Этот эффект поможет применить кремниевые наночастицы в оптоэлектронике.
Российские ученые измерили люминесценцию нанокристаллов кремния в зависимости от их диэлектрического окружения, создаваемого «золотой решеткой». Физикам удалось выяснить, какие процессы вносят вклад в люминесценцию, и найти оптимальное расстояние между прутьями «решетки». Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.
Люминесценция — нетепловое свечение вещества после поглощения им энергии возбуждения. Чаще всего встречается явление флуоресценции, когда в качестве возбуждения используют интенсивное световое излучение с определенной длиной волны (лазер). Вещество поглощает энергию лазера и тратит ее на увеличение энергии собственных электронов. В большинстве материалов возбужденные электроны возвращаются в свое первоначальное (основное) состояние, а излишек энергии идет на различные релаксационные процессы. Отличие люминесцирующих материалов в том, что они способны «вернуть» — излучить — часть поглощенной энергии в виде света.
Люминесценция нанокристаллов кремния представляет для ученых особый интерес. Такие кристаллы являются квантовыми точками — частицами с размером, близким к длине волны электрона. Электронный спектр (распределение электронов с разным количеством энергии) квантовой точки представляет собой набор четко разделенных уровней. Поэтому эффективность излучательной рекомбинации — доля энергии, которая не впустую тратится на релаксацию, а идет на люминесценцию, — в них очень высокая. Он гораздо выше, чем для «обычного», крупнокристаллического кремния. Люминесцирующие нанокристаллы кремния применяются в разных оптоэлектрических устройствах (фотодиодах, фоторезисторах, детекторах света и т.д.), а также в медицине, например для обнаружения опухолей.
Ученые из Сколтеха и МГУ им. М.В. Ломоносова решили выяснить, как будут люминесцировать нанокристаллы кремния в зависимости от диэлектрического окружения. Его создавали с помощью проводящей «золотой клетки». Физики разместили слой наночастиц между двумя тонкими пластинками кварца, поверх был нанесен слой прозрачного проводящего стекла ITO (смешанный оксид олова и индия). И, наконец, слой золотых «нанополосок». Расстояние между полосками варьировали — всего было четыре образца с зазорами в 30, 80, 130 и 180 нм. Люминесценцию возбуждали с помощью облучения голубым лазером (325 нм). Все образцы достаточно интенсивно светились в области красного света (700—750 нм).
Выяснилось, что расстояние между золотыми полосками сильно влияет на природу люминесценции. Электрическое поле, создаваемое проводящими пластинами золота, вызывало в образце различные оптические эффекты — дисперсию (зависимость преломления света от его длины волны) и появление поверхностных плазмонов (квазичастиц, квантов колебаний плотности электронного газа). Само же поле в свою очередь зависело от расстояния между золотыми «нанополосками». При маленьких зазорах основной вклад в люминесценцию вносили поверхностные нанокристаллы. Увеличение щели, наоборот, позволяло активизировать и нанокристаллы кремния в глубине образца. Наиболее сильный и яркий пик люминесценции ученые наблюдали при промежуточном расстоянии между полосками в 130 нм.
Источник: chrdk.ru