Люминесцентные и кинетические свойства квантовых точек CdTe/SiO₂ при комнатной и криогенной температуре

Аннотация

Исследованы люминесцентные, кинетические и колориметрические свойства коллоидных полупроводниковых квантовых точек CdTe, покрытых оболочкой из SiO₂, при комнатной температуре и температуре жидкого азота. В спектре фотолюминесценции обнаружены как экситонные переходы, так и переходы с участием ловушечных уровней. При нагреве от криогенных температур установлено, что полосы люминесценции смещаются в красную область, происходит их уширение и температурное тушение. Полоса, обусловленная фотолюминесценцией дефектов, тушится практически полностью. Температурная зависимость ширины запрещенной зоны исследуемых квантовых точек обусловлена изменением положения края зоны проводимости относительно края валентной зоны, вследствие теплового расширения решетки и взаимодействия с фононами. Предположено, что уширение спектров люминесценции при изменении температуры может возникать в результате как уширения за счет экситон-фононного взаимодействия, так и наличия вклада со стороны структурных дефектов на границе раздела CdTe и SiO₂. Вероятным механизмом уменьшения интегральной интенсивности люминесценции с ростом температуры предполагается диссоциация экситонов и/или термически активированный захват носителей заряда центрами безызлучательной рекомбинации. В процессе непрерывного лазерного облучения при температуре жидкого азота интегральная интенсивность фотолюминесценции не изменяется. Количественный анализ кривых затухания показывает ускорение излучательной релаксации возбужденных состояний с увеличением температуры, что также подтверждает предположение о наличии термически активированного захвата носителей заряда. Продемонстрировано улучшение колориметрических характеристик фотолюминесценции квантовых точек CdTe/SiO₂ при повышении температуры

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Дайбаге Д.С. Люминесцентные и кинетические свойства квантовых точек CdTe/SiO₂ при комнатной и криогенной температуре. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2025, № 2 (119), с. 20--34. EDN: IARFDK

Литература

[1] Васильев Р.Б., Соколикова М.С., Витухновский А.Г. и др. Оптика свернутых в виде свитков коллоидных квантоворазмерных наноструктур CdSe. Квантовая электроника, 2015, т. 45, № 9, с. 853--857. EDN: UXUWTZ

[2] Дайбаге Д.С., Захарчук И.А., Осадченко А.В. и др. Люминесцентные и колориметрические свойства ультратонких наносвитков селенида кадмия. Краткие сообщения по физике ФИАН, 2023, т. 50, № 11, с. 83--91.

[3] Ovchinnikov O., Aslanov S., Smirnov M., et al. Colloidal Ag₂S/SiO₂ core/shell quantum dots with IR luminescence. Opt. Mater. Express, 2021, vol. 11., iss. 1, pp. 89--104. DOI: https://doi.org/10.1364/OME.411432

[4] Derepko V.N., Ovchinnikov O.V., Smirnov M.S., et al. Plasmon-exciton nanostructures, based on CdS quantum dots with exciton and trap state luminescence. J. Lumin., 2022, vol. 248, art. 118874. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2022.118874

[5] Дайбаге Д.С., Амброзевич С.А., Перепелица А.С. и др. Спектральные и кинетические свойства квантовых точек сульфида серебра во внешнем электрическом поле. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2022, т. 22, № 6, с. 1098--1103. DOI: https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-6-1098-1103

[6] Swami O.P., Kumar V., Suthar B., et al. A theoretical study of light soliton produced by semiconductor quantum dot waveguides and propagation in optical fibers. Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Natural Sciences, 2019, no. 4 (85), pp. 89--102. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2019-4-89-102

[7] Ващенко А.А., Витухновский А.Г., Лебедев В.С. и др. Органический светоизлучающий диод на основе плоского слоя полупроводниковых нанопластинок CdSe в качестве эмиттера. Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики, 2014, т. 100, № 1-2, с. 94--98. EDN: SMYIUH

[8] Vitukhnovsky A.G., Lebedev V.S., Selyukov A.S., et al. Electroluminescence from colloidal semiconductor CdSe nanoplatelets in hybrid organic-inorganic light emitting diode. Chem. Phys. Lett., 2015, vol. 619, pp. 185--188. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cplett.2014.12.002

