Резонансное одно-и двухфотонное взаимодействие света с экситонами в квантовых точках CdSe/ZnS

В последние годы полупроводниковые структуры, в которых движение носителей ограничено по нескольким направлениям (квантовые ямы, нити и точки), привлекают внимание исследователей [1−6] не только своими специфическими электронными свойствами, но и возможностью их применения в электронных и оптоэлектронных устройствах [1,2].

Ограничение движения носителей в квазинульмерных структурах уменьшает расстояние между электроном и дыркой, тем самым, усиливая эффективное кулоновское взаимодействие между ними. Кроме того, если в квантовых ямах функция плотности состояний имеет ступенчатую форму, то в квантовых проводах и квантовых точках эта функция состоит из набора узких пиков. Безусловно, все это сказывается на оптических, электрических и магнитных характеристиках таких наноструктур, и позволяет надеяться на то, что в наноструктурах все нелинейные эффекты будут проявляться при значительно меньших накачках. Следует также отметить, что в квантовых точках и квантовых нитях практически все происходящие в них процессы даже при, малых уровнях оптического возбуждения можно считать неравновесными.

Дополнительные квантовые ограничения приводят к сужению спектра усиления, большим значениям дифференциального усиления [7], увеличению энергии связи экситонов [2] и большим оптическим нелинейностям [8]. Таким образом, применение наноструктур с пониженной размерностью может улучшить характеристики лазеров (снизить порог генерации, уменьшить влияние изменения температуры на характеристики лазера), оптических переключателей и ограничителей (понизить значения энергий, затрачиваемые на переключение и уменьшить времена переключения).

Совершенствование методов выращивания наноструктур за последнее время позволяет надеяться на то, что все особенности наностуктур, изложенные выше, найдут широкое практическое применение.

Настоящая диссертационная работа посвящена изучению природы нелинейных эффектов, возникающих при распространении мощных ультракоротких световых импульсов различной интенсивности в среде с полупроводниковыми квантовыми точками в условиях однои двухфотонного резонансного возбуждения основного экситонного состояния. Одной из основных особенностей спектров исследуемых наноструктур является их значительное неоднородное уширение, обусловленное в первую очередь дисперсией размеров квантовых точек.

В работе исследовались линейные и нелинейные оптические свойства экситонных переходов в коллоидных растворах квантовых точек CdSe/ZnS в гексане. Результаты получены при анализе измеренных спектров линейного и нелинейного поглощения, фотолюминесценции, фотолюминесценции возбуждения, фотолюминесценции, разрешенной во времени.

Цели исследований:

1. Изучение особенностей проявления эффекта ограничения интенсивности света в квантовых точках CdSe/ZnS при резонансном двухфотонном возбуждении основного экситонного состояния мощными ультракороткими импульсами лазерного излучения.

2. Установление механизмов оптических нелинейностей, определяющих изменение расходимости лазерного пучка, прошедшего через кювету с коллоидным раствором квантовых точках CdSe/ZnS в условиях однои двухфотонного резонансного возбуждения основного экситонного состояния мощными ультракороткими импульсами лазерного излучения.

3. Изучение особенностей резонансного однофотонного взаимодействия мощных ультракоротких импульсов лазера с экситонами в коллоидных квантовых точках CdSe/ZnS.

Актуальность темы

диссертации заключается в следующем.

Во-первых. В настоящее время наиболее перспективными направлениями с точки зрения создания новых приборов и материалов с уникальными свойствами представляется разработка технологий создания новых полупроводниковых наноструктур и изучение их физических свойств. Постоянно возрастающий интерес именно к полупроводниковым наноструктурам в первую очередь, по-видимому, обусловлен существованием широкого спектра возможностей для управления свойствами полупроводников. Как известно, радикального изменения их свойств можно достичь путем варьирования состава полупроводниковых твердых растворов, изменения концентрации и типа примесей, изменением внешних условий — температуры, параметров освещения, напряженности внешних электрического и магнитного полей. Ограничение движения свободных носителей в одном или нескольких направлениях, приводящее к эффекту размерного квантования, открывает дополнительную возможность эффективного управления свойствами наноструктур путем изменения размеров.

