mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2013-2-68-73mateltech-109Research ArticleНаноматериалы и нанотехнологииNANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGYО ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК КРЕМНИЯABOUT THE TEMPERATURE DEPENDENCE OF PHOTOLUMINESCENCE OF SILICON QUANTUM DOTSНагорныхС. Н.NagornykhS. N.

кандидат физ.−мат. наук, старший научный сотрудник

algoritm@sandy.ruПавленковВ. И.PavlenkovV. I.

кандидат физ.−мат. наук, старший научный сотрудник

pavlenkov.arz@rambler.ruМихайловА. Н.MikhaylovA. N.

кандидат физ.−мат. наук, старший научный сотрудник

mian@nifti.unn.ruБеловА. И.BelovA. I.

младший научный сотрудник

belov@nifti.unn.ruБурдовВ. А.BurdovV. A.

кандидат физ.−мат. наук, старший научный сотрудник

burdov@phys.unn.ruКрасильниковаЛ. В.KrasilnikovaL. V.

кандидат физ.−мат. наук, научный сотрудник

luda@ipm.sci-nnov.ruКрыжковД. И.KryzhkovD. I.

кандидат физ.−мат. наук, научный сотрудник

krizh@ipm.sci-nnov.ruТетельбаумД. И.TetelbaumD. I.

доктор физ.−мат. наук, ведущий научный сотрудник

tetelbaum@phys.unn.ruНаучно−исследовательский физико−технический институт Нижегородского государственного университета имени Н. И. ЛобачевскогоРоссияPhysico−Technical Research Institute of Lobachevsky State University of Nizhni NovgorodRussian FederationИнститут физики микроструктур РАНРоссияInstitute for Physics of Microstructures RASRussian Federation201317032015026873Copyright © Нагорных С.Н., Павленков В.И., Михайлов А.Н., Белов А.И., Бурдов В.А., Красильникова Л.В., Крыжков Д.И., Тетельбаум Д.И., 20152015Нагорных С.Н., Павленков В.И., Михайлов А.Н., Белов А.И., Бурдов В.А., Красильникова Л.В., Крыжков Д.И., Тетельбаум Д.И.Nagornykh S.N., Pavlenkov V.I., Mikhaylov A.N., Belov A.I., Burdov V.A., Krasilnikova L.V., Kryzhkov D.I., Tetelbaum D.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/109

Представлена модель излучательных и безызлучательных переходов в квантовых точках кремния, которая описывает температурную зависимость фотолюминесценции ионно-синтезированных массивов нанокристаллов Si в SiO2. Рассмотрена четырехуровневая схема переходов, учитывающая термоактивированные процессы и обменное расщепление основного энергетического состояния экситона в нанокристалле кремния на триплетный и синглетный уровни, переходы с которых в основное состояние ответственны за люминесценцию. На основе стационарного решения системы кинетических уравнений, описывающих заселенность уровней, получено выражение для температурной зависимости монохроматических составляющих фотолюминесценции, которое удовлетворительно описывает экспериментальные результаты. Найдены и сравнены с литературными данными величины расщепления энергетического состояния экситона в зависимости от энергии излучаемых фотонов.

A model of radiative and nonradiative transitions in silicon quantum dots is presented that describes the temperature dependence of photoluminescence of ion-synthesized ensembles of Si nanocrystals in SiO2. The four−level scheme of transitions is considered taking into account thermally activated processes and exchange splitting of the ground state of excited exciton to triplet and singlet sublevels, transitions from which are responsible for the luminescence. The expression for temperature dependence of the monochromatic photoluminescence components that is in agreement with a number of analogous dependencies from literature is derived on the basis of solution of a system of kinetic equations. The obtained expression describes adequately experimental results of the given work and allows to determine the splitting value for the exciton state in dependence on the energy of emitted photons, i.e. the nanocrystal size.

