Природа фотовозбуждения кремниевых нанокристаллов пассивированных бутилом / Николаев В.В., Калитеевский М.А., Аверкиев Н.С.

В отличие от объемного кристаллического кремния нанокристаллы (НК) кремния способнысравнительно эффективно излучать свет даже при комнатной температуре. Прогресс в методахизготовления коллоидных НК кремния и их пассивации различными лигандами открываетвозможности для применение данного материала в оптоэлектронике и, благодаря нетоксичности, вмедицине.Многочисленные исследованияпоследних лет показывают, чтохарактеристики излучениякремниевых НК находятся вкачественной зависимости не толькоот их среднего геометрическогоразмера, но и от химическогоокружения кристаллических ядер. Этодает почву для активной дискуссии осоотношении вкладов эффектаразмерного квантования и влиянияповерхности на радиационные переходы в кремниевых НК.Цель данной работы пролить свет на процесс оптического возбуждения неоднородныхмассивов коллоидных нанокристаллов кремния пассивированных н-бутилом и природу квантовыхсостояний, порождающих излучение. Разработана феноменологическая теория учитывающаяразмерную неоднородность массива НК [1] и селективное воздействие оптическогоисточника на данный массив; получены аналитические выражения для формы пикафотолюминесценции (ФЛ). Разработанный метод был применен для моделированияэкспериментальных спектров ФЛ из работы [2] полученных на массиве бутил-пассивированныхкремниевых НК при различных энергиях фотона накачки; удалось добиться отличного согласия сэкспериментом, и извлечь приближения к зависимости энергии основного и возбужденныхоптических переходов от размера. Визуализировано последовательное заполнение неоднородногомассива НК фотовозбужденными экситонами.Проведенный анализ объясняет экспериментально наблюдаемые сдвиг люминесценции открасной до ультрафиолетовой части спектра и двукратное уширение пика при уменьшении длиныволны фотовозбуждения. Качественная причина данных эффектов заключается в селективномзаполнении размерно-неоднородного массива с уменьшением среднего диаметра излучающих НК.Рассмотренный механизм основан на гипотезе о том, что положение излучающих ипоглощающих оптических переходов определяется квантово-размерным эффектом. Наши результатыявляются весомым аргументом в пользу того, что фотолюминесценция бутил-пассивированныхкремниевых нанокристаллов рождается вследствие рекомбинации экситонов кристаллического ядра,тогда как поверхностные состояния и дефекты играют второстепенную роль.