

56. Phys. Rev. Lett. , 67 (1991), 3571.

57. Zorenko Yu V, Turchak R M, Konstankevich I V. Functional Materials , 4 (2004), 707.

58. V. G. Abramishvili, A. M. Komarov, S. M. Ryabchenko, and Yu. G.

59. Semenov. Solid State Commun, 78 (1991), 1069.

60. M. Nawroski, Yu.G. Rubo, J.P. Lascaray, and D. Coquillat. Phys. Rev. B, 521995), R2241.59Title, R. S.Phys. Rev., 131 (1963), 2503.

61. Hausmann, A. Solid State Communications, 6 (1968), 457.

62. S. B. Orlinskii, P. G. Baranov, and J. Schmidt.

63. Грачев, В .Г. ЖЭТФ, 65 (1987), 1029.

64. Y. Leger, L. Besombes, L. Maingault, D. Ferrand, and H. Mariette. Phys.

65. Rev. Lett., 95 (2005), 047403.

66. Yu. G. Kusrayev, B. R. Namozov, I. V. Sedova, and S. V. Ivanov. Phys. Rev.1. В, 76 (2007), 153307.

67. Watkins, G. D. Phys. Rev., 113 (1959), 79.

68. P. G. Baranov, V. S. Vikhnin, N. G. Romanov, and V. A. Khramtsov. JETP1.tters, 72 (2000), 329.

69. P. G. Baranov, Yu. P. Veshchunov, R. A. Zhitnikov, N. G. Romanov and Yu.

70. G. Shreter. JETP Letters, 26 (1977), 249.

71. П.Г. Баранов, Ю.П. Вещунов, Н.Г. Романов. ФТТ, 22 (1980), 3732.69Н.Г. Романов, В.А. Ветров, П.Г. Баранов. Письма в ЖЭТФ, 37 (1983), 325.

72. Yu, II and Senna, Mamoru. Appl. Phys. Lett., 66 , 4 (1995), 424.

73. P. G. Baranov, N. G. Romanov, V. S. Vikhnin, V. A. Khramtsov. J.

74. Phys. :Condens. Matter, 13 (2001), 2651-2669.

75. Список публикаций по теме диссертации

76. Баранов П.Г., Романов Н.Г., Толмачев Д.О., Мелло Донега Ц., Маеринк

77. P. G. Baranov, N. G. Romanov, D. O. Tolmachev, R. A. Babunts,

78. B. R. Namozov, Yu. G. Kusrayev, I. V. Sedova, S. V. Sorokin, S. V. Ivanov. Evidence of Mn fine structure in CdMnSe/ZnSe quantum dots caused by their low dimensionality!/ Письма в ЖЭТФ, 2008, т. 88, вып. 9, с. 724-728

79. D О Tolmachev, A G Badalyan, R A Babunts, V A Khramtsov, N G Romanov, P G Baranov and V V Dyakonov. Recombination processes in systems based on doped ionic crystals with impurity-related nanostructures.il J. Phys.: Condens. Matter 22 (2010) p. 295306.

80. N.G.Romanov, D.O.Tolmachev, P.G.Baranov, R.A.Babunts, B.R.Namozov,94