Badanie własności optycznych samorosnących kropek kwantowych metodą fotoodbicia i fotoluminescencji

Abstract

Celem pracy jest zbadanie własności samorosnących kropek kwantowych InAs/GaAs metodami optycznymi, takimi jak fotoluminescencja i fotoodbicie. Fotoluminescencja jest typową metodą badania struktur półprzewodnikowych, jest metodą emisyjną (mierzone jest światło emitowane przez próbkę pod wpływem pobudzenia) czułą jedynie na najniżej położone stany energetyczne (zazwyczaj jedynie na stan podstawowy) i poziomy defektowe. Fotoodbicie należy do modulacyjnych technik pomiarowych, cechuje się dużą czułością i niewrażliwością na tło pomiarowe. Fotoodbicie jest eksperymentem absorpcyjnym, wrażliwe jest więc na wszystkie dozwolone w strukturze przejścia optyczne (umożliwia obserwacje wszystkich stanów związanych), a wynik pomiaru jest proporcjonalny do gęstości stanów danego poziomu energetycznego. Kropkami kwantowymi nazywamy struktury półprzewodnikowe, w których małych rozmiarów (10-20 nm) wyspy półprzewodnika o węższej przerwie energetycznej ograniczone są przez półprzewodnik o szerszej przerwie energetycznej. Różnica szerokości przerwy i mały rozmiar powodują pojawienie się efektów kwantowych (kwantyzacja poziomów energetycznych w trzech wymiarach). Struktura energetyczna kropki zależy od jej rozmiaru i kształtu, zastosowanych półprzewodników, warunków wzrostu. W pracy tej przedstawione zostaną wyniki badań struktury energetycznej kropek i ich własności optycznych.
Autorzy: Wojciech RUDNO-RUDZIŃSKI, Grzegorz SĘK, Jan MISIEWICZ

1. WSTĘP

Kropki kwantowe (Quantum Dots – QD) są niezwykle interesującym obiektem badań. W ostatnich latach pojawiło się wiele prac, w których przedmiotem badań były własności elektryczne i optyczne kropek kwantowych [1-7]. Do badania QD wykorzystywano wiele technik pomiarowych, takich jak fotoluminescencja (PL), pobudzanie fotoluminescencji (PLE), fotoluminescencja rozdzielona w czasie czy absorpcja w podczerwieni. Informacje otrzymane tymi metodami ograniczają się jednak tylko do najniższych stanów w kropce, co nie pozwala na dokładne wyznaczenie kształtu potencjału kropki ani siły oddziaływania w strukturach ze sprzężonymi kropkami. Niejednorodność samorosnących kropek kwantowych dodatkowo utrudnia dokładne zbadanie widma stanów wzbudzonych, będącego podstawowym celem badań i mającego istotne znaczenie dla praktycznych zastosowań kropek. Istnieją jednak metody pozwalające na wyznaczenie całego spektrum stanów wzbudzonych, należą do nich metody modulacyjne, w szczególności fotoodbicie (PR), pozwalające dokładnie wyznaczyć energie i poszerzenia przejść optycznych w nanostrukturach.

W pracy tej zostaną zaprezentowane wyniki badań struktur zawierających samorosnące kropki kwantowe. Przedstawione zostaną widma fotoluminescencji w funkcji mocy wiązki pobudzającej. Pokazane zostaną również wyniki pomiarów fotoodbicia, co zademonstruje ogromny potencjał badawczy tej metody.

Dodatkowo przedstawiona zostanie próba określenia gęstości stanów w kropkach kwantowych. Gęstość stanów odpowiada za wiele właściwości nanostruktur, jest również niezwykle istotna w przypadku kropek kwantowych. Typowe metody pomiaru, np. fotoluminescencja, nie pozwalają na wyznaczenie gęstości stanów, są bowiem metodami emisyjnymi, a intensywność emisji zależy od wielu czynników, np. czasów życia, występowania kanałów rekombinacji niepromienistej itp. Fotoodbicie jest metodą absorpcyjną, widmo PR zależy bezpośrednio od gęstości stanów. Podświetlenie badanej próbki dodatkową wiązką laserową o wystarczającej mocy powinno zapełniać najniższe stany w kropce, uniemożliwiając absorpcje światła na tych stanach. Prowadzi to do zmniejszenia intensywności przejść optycznych z najniższych stanów, łatwo obserwowalnego w widmie PR, co zostanie zaprezentowane.