Методы получения и оптические свойства наночастиц сульфида кадмия

Методы получения и оптические свойства наночастиц сульфида кадмия. Как было недавно обнаружено [6], трехмерные микрокристаллы полупроводниковых соединений могут быть выращены в объеме прозрачной диэлектрической матрицы силикатного стекла, и их образование может быть непосредственно детектировано по спектрам оптического поглощения.

При этом оказалось, что средний размер микрокристаллов в матрице можно направленно менять в процессе выращивания в широких пределах от десятков до нескольких сотен ангстрем.

Синтез полупроводниковых соединений в диэлектрической матрице, кроме принципиально важной возможности получения кристаллов микроскопических размеров, имеет еще одно преимущество. Действительно, поскольку концентрации кристаллической фазы в матрице относительно невелика, оказывается возможной непосредственно записывать спектры поглощения кристаллов на относительно толстых образцах, получаемых механической полировкой [3]. Таким образом, подобные гетерогенные стекла оказываются новым, чрезвычайно удобным объектом для исследования размерных эффектов в полупроводниках. В работе [6] рассматривается выращивание микрокристаллов в многокомпонентном силикатном стекле, в котором полупроводниковая фаза, концентрации приблизительно 1%, была растворена в течение синтеза.

При вторичной термической обработке стеклянных образцов зародышеобразование и рост полупроводниковых микрокристаллов происходит в результате диффузионного фазового разложения пересыщенного твердого раствора.

На рис.1.1 показана экспериментальная зависимость среднего радиуса микрокристалла CdS как функция времени нагрева для ряда температур. Величина среднего радиуса микрокристалла для образца была определена методом малоуглового рентгеновского рассеяния в аппроксимации сферических частиц. Наблюдаемые зависимости описаны выражением, полученным в теоретической статье для диффузного фазового разложения пересыщенного твердого раствора в стадии переконденсации: (1.4), где - коэффициент диффузии, α – коэффициент, который определен граничным поверхностным натяжением, и t – время термообработки.

Таким образом, выбирая надлежащие условия термической обработки (температура и время), можно варьировать размер микрокристаллов управляемым способом [7]. Было также показано, что Рис. 1.1. Зависимость среднего радиуса микрокристалла CdS от времени нагрева t при различных температурах термообработки [7]. стадия роста переконденсации характеризуется стационарным (установившимся) состоянием распределения по размерам, которое не зависит от начальных условий, и для этого распределения было получено аналитическое выражение.

Это выражение фактически описывает распределение по размерам полупроводниковых частиц, выращенных по рассматриваемой методике [6]. Этот факт дает возможность принять во внимание дисперсию размеров микрокристаллов при выполнении количественного анализа экспериментальных результатов, рассмотренную в этом параграфе.

Также наночастицы CdS получали [10, 11] путем быстрого смешивания при комнатной температуре водных растворов сульфата кадмия, содержащих стабилизатор с эквимолярными количествами сульфида натрия в небольшом объеме воды. В качестве стабилизаторов использовали желатин и поливиниловый спирт (ПВС). Величина смещения края полосы поглощения, как показали опыты, зависит от природы стабилизатора, его количества, а так же от содержания образовавшегося сульфида кадмия.

У частиц, стабилизированных добавками ПВС, она невелика и составляет лишь 15-20 нм (рис.1.2 а, спектр 1) , тогда как при стабилизации желатином край полосы поглощения может сдвигаться на 60 нм (рис.1.2 а, спектр 3) и даже больше. Использование корреляционной зависимости между пороговой длиной волны поглощения и диаметром кристаллита позволило получить оценочные величина среднего размера частиц, характеризующихся спектрами 1 и 3 (рис.1.2 а). Они имеют значения, близкие к 5 нм и к 3 нм, соответственно.

Необходимо отметить при этом, что наличие в спектре (рис.1.2) достаточно хорошо разрешенного экситонного пика при 360 нм может служить указанием на относительно узкое распределение частиц по размерам в растворах, стабилизированных желатином. При большей концентрации CdS этот пик становится менее выраженным, появляется дополнительное поглощение в области 370-450 нм и край полосы, характеризующийся максимумом при 360 нм, поскольку смещается в длинноволновую сторону (рис.1.2 а, спектр 2). Все это свидетельствует о том, что наряду с частицами, которым принадлежит спектр 3, присутствуют также более крупные образования.

