Фотолюминесценция квантовых точек

Природа и особенности квантовых точек

Квантовые точки (КТ) — это полупроводниковые нанокристаллы с размерами, сравнимыми с длиной волны де Бройля и длиной когерентности носителей заряда. В таких системах наблюдается сильное квантовое ограничение, приводящее к дискретизации энергетических уровней.

Механизм фотолюминесценции

Процесс фотолюминесценции в квантовых точках состоит из последовательных этапов:

  1. Возбуждение электрона: фотон с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны, возбуждает электрон из валентной зоны в зону проводимости.
  2. Формирование экситона: электрон и дырка могут образовать связанное состояние — экситон.
  3. Рекомбинация: при возвращении электрона в валентную зону происходит излучение фотона с энергией, близкой к ширине запрещённой зоны, но с поправкой на размер частицы.

Энергия фотолюминесценции зависит от размера квантовой точки — чем меньше размер, тем выше энергия излучения (сдвиг к более коротким длинам волн).

Квантово-размерный эффект

Изменение спектра фотолюминесценции в зависимости от размера КТ связано с квантово-размерным эффектом, который можно описать через модель частицы в потенциальной яме:

$$ E(R) = E_g + \frac{\hbar^2 \pi^2}{2 R^2} \left( \frac{1}{m_e^*} + \frac{1}{m_h^*} \right) - 1.8 \frac{e^2}{4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon R}, $$

где

  • Eg — ширина запрещённой зоны материала,
  • R — радиус квантовой точки,
  • me*, mh* — эффективные массы электрона и дырки,
  • последний член учитывает кулоновское взаимодействие.

Качество и ширина линии излучения

Ширина спектральной линии фотолюминесценции определяется:

  • Гомогенной шириной, связанной с внутренними процессами рекомбинации.
  • Гетерогенной шириной, обусловленной неоднородностью размера и формы квантовых точек в образце.

Высококачественные КТ обладают узкой спектральной линией, что критично для применения в оптоэлектронике и биомедицине.

Методы получения и характеристики фотолюминесценции

Основные способы синтеза квантовых точек:

  • Коллоидный синтез в растворе
  • Молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE)
  • Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)

Для исследования фотолюминесценции используют:

  • Спектроскопию фотолюминесценции (PL)
  • Временноразрешённую PL (TRPL)
  • Одночастичную спектроскопию для анализа отдельных квантовых точек

Применение фотолюминесценции квантовых точек

Фотолюминесценция КТ находит применение в:

  • Биомедицинской визуализации (яркие, устойчивые метки)
  • Оптоэлектронике (квантовые светодиоды, лазеры)
  • Солнечных элементах нового поколения
  • Квантовой информации и датчиках

Влияние поверхности и дефектов

Поглощающие или нелюмисцентные состояния, вызванные дефектами и неконтролируемыми поверхностными состояниями, сильно влияют на квантовый выход и стабильность фотолюминесценции. Поверхностная пассивация и органические лиганды используются для повышения яркости и долговечности.

Таким образом, магнитные свойства металлических наночастиц и фотолюминесценция квантовых точек — ключевые направления нанофизики, демонстрирующие, как размер и квантовые эффекты влияют на фундаментальные свойства материалов и открывают новые возможности для технологий.

Оглавление