Так же, были измерены спектры фотолюминесценции монокристаллов сульфида кадмия, с целью привязаться к природе центров свечения и определить механизмы излучательной рекомбинации. Для этого использовали монокристаллы отличающиеся друг от друга как по форме спектра излучения, так и по природе центров свечения.
б) Методика получения образцов.
В данной работе для получения нанокристаллов сульфида кадмия использовался метод химического синтеза. В соответствии с этим методом получение проводится в две стадии. 1 стадия - приготовление растворов сульфида натрия с концентрацией - 0.25 М,
нитрата кадмия с концентрацией – 0.025 М, стабилизатора, в качестве которого использовалась фотографическая желатина 5%.
2 стадия - проведение реакции в растворе желатины. Реакция проводилась при температуре 40 0С. К 10 мл раствора желатины добавлялось 10 мл раствора нитрата кадмия. Далее колба с полученным раствором помещалась на печь-мешалку с температурой порядка температуры реакции (40 0С). Использование электромагнитной мешалки обусловлено тем, что необходимо исключение образования пузырьков на поверхности в ходе реакции, чего нельзя достичь обычным перемешиванием раствора. На следующем этапе в раствор добавлялся сульфид натрия, очень медленно с постоянной скоростью (1 капля в секунду). Были получены образцы с различным количеством сульфида натрия в реакции (0.5 мл, 0.7 мл, 1 мл, 2 мл, 2.5 мл, 2.7 мл, 3 мл, 3.5 мл, 4 мл). Реакция проводилась в течение 15 минут при непрерывном помешивании. После чего, одинаковое количество раствора (8 капель) поливались на стеклянные подложки и помещались в сушильный шкаф на 3 часа при температуре 35-400С. При получении все описанные технологические факторы поддерживались постоянными для изучения влияния изменения концентрации исходных реагентов на свойства получаемых образцов. По внешнему виду образцы отличались по цвету: от бледно-желтых для малых концентраций ионов серы до ярко-оранжевого для больших концентраций.
2.2. Люминесцентные характеристики нанокристаллов CdS
а) Спектры фотолюминесценции нано- и монокристаллов сульфида кадмия.
В работе исследовались нано- и монокристаллические образцы, полученные при различных технологических режимах. Для получения образцов нанокристаллов использовались реагенты Cd(N03)2 и Na2S концентрации которых изменялись в процессе синтеза. Было замечено, что состав раствора существенно влияет на спектральное распределение фотолюминесценции нанокристаллов. С целью проведения сравнительного анализа люминесцентных свойств нанокристаллов и монокристаллов были выбранны монокристаллы CdS, спектр которых содержал в видимой области три полосы свечения (l1=540 нм, l2=590 нм, l3=740 нм) или две полосы (l=540 нм, l=750 нм)
На рис. 2.2 показаны спектры ФЛ нано и монокристаллов сульфида кадмия, измеренные при температуре 113 К. Необходимо отметить, что у нанокристаллов по сравнению с монокристаллом CdS наблюдалась очень яркая люминесценция, причем в образцах с большой концентрацией ионов
серы в растворе доминировало длинноволновое свечение в спектре люминесценции.
Это проиллюстрировано на рис. 2.2, нанокристаллы имеют две полосы люминесценции: коротковолновую (№2) E=2.39 эВ (lmax=520 нм) и длинноволновую (№19) E=1.73 эВ (lmax=720 нм), как уже отмечалось, относительный вклад этих полос зависит от технологии приготовления плёнок. Удельный вес коротковолновой полосы больше в образцах содержащих меньшую концентрацию серы. Монокристаллический образец CdS (№ 7) имеет три полосы фотолюминесценции (l1=540 нм, l2=590 нм, l3=740 нм) локализованные в области E1=1.68 эВ, E2=2.1 эВ, E3=2.37 эВ, а монокристаллический образец CdS (№6) – две полосы,
Рис. 2.2 Спектры фотолюминесценции нано- и монокристаллов CdS, полученных при различных технологических режимах, измеренные при Т=113 К. Монокристаллы CdS: образец №6 (1), образец №7 (4). Нанокристаллы CdS: образец №19 (2), образец №2 (3). локализованные в области 2,37 эВ ( l=520 нм) и 1,63 эВ (l=750 нм).
В CdS монокристаллах различные группы полос люминесценции условно обозначают в соответствии с их цветовым восприятием: голубое, зеленое, оранжевое, красное и инфракрасное излучение. Тоже самое мы применим и к нанокристаллам.
За исключением голубого свечения, обусловленного излучательной аннигиляцией свободных и связанных экситонов, остальные виды свечения обусловлены примесными атомами и дефектами кристаллической решетки.