[9] Little B.E., Foresi J.S., Steinmeyer G., et al. Ultra-compact Si-SiO₂ microring resonator optical channel dropping filters. IEEE Photon. Technol. Lett., 1998, vol. 10, iss. 4, pp. 549--551. DOI: https://doi.org/10.1109/68.662590

[10] Zhou Y., Li Y., Zhong H., et al. Hybrid nanocrystal/polymer solar cells based on tetrapod-shaped CdSe_xTe_{1 -- x} nanocrystals. Nanotechnology, 2006, vol. 17, no. 16, art. 4041. DOI: https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/16/008

[11] Yu W.W., Qu L., Guo W., et al. Experimental determination of the extinction coefficient of CdTe, CdSe, and CdS nanocrystals. Chem. Mater., 2003, vol. 15, iss. 14, pp. 2854--2860. DOI: https://doi.org/10.1021/cm034081k

[12] Wang Z., Huang Z., Liu G., et al. In-situ and reversible enhancement of photolu-minescence from CsPbBr₃ nanoplatelets by electrical bias. Adv. Opt. Mater., 2021, vol. 9, iss. 15, art. 2100346. DOI: https://doi.org/10.1002/adom.202100346

[13] Daibagya D.S., Ambrozevich S.A., Zakharchuk I.A., et al. Emission behaviour of CdTe/SiO₂ core/shell quantum dots in external electric field. Opt. Mater., 2024, vol. 150, art. 115297. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.115297

[14] Vitukhnovsky A.G., Selyukov A.S., Solovey V.R., et al. Photoluminescence of CdTe colloidal quantum wells in external electric field. J. Lumin., 2017, vol. 186, pp. 194--198. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2017.02.041

[15] Malashin I.P., Daibagya D.S., Tynchenko V.S., et al. ML-based forecasting of temporal dynamics in luminescence spectra of Ag₂S colloidal quantum dots. IEEE Access, 2024, vol. 12, pp. 53320--53334. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3387024

[16] Дайбаге Д.С., Амброзевич С.А., Перепелица А.С. и др. Влияние электрического поля на рекомбинационную люминесценцию коллоидных квантовых точек сульфида серебра. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2023, № 3 (108), с. 100--117. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-3-100-117

[17] Watanabe T., Takahashi K., Shimura K., et al. Influence of carrier localization at the core/shell interface on the temperature dependence of the Stokes shift and the photoluminescence decay time in CdTe/CdS type-II quantum dots. Phys. Rev. B, 2017, vol. 96, no. 3, art. 035305. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.035305

[18] Kushavah D., Mohapatra P.K., Ghosh P., et al. Photoluminescence characteristics of CdSe quantum dots: role of exciton--phonon coupling and defect/trap states. Mater. Res. Express, 2017, vol. 4, no. 7, art. 075007. DOI: https://doi.org/10.1088/2053-1591/aa7a4f

[19] Murphy G.P., Zhang X., Bradley A.L. Temperature-dependent luminescent decay properties of CdTe quantum dot monolayers: impact of concentration on carrier trapping. J. Phys. Chem. C, 2016, vol. 120, iss. 46, pp. 26490--26497. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b04734

[20] Shim H.S., Ko M., Nam S., et al. InP/ZnSeS/ZnS quantum dots with high quantum yield and color purity for display devices. ACS Appl. Nano Mater., 2023, vol. 6, iss. 2, pp. 1285--1294. DOI: https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04936

[21] Dabbousi B.O., Rodriguez-Viejo J., Mikulec F.V., et al. (CdSe)ZnS core-shell quantum dots: synthesis and characterization of a size series of highly luminescent nanocrystallites. J. Phys. Chem. B, 1997, vol. 101, iss. 46, pp. 9463--9475. DOI: https://doi.org/10.1021/jp971091y

[22] Rowland C.E., Schaller R.D. Exciton fate in semiconductor nanocrystals at elevated temperatures: hole trapping outcompetes exciton deactivation. J. Phys. Chem. C, 2013, vol. 117, iss. 33, pp. 17337--17343. DOI: https://doi.org/10.1021/jp405616u