Во-вторых. Для создания устройств, позволяющих управлять мощными световыми потоками светом, необходимо иметь информацию о природе нелинейных эффектов в различных полупроводниковых средах. В квазинульмерных структурах механизмы оптических нелинейностей изучены в малой степени. Поэтому представляется перспективным использование методов нелинейной лазерной спектроскопии для выяснения особенностей процессов взаимодействия мощных световых потоков с квантовыми точками в условиях резонансного возбуждения отдельных состояний в таких наностуктурах и генерации более чем одной электронно-дырочной пары на квантовую точку.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые в квантовых точках CdSe/ZnS (коллоидный раствор в гексане) обнаружен эффект ограничения интенсивности света при резонансном двухфотонном возбуждении основного экситонного перехода мощными ультракороткими импульсами лазера.

2. При резонансном двухфотонном возбуждении основного экситонного перехода квантовых точек CdSe/ZnS при высоких уровнях оптического возбуждения обнаружено нелинейное увеличение поглощения, обусловленное не только двухфотонным поглощением, но и дополнительным поглощением двухфотонно возбуждёнными носителями.

3. Установленный немонотонный характер зависимости отношения энергии ультракоротких импульсов лазера, прошедших через коллоидный раствор квантовых точек CdSe/ZnS, к энергии падающих импульсов от интенсивности возбуждения при резонансном однофотонном возбуждении основного экситонного перехода квантовых точек, объяснен увеличением расходимости лазерного пучка, прошедшего через • образец, обусловленным явлениями самодефокусировки и дифракции при образовании канала прозрачности (стрип-эффект) в среде с сильным насыщением.

Достоверность и надежность результатов.

Основные положения диссертации обоснованы экспериментально и теоретически. В работе достигнуто хорошее согласие полученных в эксперименте данных с выводами ряда опубликованных теоретических работ других авторов. Достоверность и надежность результатов обеспечивается проработкой инженерно-технического проведения экспериментов, подтверждается их воспроизводимостью. Результаты исследований опубликованы в авторитетных реферируемых журналах и докладывались на различных отечественных и международных конференциях и симпозиумах.

На защиту выносятся следующие положения:

1) Обнаруженное нелинейное увеличение поглощения мощных ультракоротких импульсов лазера в квантовых точках CdSe/ZnS при двухфотонном резонансном возбуждении экситонов объяснено процессами двухфотонного поглощения и дополнительным поглощением двухфотонно возбужденными носителями.

2) Впервые обнаружен эффект ограничения интенсивности мощных ультракоротких импульсов лазера, прошедших через кювету с коллоидным раствором квантовых точек CdSe/ZnS, при резонансном двухфотонном возбуждении основного экситонного перехода в этих наноструктурах.

3) Установлен немонотонный характер зависимости отношения энергии ультракоротких импульсов лазера, прошедших через коллоидный раствор квантовых точек CdSe/ZnS, к энергии падающих импульсов от интенсивности возбуждения при резонансном однофотонном возбуждении основного экситонного перехода квантовых точекг Такую зависимость можно объяснить обнаруженным увеличением расходимости лазерного луча, обусловленным явлениями самодефокусировки и дифракции при образовании канала прозрачности (стрип-эффект) в среде с сильным насыщением.

Научная и практическая значимость работы предлагаемой диссертации обусловлена следующим. С одной стороны, в ней впервые получены новые научные результаты фундаментального характера, касающиеся практически важных с научной точки зрения процессов резонансного взаимодействия мощных световых импульсом с экситонами в полупроводниковых квантовых точках. Полученные результаты, указывают на возможные направления дальнейших исследований, направленных на поиск новых эффективных способов управления оптическими свойствами полупроводниковых наноструктур.

С другой стороны, данные исследования приобретают дополнительное значение в свете возможного широкого практического применения полупроводниковых наноструктур в приборах оптоэлектроники (активные среды лазеров, быстродействующие переключатели, ограничителей света и т. д.).

Апробация работы.