Как видно из рис.1.2 б, на спектры поглощения коллоидных растворов CdS существенное влияние оказывает концентрация желатина. В растворах, содержащих 0.5 и 0.25% желатина, образуются наборы малых частиц с узким распределением по размерам (спектры 1 и 2). При переходе к более разбавленным растворам происходят изменения, подобные тем, которые наблюдаются при повышении концентрации CdS (спектры 3 и 4), а при стабилизации 0.01% желатином получаются частицы, которые, судя по краю полосы, расположенному около 500 нм, имеют диаметр, близкий к 5 нм (спектр 5). В противоположность рассмотренному случаю, варьирование концентрации ПВС от 0.1 до 5% практически не влияет на спектры поглощения; они во всех случаях остаются такими же, как спектр 1 на рис. 1.2,а. Рис. 1.2. Изменение спектров поглощения растворов наночастиц сульфида кадмия в зависимости от концентрации CdS и природы стабилизатора (а), концентрации желатина (б): а: 1, 3 – концентрация CdS 5•10-4 моль/л; 2 – 1*10-3 моль/л (стабилизаторы: 1 – 1% поливиниловый спирт, 2,3 – 0.5% желатина; толщина слоя: 1,3 – 1 см; 2 – 0.5 см); б: 1 - концентрация желатина 0.5%; 2 – 0.25%; 3 – 0.1%; 4 – 0.05%; 5 – 0.01% (концентрация CdS 5•10-4 моль/л) [7]. В работе [6] была развита методика выращивания полупроводниковых микрокристаллов в стеклянной диэлектрической матрице.

Эта методика позволяет варьировать размер выращенных микрокристаллов управляемым способом от нескольких десятков до тысяч ангстрем.

Изучалась размерная зависимость спектров поглощения соединений А2В6. Наблюдался с уменьшением размера микрокристаллов значительный сдвиг в коротковолновую сторону линий экситона и фундаментального края поглощения.

Это явление обусловлено квантово-размерным эффектом свободных носителей и энергетических спектров экситона в микрокристаллах.

Гетерофазные системы представляют интерес как новый класс объектов, которые могут использоваться для исследования квантово-размерного эффекта в полупроводниках [6]. Фактически микрокристалл в диэлектрической матрице можно трактовать, как трехмерную потенциальную яму для электронов, дырок, экситонов и т.д. Глубина ямы в таких системах может быть порядка нескольких электронвольт. Так как квазичастицы имеют ограниченное пространство, чтобы двигаться, их движение возможно только для определенных значений энергии; таким образом, их энергетический спектр квантован.

Наблюдалось, что квантово-размерный эффект в таких системах проявляется как коротковолновое смещение спектров с уменьшением размеров микрокристаллов. Величина квантово-размерного смещения строго зависит от кулоновского взаимодействия электронов и дырок. Имеются два случая ограничений: первый – когда микрокристаллический размер а гораздо меньше чем радиус экситона аех (а<<aex) и сдвиг края поглощения обусловлен квантованием свободных носителей; второй – когда аех<<a и происходит квантование размера экситонов.

Авторы [6] подробно рассматривают первый случай. Размерное квантование энергетического спектра носителей изучалось в стеклах, содержащих соединения А2В6, в которых радиус экситонов большой (аex=30&#197; для CdS). Рисунок 1.3 показывает спектры поглощения стекловидных образцов, отличающихся средним радиусом выращенных микрокристаллов CdS. Как можно заметить, экситонная структура исчезает, когда размер микрокристаллов сопоставим с радиусом экситона.

При уменьшении размера появляется коротковолновый сдвиг края поглощения, а также колебательная структура в спектрах поглощения. Замечено [6], что ширина запрещенной зоны микрокристаллов CdS возрастает, благодаря квантово-размерному эффекту, до значения Eg=3.2 эВ. Положение абсорбционных линий, обусловленных межзонными переходами на квантовые подуровни зоны проводимости как функция размера микрокристаллов, которая была рассчитана по выражению (1.2). В некоторых случаях полимерные пленки были подвергнуты одноосному натяжению для изменения размера полимерных пор. Микроскопические наблюдения [2] показали, что CdS полимерные композиты имеют слоистую структуру.