кремнийдиоксид кремниянанокристаллквантовая точкаионная имплантацияфотолюминесценциятемпературная зависимостьчетырехуровневая схема электронных переходовsiliconion implantationnanocrystalquantum dotphotoluminescencetemperature dependencescheme of electronic transitionsИсследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России») и РФФИ (10−02−00995, 12−02−00980).ReferencesSilicon nanocrystals: fundamentals, synthesis and applications / Ed. by L. Pavesi, R. Turan.-Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2010. – 613 p.Silicon nanocrystals: fundamentals, synthesis and applications / Ed. by L. Pavesi, R. Turan.-Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2010. – 613 p.Canham, L. T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers / L. T. Canham // Appl. Phys. Lett. – 1990. – V. 57, N 10. – P.1046—1048.Canham, L. T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers / L. T. Canham // Appl. Phys. Lett. – 1990. – V. 57, N 10. – P.1046—1048.Heitmann, J. Excitons in Si nanocrystals: confinement and migration effects / J. Heitmann, F. Muller, L. Yi, M. Zacharias, D. Kovalev, F. Eichhorn // Phys. Rev. B. – 2004. – V. 69. – P. 195309.Heitmann, J. Excitons in Si nanocrystals: confinement and migration effects / J. Heitmann, F. Muller, L. Yi, M. Zacharias, D. Kovalev, F. Eichhorn // Phys. Rev. B. – 2004. – V. 69. – P. 195309.Kobitski, A. Yu. Self-trapped exciton recombination in silicon nanocrystals / A. Yu. Kobitski, K. S. Zhuravlev, H. P. Wagner, D. R. T. Zahn // Ibid. – 2001. – V. 63. – P. 115423.Kobitski, A. Yu. Self-trapped exciton recombination in silicon nanocrystals / A. Yu. Kobitski, K. S. Zhuravlev, H. P. Wagner, D. R. T. Zahn // Ibid. – 2001. – V. 63. – P. 115423.Allan, G. Nature of luminescent surface states of semiconductor nanocrystallites / G. Allan, C. Delerue, M. Lannoo // Phys. Rev. Lett. – 1996. – V. 76, N 16. – P. 2961—2964.Allan, G. Nature of luminescent surface states of semiconductor nanocrystallites / G. Allan, C. Delerue, M. Lannoo // Phys. Rev. Lett. – 1996. – V. 76, N 16. – P. 2961—2964.Calcott, P. D. J. Identification of radiative transitions in highly porous silicon / P. D. J. Calcott, K. J. Nash, L. T. Canham, M. J. Kane, D. Brumhead // J. Phys: Condens. Matter. – 1993. – V. 5. – P. L91—L98.Calcott, P. D. J. Identification of radiative transitions in highly porous silicon / P. D. J. Calcott, K. J. Nash, L. T. Canham, M. J. Kane, D. Brumhead // J. Phys: Condens. Matter. – 1993. – V. 5. – P. L91—L98.Бурдов, В. А. Зависимость ширины оптической щели кремниевых квантовых точек от их размера / В. А. Бурдов // ФТП. – 2002. – Т. 36, № 10. – С. 1233—1236.Бурдов, В. А. Зависимость ширины оптической щели кремниевых квантовых точек от их размера / В. А. Бурдов // ФТП. – 2002. – Т. 36, № 10. – С. 1233—1236.Delerue, C. Theoretical aspects of the luminescence of porous silicon / C. Delerue, G. Allan, M. Lannoo // Phys. Rev. B. – 1993. – V. 48, N 15. – P. 11024—11036.Delerue, C. Theoretical aspects of the luminescence of porous silicon / C. Delerue, G. Allan, M. Lannoo // Phys. Rev. B. – 1993. – V. 48, N 15. – P. 11024—11036.Wang, J. Thermal activation energy of crystal and amorphous nano-silicon in SiO2 matrix / J. Wang, M. Righini, A. Gnoli, S. Foss, T. Finstad, U. Serincan, R. Turan // Solid State