Optical studies of PbS and PbSe quantum dots in glass matrices

Abstract

Квантовые точки материала PbS, сформированные в стеклянных матрицах, изучаются уже на протяжении 30 лет. Они представляют интерес как перспективный материал для практического применения в качестве детекторов и насыщающихся поглотителей в импульсных лазерах, а так же, благодаря своей сложной зонной структуре, как объект для экспериментальных и теоретических исследований. На сегодняшний день остаются открытыми немало вопросов, касающихся исследований зонной структуры данных нанокристаллов. В частности, для того чтобы понять энергетический спектр квантовых точек PbS, необходимы сопоставления атомистических расчетов и экспериментальных данных. Для измерений спектров поглощения квантовых точек PbS была создана оптическая установка, позволяющая измерять спектры в широком диапазоне длин волн (600-2500нм). Нами изучались силикатные стёкла, содержащие квантовые точки PbS, которые были приготовлены при разных временах высокотемпературного отжига, вследствие чего квантовые точки имели разные средние размеры: d = 11.6нм – 5.2нм. Размеры точек определялись методом малоуглового рассеяния рентгеновского излучения. В данной работе были проанализированы полученные спектры для квантовых точек разных размеров. Благодаря высокому качеству изучаемых образцов, удалось получить до четырех оптических переходов и разрешить расщепленные вследствие анизотропии эффективных масс носителей (p-p)t и (p-p)l состояния. Экспериментальные спектры были сопоставлены со спектрами, рассчитанными в рамках модели сильной связи. Сопоставление дало приемлемое соответствие при учете регулярного сдвига энергии всех уровней порядка 100 meV.

PbS quantum dots in a glass matrixes are studied for the last 30 years. They are interested as a promising materials for the application as a detectors and saturated absorbers in pulsed lasers, and also due to its complex structure, as an object for the experimental and theoretical studies. Many questions remain open today about the band structure of this materials. In particular, to understand the energy spectrum of the PbS quantum dots comparison of the experimental data and atomistic calculations are required. For studying of the absorption spectra of the PbS quantum dots a new optical setup that allows to measure the optical spectra in a wide wavelength range (600-2500 nm) was created. We have studied silicate glasses containing PbS quantum dots taken at different times of high-temperature annealing and thus having different average diameters: d=5.2 – 11.6 nm. Quantum dots diameters were measured by small-angle X-ray diffraction. In this work the optical spectra for the quantum dots with different sizes were analyzed. Due to the high quality of the samples under study up to four transition levels were observed and the splitting form the anisotropy of the effective carrier masses (p-p)l and (p-p)t was resolved. Experimental spectra were compared with one calculated in a tight-binding model aproximation. This comparison gave a satisfied conformity taken into account a regular shift of all levels in order of 100 meV.