Имеется полимерный слой желтого цвета вблизи поверхности полимерной пленки, который содержит кластеры CdS и бесцветный полимерный слой в середине пленки, не содержащей CdS. Типичная ширина полимерного слоя с CdS около 10 мкм, в то время, как вся ширина полимерного слоя около 100 мкм. Объемная концентрация была рассчитана для полимерного слоя CdS, так как образцы имели слоистую структуру.

Величина концентрации CdS в пленках варьировалась от 0.5% до 90%, а объемная концентрация CdS в полимерном слое с CdS- от 0.1 объемного процента до 50 объемных процентов. Дифрактограмма рентгеновских лучей показывает модель гексагонального CdS. Наблюдалось отражение в пределах 2&#61553;– 52&#730;, 44&#730;, 26.5&#730; и 24&#730;. Уширение линии дифракционного сигнала при 44&#730; было использовано для расчета.

Рис.1.3. Зависимость спектра поглощения микрокристалла CdS от размера: (1) -320 &#506; ; (2) - 23 &#506; ; (3) – 15 &#506;; (4) – 12 &#506; [6]. диаметра (размера) частиц CdS. При высокой концентрации (~10%) среднее значение расстояния между частицами было такого же порядка, как и их размер (диаметр). При максимальных концентрациях CdS возможно существование агрегатов кластеров. В образцах, подвергнутых одноосному натяжению [1 0 0 ], отражение Х-лучей при 24&#730; наблюдалось при незначительно меньшем угле, чем в макрокристаллическом материале (где оно локализовано при 24.8&#730;) и интенсивность этого отражения была повышена более чем на один порядок.

Его уширение было также в 1.2-2 раза меньше, чем других отражений. Эти результаты можно, вероятно, объяснить, если предположить существование ориентации кластеров CdS, и что среднее значение размера частицы удлиняется в направлении растяжения, т.е. существует текстура нанокомпонетов.

Такое изменение кластеров может быть объяснено аномальной деформацией пор в полимерных пленках в растянутой пленке и ростом ядра кластера с преимущественной ориентацией в направлении [1 0 0] в этих растянутых порах. Оптические исследования были сделаны в ультрафиолетовой и видимых областях [2]. Нормированный коэффициент объемного поглощения CdS определяется из спектра поглощения, принимая во внимание расчет поглощения полимера.

В случае прямых разрешенных оптических переходов между параболическими зонами, если зависимость (k(x)h&#969;)1/2 от h&#969; (где k(x) – коэффициент поглощения) известна, можно определить ширину запрещенной зоны Eg. В этом случае Eg была определена для всех образцов с различными концентрациями CdS. При низких концентрациях (~0.8%) Eg была больше, чем в объеме. Этот эффект, вероятно, может быть причиной размерного квантования электронов (дырок) в малых кластерах. Для больших концентраций CdS (>10%) Eg меньше, чем в объеме CdS [2]. Спектр люминесценции CdS в полимере был исследован при комнатной температуре и температуре жидкого азота.

Пик в спектре Емах сдвигается в сторону меньших энергий, когда объемная концентрация CdS возрастает. Для максимума величин концентраций (20-30 объемных процентов) пик люминесценции сдвигается до 0.7 эВ. Таким образом, как положение пика люминесценции, так и Eg, зависят от концентрации CdS матрицы. Полуширина спектра находится около 1 эв для малых концентраций и убывает до 0.5 эВ для больших.

Интенсивность люминесценции убывает значительно при высоких концентрациях, и, следовательно, для этих композитов наблюдается концентрационное тушение люминесценции. Убывание Eg может быть интерпретировано как влияние диполь дипольного электрического взаимодействия в кластерах. Расчет показывает, что при высоких концентрациях кластеров электрическое поле внутри кластера, обуславливающее это взаимодействие, может быть 0.5 * 107 В/см. Следовательно, уменьшение Eg, обусловленное эффектом Франца-Келдыша, может быть значительно больше в случае экспериментально наблюдаемого эффекта.