[23] Van Sark W.G., Frederix P.L., Van den Heuvel D.J., et al. Photooxidation and photobleaching of single CdSe/ZnS quantum dots probed by room-temperature time-resolved spectroscopy. J. Phys. Chem. B, 2001, vol. 105, iss. 35, pp. 8281--8284. DOI: https://doi.org/10.1021/jp012018h

[24] Chia C.H., Yuan C.T., Ku J.T., et al. Temperature dependence of excitonic emission in cubic CdSe thin film. J. Lumin., 2008, vol. 128, iss. 1, pp. 123--128. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2007.06.003

[25] Achtstein A.W., Schliwa A., Prudnikau A., et al. Electronic structure and exciton-phonon interaction in two-dimensional colloidal CdSe nanosheets. Nano Lett., 2012, vol. 12, iss. 6, pp. 3151--3157. DOI: https://doi.org/10.1021/nl301071n

[26] Chon B., Bang J., Park J., et al. Unique temperature dependence and blinking behavior of CdTe/CdSe (core/shell) type-II quantum dots. J. Phys. Chem. C, 2011, vol. 115, iss. 2, pp. 436--442. DOI: https://doi.org/10.1021/jp109229u

[27] Valerini D., Creti A., Lomascolo M., et al. Temperature dependence of the photoluminescence properties of colloidal CdSe/ZnS core/shell quantum dots embedded in a polystyrene matrix. Phys. Rev. B, 2005, vol. 71, iss. 23, art. 235409. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.235409

[28] An R., Zhang F., Zou X., et al. Photostability and photodegradation processes in colloidal CsPbI₃ perovskite quantum dots. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, vol. 10, iss. 45, pp. 39222--39227. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.8b14480

[29] Carrillo-Carrion C., Cardenas S., Simonet B.M., et al. Quantum dots luminescence enhancement due to illumination with UV/Vis light. Chem. Commun., 2009, vol. 35, pp. 5214--5226. DOI: https://doi.org/10.1039/B904381K

[30] Ovchinnikov O.V., Grevtseva I.G., Smirnov M.S., et al. Reverse photodegradation of infrared luminescence of colloidal Ag₂S quantum dots. J. Lumin., 2019, vol. 207, pp. 626--632. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.12.019

[31] Ovchinnikov O.V., Grevtseva I.G., Smirnov M.S., et al. Effect of thioglycolic acid molecules on luminescence properties of Ag₂S quantum dots. Opt. Quant. Electron., 2020, vol. 52, no. 4, art. 198. DOI: https://doi.org/10.1007/s11082-020-02314-8

[32] Kalytchuk S., Zhovtiuk O., Kershaw S.V., et al. Temperature-dependent exciton and trap-related photoluminescence of CdTe quantum dots embedded in a NaCl matrix: implication in thermometry. Small, 2016, vol. 12, iss. 4, pp. 466--476. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.201501984

[33] de Mello Donega C., Bode M., Meijerink A. Size- and temperature-dependence of exciton lifetimes in CdSe quantum dots. Phys. Rev. B, 2006, vol. 74, iss. 8, art. 085320. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.085320

[34] Labeau O., Tamarat P., Lounis B. Temperature dependence of the luminescence lifetime of single CdSe/ZnS quantum dots. Phys. Rev. Lett., 2003, vol. 90, iss. 25, art. 257404. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.90.257404

[35] Smirnov M.S., Ovchinnikov O.V. IR luminescence mechanism in colloidal Ag₂S quantum dots. J. Lumin., 2020, vol. 227, art. 117526. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117526

[36] Дайбаге Д.С. Спектральные и кинетические характеристики свернутых в виде свитков ультратонких нанопластин селенида кадмия. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2023, т. 23, № 5, c. 920--926. DOI: https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-5-920-926

[37] McCamy C.S. Correlated color temperature as an explicit function of chromaticity coordinates. Color Res. Appl., 1992, vol. 17, iss. 2, pp. 142--144. DOI: https://doi.org/10.1002/col.5080170211