Communications. – 2008. – V. 147. – P. 461—464.Wang, J. Thermal activation energy of crystal and amorphous nano-silicon in SiO2 matrix / J. Wang, M. Righini, A. Gnoli, S. Foss, T. Finstad, U. Serincan, R. Turan // Solid State Communications. – 2008. – V. 147. – P. 461—464.Kapoor, M. Origin of the anomalous temperature dependence of luminescence in semiconductor nanocrystallites / M. Kapoor, V. A. Singh, G. K. Johri // Phys. Rev. B. – 2005. − V. 72. – P. 195313Kapoor, M. Origin of the anomalous temperature dependence of luminescence in semiconductor nanocrystallites / M. Kapoor, V. A. Singh, G. K. Johri // Phys. Rev. B. – 2005. − V. 72. – P. 195313Tetelbaum, D. I. Influence of the nature of oxide matrix on the photoluminescence spectrum of ion−synthesized silicon nanostructures / D. I. Tetelbaum, O. N. Gorshkov, A. V. Ershov, A. P. Kasatkin, V. A. Kamin, A. N. Mikhaylov, A. I. Belov, D. M. Gaponova, L. Pavesi, L. Ferraioli, T. G. Finstad, S. Foss // Thin Solid Films. – 2006. – V. 515, N.1 – 2. – С. 333—337.Tetelbaum, D. I. Influence of the nature of oxide matrix on the photoluminescence spectrum of ion−synthesized silicon nanostructures / D. I. Tetelbaum, O. N. Gorshkov, A. V. Ershov, A. P. Kasatkin, V. A. Kamin, A. N. Mikhaylov, A. I. Belov, D. M. Gaponova, L. Pavesi, L. Ferraioli, T. G. Finstad, S. Foss // Thin Solid Films. – 2006. – V. 515, N.1 – 2. – С. 333—337.Wang, Y. Q. The effect of implantation dose on the microstructure of silicon nanocrystals in SiO2 / Y. Q. Wang, R. Smirani, G. G. Ross // Nanotechnology. – 2004. – V. 15. – P. 1554—1560.Wang, Y. Q. The effect of implantation dose on the microstructure of silicon nanocrystals in SiO2 / Y. Q. Wang, R. Smirani, G. G. Ross // Nanotechnology. – 2004. – V. 15. – P. 1554—1560.Mott, N. F. Silicon dioxide and the chalcogenide semiconductors; similarities and differences / N. F. Mott // Adv. Phys. – 1977. – V. 26, N 4. – С. 363—391.Mott, N. F. Silicon dioxide and the chalcogenide semiconductors; similarities and differences / N. F. Mott // Adv. Phys. – 1977. – V. 26, N 4. – С. 363—391.Fernandez, B. G. Influence of average size and interface passivation on the spectral emission of Si nanocrystals embedded in SiO2 / B. G. Fernandez, M. Lopez, C. Garcia, A. Perez-Rodriguez, J. R. Morante, C. Bonafos, M. Carrada, A. Claverie // J. Appl. Phys. – 2002. – V. 91, N 2. – P. 798—807.Fernandez, B. G. Influence of average size and interface passivation on the spectral emission of Si nanocrystals embedded in SiO2 / B. G. Fernandez, M. Lopez, C. Garcia, A. Perez-Rodriguez, J. R. Morante, C. Bonafos, M. Carrada, A. Claverie // J. Appl. Phys. – 2002. – V. 91, N 2. – P. 798—807.Тетельбаум, Д. И. О влиянии процесса коалесценции и характера исходного оксида на фотолюминесценцию ионно-синтезированных нанокристаллов Si в SiO2 / Д. И. Тетельбаум, О. Н. Горшков, А. П. Касаткин, А. Н. Михайлов, А. И. Белов, Д. М. Гапонова, С. В. Морозов // ФТТ. – 2005. – Т. 47, № 1. – С. 17—21.Тетельбаум, Д. И. О влиянии процесса коалесценции и характера исходного оксида на фотолюминесценцию ионно-синтезированных нанокристаллов Si в SiO2 / Д. И. Тетельбаум, О. Н. Горшков, А. П. Касаткин, А. Н. Михайлов, А. И. Белов, Д. М. Гапонова, С. В. Морозов // ФТТ. – 2005. – Т. 47, № 1. – С. 17—21.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.