Уменьшение интенсивности люминесценции при высоких концентрациях можно также интерпретировать как результат передачи электронно-дырочного возбуждения от одного кластера к другому, обусловленного электрическим взаимодействием. 1.3.Люминесценция нанокристаллов сульфида кадмия, внедренных в полимер В работах [10, 11] приведены исследования люминесценции наночастиц CdS, которые были получены путем быстрого смешивания при комнатной температуре водных растворов сульфата кадмия, содержащих стабилизатор с эквимолярными количествами сульфида натрия в небольшом объеме воды. В качестве стабилизаторов использовали желатин и поливиниловый спирт (ПВС). Спектр испускания образцов CdS/полимер представляет собой широкую бесструктурную полосу с &#955;=630 нм (рис.1.4), т. е. на 40 нм сдвинут в более коротковолновую область по сравнении со спектром образцов CdS– ПВС. Наличие в растворе избытка сульфид ионов CdS-поливиниловый спирт (ПВС) тушит люминесценцию [11], в то время как добавление ионов Сd2+ не оказывает заметного влияния на спектральные и кинетические особенности люминесценции.

Указанное положение максимума спектра испускания люминесценции соответствует донорному уровню, находящемуся на 0,55 эВ ниже дна зоны проводимости.

Присутствие сульфид ионов тушит люминесценцию, а ионов Cd2+ – приводит к небольшому (~20%) ее разгоранию.

Наблюдаемая люминесценция образцов CdS/полимер, по-видимому, также связана с наличием вакансий серы. Эффективное тушение люминесценции сульфид ионов указывает на то, что эти вакансии в основном локализованы на поверхности закрепленных на полимере частиц. Сдвиг донорного уровня на 0,12 эВ по сравнению с уровнем CdS-ПВС обусловлен, вероятно, поверхностными вакансиями серы с отрицательно заряженными новообменными группами сульфированного фторопласта – SO32 Взаимодействие этих же групп с дополнительно вводимыми ионами Cd2+ приводит к эффективной адсорбции последних на поверхности катионообменных полостей в полимере, что частично ослабляет связи VS - SO32 тем самым, увеличивая число свободных вакансий серы и соответственно в интенсивности люминесценции.

Интегральный квантовый выход фотолюминесценции сухих образцов CdS/полимер составляет Ф=(5.5±1)•10-2. Увлажнение тех же образцов приводит к уменьшению квантового выхода в 3 – 5 раз, причем отмеченные изменения квантового выхода происходят обратимым образом.

Авторы работы [3] также отметившие аналогичные изменения квантового выхода, связывали их с набуханием полимера в воде, которое приводит к увеличению числа контактов типа поверхность частицы CdS/полимер. Это уменьшает количество поверхностных центров излучательной рекомбинации и, следовательно, интенсивность фотолюминесценции. Интегральный квантовый выход фотолюминесценции коллоида CdS – ПВС равен (1.0±0.1)•10-3, т.е. примерно на порядок ниже квантового выхода для влажных образцов CdS/полимер.

Такое различие обусловлено более высокой концентрацией вакансий на поверхности частиц CdS в полимере, поскольку в последнем случае вакансии могут возникать, по-видимому, также и из-за взаимодействия поверхностных ионов кадмия с группами SO3- полимера вместо сульфид ионов. В работе [11] показано, что кинетические кривые затухания фотолюминесценции образцов CdS/полимер неэкспоненциальны, причем суммарная продолжительность люминесценции достигает почти микросекунды, что соответствует эффективному времени жизни люминесценции 200 – 300 пс. В то же время для коллоидных образцов время жизни фотолюминесценции обычно составляет несколько наносекунд [5,6,7], хотя известны и случаи более длительной люминесценции [4]. Для сухих образцов CdS/полимер также наблюдалась длительная неэкспоненциальная люминесценция (рис.1.5), причем в интервале 150 – 400 нс после возбуждающего импульса характерное время жизни люминесценции оказалось равным 180 нс. Однако и для коллоидных образцов CdS - ПВС наряду с относительно короткоживущей люминесценцией (время жизни 2 – 5 нс, т.е. чуть больше длительности вспышки возбуждающего света) мы обнаружили долгоживущую фотолюминесценцию с эффективным временем (соответствующим краю кинетической кривой на рис.1.5) ~500 пс. Последняя величина превышает время жизни люминесценции образцов CdS/полимер.