Вошедшие в работу результаты докладывались на международных симпозиумах «Nanostructures: Physics and Technology» (Санкт-Петербург, 2006, Новосибирск, 2007), на международном Российско-Швейцарском семинаре «Excitons and Exciton Condensates in Confined Semiconductor Systems» (Москва, 2006), научной конференции «Ломоносовские чтения. Серия физическая» (Москва, 2006, 2007), международной конференции «Tenth International Meeting on the Optics of Excitons in Confined Systems» (Messina — Patti, Italy, 2007), VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007), международной конференции"1СОМО/ЬАТ 2007″ Minsk, Belarus.

Публикации и личный вклад автора.

По результатам исследований, составляющих содержание диссертации, опубликовано 3 работы в реферируемых журналах, и 8 работы в сборниках трудов международных и российских конференций.

Личный вклад автора состоит в разработке экспериментальной методики, проведении экспериментов и интерпретации их результатов, проведении расчетов.

Основные результаты были опубликованы в следующих работах:

1. V.S.Dneprovskii, D.A.Kabanin, V.L.Lyaskovskii, T. Wumaier and E.A.Zhukov «Nonlinear absorption and refraction of CdSe/ZnS quantum dots at two-photon resonant excitation» Pros. 14th Int. Symposium «Nanostructures:physics and technology «. St. Peterburg, Russia, 2006, p: 142−143.

2. V.S.Dneprovskii, V.L.Lyaskovskii, T. Wumaier and E.A.Zhukov «Nonlinear absorption and refraction of CdSe/ZnS quantum dots at oneand two-photon resonant excitation of excitons» Abstracts of Russian-Swiss Seminar «Excitons and Exciton Condensates in Confined Semiconductor Systems». Moscow, Russia, 2006, p. 18.

3. Е. А. Жуков, Д. А. Кабанин, В. Л. Лясковский, Т. Умайер «Нелинейное пропукание ультракоротких импульсов света квантовыми точками CdSe/ZnS при двухфотонном зезонансном возбуждении», Сборник тезисов докладов, научной конференции «Ломоносовские чтения. Серия физическая» с.73−76, 2006.

4. В. С. Днепровский, Е. А. Жуков, Д. А. Кабанин, В. Л. Лясковский, А. В. Ракова, Т. Умайер «Нелинейное поглощение и преломление света в коллоидном растворе квантовых точек CdSe/ZnS при резонансном двухфотонном возбуждении» ФТТ т. 49, № 2, с. 352−356, 2007.

5. Т. Умайер, B. JL Лясковский, Д. А. Кабанин, Е. А. Жуков «Нелинейное поглощение и преломление света в квантовых точках CdSe/ZnS при резонансном двухфотонном возбуждении экситонов», Сборник тезисов докладов, научной конференции «Ломоносовские чтения. Серия физическая» с.52−55, 2007.

6. V.S. Dneprovskii, D.A. Kabanin, V.L. Lyskovskii, Т. Wumaier, Е.А. Zhukov «Anomalous resonant nonlinear absorption of excitons in CdSe/ZnC quantum dots» Phys. Stat. Sol.©, v.5, № 4, 2008.

7. V.S.Dneprovskii, D.A.Kabanin, V.L.Lyaskovskii, T. Wumaier, E.A.Zhukov «Nonlinear absorption and refraction of CdSe/ZnC quantum dots at two-photon resonant excitation of excitons». Phys. Stat. Sol.©, v.5, № 4, 2008.

8. V.S. Dneprovskii, D.A. Kabanin, V.L. Lyaskovskii, T. Wumaier, and E.A. Zhukov «Anomalous saturation of CdSe/ZnS quantum-dots: the effect of intensity dependent exciton lifetime» Pros. 15th Int. Symposium «Nanostructures:physics and technology «. Novosibirsk, Russia, 2007, p. 220−221.

9. В. С. Днепровский, Е. А. Жуков, Д. А. Кабанин, В. Л. Лясковский, Т. Умайер «Нелинейное поглощение и преломление квантовых точек CdSe/ZnS при резонансном двухфотонном возбуждении экситонов» VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007). Сборник тезисов докладов, с. 287.

10. В. С. Днепровский, Е. А. Жуков, Д. А. Кабанин, В. Л. Лясковский, Т. Умайер «Аномальное резонансное нелинейное поглощение экситонов в квантовых точках CdSe/ZnS» VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007). Сборник тезисов докладов, с. 288.

11. V.S.Dneprovskii, D.A.Kabanin, V.L.Lyaskovskii, T. Wumaier, and E.A.Zhukov «The peculiar nonlinear absorption of CdSe/ZnS quantum dots in the case of resonant excitation of excitons by ultrashort laser pulses». «ICONO/LAT 2007 «. Minsk, Belarus, p. 88.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 90 страниц текста, включая 33 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 71 наименование.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом.

1) Обнаружен нелинейный рост поглощения мощных ультракоротких импульсов лазера коллоидными квантовыми точками CdSe/ZnS при двухфотонном резонансном возбуждении экситонов. Эффект объяснен процессами двухфотонного поглощения и дополнительным линейным поглощением двухфотонно возбужденными носителями.

2) Впервые обнаружен эффект ограничения интенсивности мощных ультракоротких импульсов лазера, прошедших через кювету с коллоидным раствором квантовых точек CdSe/ZnS, при резонансном двухфотонном возбуждении основного экситонного перехода в этих наноструктурах. При больших уровнях возбуждения интенсивность прошедших импульсов становится постоянной и не зависит от интенсивности импульсов лазера на входе в кювету.

3) Обнаружено увеличение расходимости мощного лазерного пучка, прошедшего через коллоидный раствор квантовых точек CdSe/ZnS, при резонансном двухфотонном возбуждении экситонов. Наблюдаемый эффект можно объяснить процессом дефокусировки, вызванным нелинейным изменением коэффициента преломления квантовых точек, как за счет поглощения мощных ультракоротких импульсов света на связанных носителях, так и на двухфотонно возбуждённых носителях.

4) Предложен и реализован модифицированный метод измерения спектров возбуждения фотолюминесценции квантовых точек, основанный на регистрации большого количества спектров фотолюминесценции при различных длинах волн возбуждающего излучения. Метод позволяет одновременно получать спектры возбуждения фотолюминесценции для любого подансамбля квантовых точек различного размера из всего набора имеющихся квантовых точек.

5) Установлен немонотонный характер зависимости отношения энергии ультракоротких импульсов лазера, прошедших через коллоидный раствор квантовых точек CdSe/ZnS, к энергии падающих импульсов от интенсивности возбуждения при резонансном однофотонном возбуждении основного экситонного перехода квантовых точек. Такую зависимость можно объяснить обнаруженным увеличением расходимости лазерного луча, обусловленным явлениями самодефокусировки и дифракции при образовании канала прозрачности (стрип-эффект) в среде с сильным насыщением.

6) Обнаружен нелинейный сдвиг положения основного экситонного уровня в коллоидном растворе квантовых точек CdSe/ZnS в гексане в низкоэнергетичную область спектра с увеличением температуры. Показано, что сдвиг экситонного уровня с температурой (в диапазоне от 23 до 50 °С) определяется не только изменением ширины запрещенной зоны (Eg), но и зависимостью от температуры энергии размерного квантования, обусловленной линейным расширением квантовых точек. Проведенные измерения позволили при рассмотрении вопросов резонансного взаимодействия мощных лазерных импульсов с экситонами в квантовых точках исключить из рассмотрения процесс теплового нагрева.

Благодарности.

В заключение хочу выразить свою искреннюю признательность своим научным руководителям профессору Владимиру Самсоновичу Днепровскому и Евгению Алексеевичу Жукову за предоставленную мне возможность заниматься интересной и актуальной тематикой, за большую помощь, которую они оказали мне в процессе работы и при обсуждении результатов.

Я очень благодарен Михаилу Виталисовичу Краевскому и Владимиру Леонидовичу Лясковскому за помощь при проведении ряда экспериментов, а также магистрантов Дмитрию Александровичу Кабанину, Александру Николаевичу Санталову, Данг Тхай Зианг и Ян Цзиэ за помощь в проведении некоторых измерений и обработке результатов.

Я очень благодарен Майдине, аспирантке кафедры химической энзимологии химического факультета МГУ за помощь в приготовлении коллоидного раствора квантовых точек.

Хочу поблагодарить всех преподавателей кафедры физики полупроводников за теплую атмосферу и человеческое участие.

Также хочу поблагодарить своего преподавателя русского языка — Нину Николаевну Белякову.

Заключение

.