“Оранжевое” излучение в монокристаллах CdS регистрируется в спектральной области от 1,8 до 2,0 эВ [15]. Природа центров, ответственных за такое излучение, может быть разной, так например в литературе приводятся следующие данные. Центры обуславливающие “оранжевую” полосу свечения могут иметь следующую природу:
Cdi , AgCd , CuCd [584], (AgCd+ClS), ((CuCd-) + Cdi+) 0,
(AgСв- + Cdi+), ((AgCd+)+D+)0, (Agi++ AgCd-)0 [18].
Красное излучение CdS наблюдается как в нелегированных , так и в легированных медью и серебром кристаллах, а также в CdS, облученном потоком электронов, тепловых нейтронов или ионов азота [15]. Положение максимума красной полосы CdS изменяется в пределах 1,40—1,73 эВ при Т = 77 К, что, как и в случае оранжевого излучения, свидетельствует о проявлении в люминесценции различных центров. Красную полосу разделяют на коротковолновую (KB) (Emax=1.70-1.72 эВ) и длинноволновую (ДВ) (Emax»1.59 эВ). В [16,17] КВ полосу связывают с вакансиями серы (VS). Согласно [18], центрами KB красной полосы являются комплексы (VCd2-+VS2+)°, (CuCd-+VS+)°. В [18] для выяснения природы центров свечения в CdS исследовалась люминесценция монокристаллов, как специально нелегированных, так и легированных в процессе роста акцепторами (активаторами) — Си, Ag, донорами (соактиваторами) — In, Ga, C1, I, а также Си совместно с каждым из перечисленных доноров и Ag с C1 при различном соотношении их концентраций. При легировании CdS донорами — элементами III группы, а также при легировании хлором наблюдается некоторое смещение красной полосы в сторону длинноволновой области и уменьшение ее интенсивности по сравнению с такой же полосой нелегированных кристаллов. При легировании CdS йодом красная полоса уширяется за счет появления на ее длинноволновом краю новой полосы с энергией в максимуме излучения порядка 1,44 эВ. Легирование CdS медью приводит к уменьшению интенсивности красной полосы и некоторому смещению ее максимума в сторону длинноволновой области. Относительное уменьшение интенсивности красной полосы при легировании CdS донорами объясняется тем, что при этом в кристаллах образуются компенсирующие акцепторы VCd-центры r-полосы, а образование собственных доноров VS затруднено. Аналогичное уменьшение интенсивности красной полосы при легировании медью происходит из-за образования Cdi компенсирующего медь (при этом появляется оранжевая полоса). Центрами ДВ красной полосы являются комплексы (CuCd-+D+ )°, поскольку полоса значительно усиливается лишь при равной концентрации в кристаллах меди и любого из вводимых доноров. Разные доноры приводят к несколько отличающимся положениям максимума ДВ красной полосы [15]. К. появлению красной люминесценции ( lmax=730 нм при Т = 77 К) приводит также облучение кристаллов CdS тепловыми нейтронами.
Так как на наших нанокристаллических образцах мы не наблюдаем краевой полосы люминесценции, энергетическое положение которой должно примерно совпадать с энергетическим значением ширены запрещённой зоны (2,6 – 2,9 эВ, значения получены из спектров пропускания измеренных в нашей лаборатории). Можно провести аналогию наблюдаемых полос в длинноволновой области в нанокристаллах с аналогичными полосами в монокристаллах. Однако в нанокристаллах в связи с существенным энергетическим расширением запрещенной зоны должны соответственно сместиться уровни свечения, что приведёт к изменению положения максимумов полос люминесценции в сторону больших энергий (меньших длин волн). Экспериментально установлено справедливость этого предположения. Итак, полоса с максимумом l=520 нм в нанокристаллах аналогична оранжевой полосе в монокристаллах, а полоса с максимумом l=720 нм в нанокристаллах аналогична красной в монокристаллах. Из рис.2.2. видно, что положения максимумов полос люминесценции нанокристаллов смещены в сторону больших энергий: для оранжевой полосы на 0,2 эВ, а для красной на 0,05. Можно сделать вывод о том, что менее глубокие уровни при увеличении ширины запрещенной зоны незначительно изменяют своё положение в ней, в то время как более глубокие уровни менее привязаны к своему положению и могут существенно смещаться, увеличивая глубину залегания.
Из рис. 2.2 также видно, что полоса люминесценции нанокристаллов имеет большую полуширину (0.72 эВ), чем у монокристалла (0.4 эВ) сульфида кадмия. Это обусловлено дисперсией частиц по размерам в наших наноструктурах, что подтверждается результатами работы [7].