В целом кинетика фотолюминесценции исследованных образцов, особенно CdS – ПВС, имеет довольно сложный вид и существенно неэксноненциальна (см. рис.1.5). Как показано в [5], время жизни &#964;а фотогенерированных дырок в малой частице полупроводника n-типа сильно зависит от размеров частицы: (1.5) где – время жизни дырок в массивном полупроводнике, k – эффективная константа скорости поверхностной реакции дырок, ro – радиус частицы.

Согласно [6], время жизни &#964; неравновесных дырок в массивном образце CdS составляет ~1 мкс, вследствие чего определяющий вклад в Рис.1.4. Спектры возбуждения и испускания люминесценции CdS/полимер (сплошная линия), CdS - ПВС (штриховая линия) [11]. Рис.1.5. Кинетические кривые спада фотолюминесценции (&#955;=670нм) коллоида CdS-ПВС, [CdS]=5•10-4моль/л (1), содержащего дополнительно [Na2S]=3•10-3(2), 3.5•10-4моль/л (3); (4)-сухого образца CdS-полимер (&#955;=630нм) [11]. наблюдаемую кинетику фотолюминесценции обсуждаемых образцов вносят реакции дырок на поверхности частиц полупроводника.

Выше уже отмечалась существенная полидисперсность CdS/полимер и CdS – ПВС. Наличие в образце частиц, различающихся по размерам в десятки раз, приводит к столь же широкому набору времен жизни фотолюминесценции и к неэкспоненциальности ее кинетики.

Наблюдаемое существенное отличие эффективных времен жизни фотолюминесценции образцов CdS/полимер и CdS – ПВС, возможно, обусловлено тем, что в случае полимерной матрицы крупные частицы полупроводника, образующиеся, как указывалось, за счет ассоциация катион обменных полостей, не являются на самом деле поликристаллами, как это имеет место в CdS, поскольку слагающие их кристаллиты с размерами 10 и 36 &#197; могут быть электрически изолированными за счет тонких прослоек полимера.

В целом же определяющее влияние дисперсности полупроводника на его люминесцентные кинетические характеристики является несомненным.

Присутствие в растворе сульфида натрия приводит к уменьшению интенсивности люминесценции, но не влияет на вид кинетической кривой затухания свечения (рис.1.5). Как видно из рис.1.6, зависимость интенсивности фотолюминесценции образца CdS – ПВС от концентрации тушителя описывается уравнением ln(Io/I)=[Q]/Q, где Q – средняя по объему концентрация Na2S, содержащегося в образце.

Ранее [5,6] указывалось, что такие особенности тушения люминесценции могут возникать вследствие сильной адсорбции тушителя на поверхности частиц полупроводника. Действительно, полученная изотерма адсорбции сульфид ионов из водного раствора на поверхности частиц суспензии CdS указывает на то, что практически монослойное заполнение поверхности CdS сульфид ионами достигается уже при очень низких ~10-4 моль/л концентрациями сульфида натрия в растворе.

При более высоких концентрациях Na2S в растворе количество адсорбированного сульфата натрия остается практически постоянным вплоть до [Na2S]=5х10-3 моль/л (при [Na2S]>5•10-3 моль/л наша методика не позволяет надежно измерить количество адсорбированного Na2S) и равно &#952;&#8734;=(1.4±0.1)•10-3 моль/см2. В соответствии с [6] . (1.6) Это выражение позволяет из данных по тушению люминесценции вычислить эффективный диаметр частиц в коллоиде, d=10 &#197;. Эта величина практически совпадает с непосредственно измеренными диаметрами частиц.

По-видимому, для более точного вычисления радиуса суспензированных частиц по данным люминесцентных измерений необходимо усреднить соответствующее (1.6) выражения по функции распределения частиц по размерам. 1.4.