Фотофизические свойства квантовых точек.

Квантовые точки — коллоидные полупроводниковые нанокристаллы, имеющие размеры от 2 до Ю нанометров и состоящие из Ю - 10 атомов, созданные на основе неорганических полупроводниковых материалов (81, 1пР, СсГГе, Сс18е, и т.д.), покрытые монослоем солюбилизатора из органических молекул. Квантовые точки по своим размерам больше традиционных для химии молекулярных кластеров (~ 1 нм при содержании не больше 100 атомов). Коллоидные квантовые точки объединяют физические и химические свойства молекул с оптоэлектронными свойствами полупроводников.

В таких нанокристаллах, вследствие столь малых размеров, существенны квантово-размерные эффекты [2]. Они играют ключевую роль в фотофизических свойствах КТ. Энергетический спектр квантовой точки существенно отличается от спектра объёмного полупроводника. В квантовой точке движение носителей заряда пространственно ограничено по всем трём измерениям, поэтому электрон в таком нанокристалле ведёт себя как в трёхмерной потенциальной “яме”. Это приводит к тому, что энергетический спектр кристалла из непрерывного превращается в дискретный, и возникает эффект размерного квантования. Имеется несколько стационарных уровней энергии для электрона и дырки с характерным расстоянием между ними:

, где д - это диаметр квантовой точки (рис. 1.7.). Таким образом, энергетический спектр квантовой точки зависит от её размера. Как и в случае перехода между уровнями энергии в атоме, при переходе носителей заряда между энергетическими уровнями в квантовой точке может излучиться либо поглотиться фонон.

Рисунок 1.8. Трансформация зонной структуры полупроводника при

уменьшении размера

Частотами переходов, т.е. длиной волны поглощения или люминесценции, легко управлять, меняя размеры квантовой точки (рисЛ.8). Поэтому квантовые точки ещё часто называют “искусственными атомами”. В терминах полупроводниковых материалов это можно назвать возможностью контроля эффективной ширины запрещенной зоны.

Коллоидные квантовые точки являются хорошей альтернативой традиционных органических и неорганических люминофоров. Они превосходят их по фотостабильности, яркости флуоресценции, а также обладают некоторыми уникальными свойствами: протяженным спектром поглощения в видимой и ближней УФ области, хорошей поглощательной способностью (коэффициент молярной экстинкции достигает ~ 106 М'1 см'1), достаточно узкой полосой люминесценции, высоким квантовым выходом люминесценции (-80%), длительным временем затухания люминесценции (~ 20 нс), а также высокой фото- и химической стойкостью. Это открывает широкие возможности для эффективного применения квантовых точек в качестве флуоресцентных меток и сенсоров и позволяет им успешно конкурировать с традиционными органическими красителями для детектирования и диагностики в биологии и медицине. Квантовые точки также применяются в оптоэлектрических системах, таких как: светоизлучающие диоды и плоские светоизлучающие панели, лазеры, ячейки солнечных батарей и фотоэлектрических преобразователей.

На рисунках 1.9 - 1.11 для примера приведены оптические спектры Сс18е/2п8 квантовых точек со средними диаметрами 2.5±0Д нм, 3.1 ±0Д нм и 5.2±0Д нм, растворенных в гексане. Концентрация квантовых точек выбиралась таким образом, чтобы оптическая плотность раствора в максимуме длинноволновой полосы поглощения квантовых точек не превышала 0.1, что необходимо для дальнейших измерений квантового выхода люминесценции квантовых точек. Люминесценция квантовых точек возбуждалась излучением с длиной волны 415 нм.

Квантовый выход люминесценции квантовых точек со средними диаметрами 2.5±0Д нм, 3.1 ±0Д нм и 5.2±0Д нм, растворенных в гексане, был измерен путем сопоставления с квантовым выходом органического красителя Родамина 6Ж в этаноле, который составляет 88% по стандартной методике. Для возбуждения люминесценции квантовых точек и родамина 6Ж использовалось излучение с длиной волны 415 нм. Измерения показали, что квантовый выход люминесценции квантовых точек со средними диаметрами 2.5±0Д нм, 3.1 ±0,1 нм и 5.2±0,1 нм, растворенных в гексане, составил 66%, 55% и 52%, соответственно.

Спектры Сс^е^пБ квантовых точек со средним диаметром 2.5 нм в гексане

Рис. 1.9. Спектры Сс^е^пБ квантовых точек со средним диаметром 2.5 нм в гексане: 1 - спектр поглощения; 2 - спектр люминесценции, длина волны возбуждения 415 нм.

Спектры СбБеМпБ квантовых точек со средним диаметром 3.1 нм в гексане

Рис. 1.10. Спектры СбБеМпБ квантовых точек со средним диаметром 3.1 нм в гексане: 1 - спектр поглощения; 2 - спектр люминесценции, длина волны возбуждения 415 нм.

Спектры Сс^е/гпБ квантовых точек со средним диаметром 5.2 нм в гексане

Рис. 1.11. Спектры Сс^е/гпБ квантовых точек со средним диаметром 5.2 нм в гексане: 1 - спектр поглощения; 2 - спектр люминесценции, длина волны возбуждения 415 нм.

В Таблице 1.3 приведены данные об абсорбционно-люминесцентных параметрах образцов Сс18е/2п8 квантовых точек в зависимости от размеров нанокристаллов.

Таблица 1.3. Оптические параметры коллоидных полупроводниковых С(18е/2п8 квантовых точек.

№№ п/п

Диаметр

(нм)

Пик

поглощения

(нм)

Пик

люминес

ценции

(нм)

Полушири на пика люминесц енции (нм)

Коэффи

циент

экстинкц

ИИ,

М^см'1

Квант

овый

выход

люмин

есценц

ИИ

%

1

2.5±0Д

513

525

28

8.0х104

66

2

3.1±0Д

555

569

41

2.3х10э

55

3

5.2±0Д

597

621

38

3.0 х10э

52

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >