Влияние молекулярного окружения кремниевых нанокристаллов на их фотолюминесцентные свойства

• Автор: Рябчиков, Юрий Витальевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 136 с. : ил.

СПИСОК ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СООКРАЩЕНИЙ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1Л Структурные, электронные и оптические свойства нанокристаллических

кремниевых систем

1Л Л Получение кремниевых наноструктур

1Л .2 Структурные и оптические свойства пористого кремния

1Л .2 Л Структурные свойства пористого кремния

1Л.2.2 Природа фотолюминесценции пористого кремния

1 Л.2.3 Влияние экситонных эффектов, температуры и интенсивности возбуждающего излучения молекулярного окружения на фотолюминесценцию пористого кремния

1.2 Влияние молекулярного окружения на оптоэлектронные свойства

нанокристаллов

1.2.1 Влияние донорных и акцепторных молекул на фотолюминесценцию пористого кремния
1.2.2 Оптические характеристики молекул органических красителей в диэлектриках и полупроводниках
1.2.2.1 Оптические характеристики молекул красителей в пористых диэлектриках
1.2.2.2 Оптические характеристики молекул органических красителей в пористых полупроводниках
1.2.3 Генерация синглетного кислорода в пористых средах
1.2.3.1 Электронная конфигурация молекулы кислорода
1.2.3.2 Фотолюминесцентная диагностика фотосенсибилизации синглетного кислорода в ансамблях кремниевых нанокристаллов
1.3 Вывод из обзора литературы и постановка задачи исследования
ГЛАВА 2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1 Образцы кремниевых наноструктур на основе пористого кремния
2.2 Приготовление растворов органических красителей, а также получение и
очистка адсорбатов
2.3 Методы исследования образцов
2.3.1 Регистрация ИК спектров и спектров ЭПР
2.3.2 Регистрация спектров и кинетик фотолюминесценции
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РЕЛАКСАЦИИ ЭНЕРГИИ ФОТОВОЗБУЖДЕННЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В КРЕМНИЕВЫХ НАНОКРИСТАЛЛАХ С РАЗЛИЧНЫМ МОЛЕКУЛЯРНЫМ ОКРУЖЕНИЕМ
3.1 Особенности фотолюминесценции органических молекул антрацена и красителя родамина Б в микропористом и мезопористом кремнии

3.1.1 Фотолюминесценция молекул антрацена
3.1.2 Фотолюминесценция молекул красителя родамина Б
3.2 Влияние донорных и акцепторных молекул на релаксацию энергии неравновесных носителей заряда в микропористом кремнии
3.2.1 Диагностика состояния поверхности ПК при адсорбции акцепторных молекул диоксида азота методами ИК и ЭПР спектроскопии
3.2.2 Фотолюминесценция микропористого кремния при адсорбции акцепторных молекул диоксида азота
3.2.3 Диагностика состояния поверхности ПК при адсорбции акцепторных молекул парабензохинона методом ЭПР-спектроскопии
3.2.4 Фотолюминесценция микропористого кремния при адсорбции акцепторных молекул парабензохинона
3.2.5 Диагностика состояния поверхности ПК при адсорбции донорных молекул пиридина методами ИК и ЭПР спектроскопии
3.2.6 Фотолюминесценция микропористого кремния при адсорбции донорных молекул пиридина
3.2.7 Фотолюминесценция микропористого кремния при адсорбции донорных молекул аммиака
3.3 Фотосенсибилизация синглетного кислорода в порошках микропористого кремния и водных суспензиях на его основе
3.3.1 Процесс фотосенсибилизации генерации синглетного кислорода при его адсорбции из газовой фазы
3.3.2 Исследование генерации синглетного кислорода в ПК методом ЭПР-спектроскопии
3.3.3 Зависимости эффективности генерации синглетного кислорода и времени передачи энергии от пористости образцов и давления молекул кислорода
3.3.4 Процесс генерации фотосенсибилизации синглетного кислорода в
водных суспензиях кремниевых нанокристаллов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:
ЛИТЕРАТУРА

СПИСОК ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СООКРАЩЕНИЙ
ИК - инфракрасная спектроскопия
ЛКАО - линейная комбинация атомных орбиталей
КРЭ - квантово-размерный эффект
мезо-ПК - мезопористый кремний
микро-ПК - микропористый кремний
МО - молекулярная орбиталь
ОС - оборванная связь
ПК - пористый кремний
ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия
РЭМ - растровая электронная микроскопия
ФЛ - фотолюминесценция
ЭЛ - электролюминесценция
ЭПР - электронный парамагнитный резонанс
СПИСОК ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
С2Н5ОН - этиловый спирт С5Н5И - пиридин СбРЬОг - парабензохинон Еехс - энергия связи экситона Её - ширина запрещенной зоны ОТ - плавиковая кислота
1 - интенсивность фотолюминесценции ЫНз - аммиак
N02_ диоксид азота
п-Б1 - кремний п-типа проводимости
пс-Б1 - кремниевые нанокристаллы
02 - молекула кислорода ’02 - синглетный кислород 302 - триплетный кислород Р - давление молекул
р - пористость образцов р-Б1 - кремний р-типа проводимости - кремний БЮг - оксид кремния Т - температура I - время
т - время жизни фотолюминесценции То-— время переноса энергии а - коэффициент поглощения X - длина волны излучения V - частота

1.3 Вывод из обзора литературы и постановка задачи исследования
Из анализа литературных данных следует, что на данный момент накоплена значительная информация о способах получения и механизмах формирования кремниевых нанокристаллов (в т.ч. пористого кремния), о поверхностном окружении ПК, а также его электронных и структурных свойствах. Обнаружена ФЛ микропористого кремния в видимом диапазоне спектра при комнатной температуре, а также предложены модели, объясняющие ее природу. В настоящий момент большая часть исследователей объясняют явление люминесценции ПК в видимом диапазоне квантово-размерным эффектом в кремниевых наноструктурах. Некоторые эксперименты показывают значительное влияние молекулярного окружения на его фото- и электролюминесценцию. Эти данные сложно объяснить в рамках квантово-размерного эффекта без учета кулоновского взаимодействие носителей заряда, т.е. экситонных эффектов. Систематического изучения роли диэлектрических свойств окружающей среды на люминесцентные свойства ПК не проводилось. Низкая эффективность ФЛ пс-81 в слоях ПК может быть обусловлена большим количеством центров безызлучательной рекомбинации экситонов в пс-Бь Но данные ЭПР свидетельствуют о небольшом количестве дефектов на поверхности пс-Бь Еще одной причиной низкой эффективности ФЛ может являться молекулярное окружение пс-8ц которое, являясь донорами или акцепторами электронов, а также акцепторами энергии, может существенно влиять на условия существования экситонов в пс-Бь Для повышения эффективности ФЛ ПК, очевидно, надо уменьшать концентрацию таких молекул. Кроме того, введение активаторов люминесценции, например, таких как молекулы красителей, также может привести к увеличению квантового выхода ФЛ ПК. На сегодняшний момент в литературе отсутствуют данные об изучении процессов релаксации энергии неравновесных носителей зарада в кремниевых нанокристаллах с одновременным контролем концентрации спиновых центров и химического состава адсорбционного покрытия поверхности нанокристаллов кремния. Это может являться причиной противоречия между