Titik Kuantum Bismut di Sumur Kuantum GaAsBi/AlAs Teranil

Hasil

Spektroskopi Raman

Spektrum Raman dari sampel GaAsBi MQW yang diselidiki direkam dalam geometri hamburan balik oleh spektrometer Via Raman (Renishaw) yang dilengkapi dengan kamera CCD berpendingin termoelektrik (−70 °C) dan mikroskop. Garis radiasi 532-nm dari laser solid-state yang dipompa dioda digunakan untuk fotoeksitasi. Lensa objektif 50×/0,75 NA dan kisi 1800 garis/mm digunakan untuk merekam spektrum Raman. Waktu akumulasi adalah 400 s. Untuk menghindari kerusakan sampel, daya laser pada sampel dibatasi hingga 0,06 mW. Frekuensi Raman dikalibrasi menggunakan standar silikon (garis pada 520,7 cm ⁻¹ ). Parameter mode vibrasi ditentukan dengan menyesuaikan spektrum eksperimental dengan komponen bentuk Gaussian–Lorentzian menggunakan perangkat lunak GRAMS/A1 8.0 (Thermo Scientific).

Spektrum Raman dari sampel A GaAsBi/AlAs MQW yang ditumbuhkan dan dianil disajikan pada Gambar. 3. Sebuah doublet intens yang diamati pada sampel yang tumbuh (Gbr. 3, kurva hijau) pada 269 dan 290 cm 1 sesuai dengan mode fonon optik transversal (TO) dan optik longitudinal (LO) seperti GaAs, masing-masing [16,17,18]. Dalam geometri hamburan balik, pita TO secara simetris dilarang untuk kristal GaAs yang ideal [17, 18], tetapi gangguan struktur kristal yang diinduksi Bi merusak simetri kisi kristal GaAs dan mengaktifkan mode TO. Dua mode getaran bi-induced luas lainnya terlihat di dekat 227 dan 181 cm ⁻¹ dapat dikaitkan dengan mode getaran seperti GaBi [18]. Kehadiran penghalang AlAs dapat dikenali dalam spektrum Raman dari mode LO yang tajam pada 402 cm ⁻¹ [19].

Spektrum Raman dari as-tumbuh (kurva hijau ) dan anil (kurva merah ) Contoh-A GaAsBi MQW

Anil termal sampel yang relatif singkat (180 dtk) pada 750 °C menginduksi perubahan penting dalam spektrum Raman:(i) pita frekuensi rendah yang intens muncul pada 72 dan 96 cm ⁻¹ , (ii) intensitas pita di dekat 269, 227, dan 181 cm ⁻¹ menurun, dan (iii) fitur luas mendekati 361 cm ⁻¹ muncul dalam spektrum sampel anil. Dua pita frekuensi rendah pada 72 dan 96 cm ⁻¹ sesuai dengan E _g dan A _1g mode bismut kristal [20,21,22,23,24]. Munculnya pita ini bersama dengan penurunan intensitas pita mirip GaBi yang diinduksi Bi pada 269 dan 181 cm ⁻¹ menunjukkan bahwa anil termal menyebabkan penarikan bismut dari situs kisi GaAsBi dan aglomerasinya ke kristal nano Bi. Selain itu, pembentukan kristal nano bismut juga memengaruhi struktur kristal lapisan AlAs, seperti yang terlihat dari munculnya fitur TO yang diinduksi cacat luas di dekat 361 cm ⁻¹ [25].

Pengukuran Fotoluminesensi

Pengukuran fotoluminesensi (PL) yang bergantung pada suhu dilakukan menggunakan monokromator panjang fokus 500 mm (Andor SR-500i) bersama dengan fotodetektor InGaAs yang didinginkan dengan nitrogen cair. Laser keadaan padat yang dipompa dioda yang memancarkan pada panjang gelombang 532 nm digunakan sebagai sumber eksitasi pada daya eksitasi 38 mW. Sampel dipasang pada jari dingin kriostat helium siklus tertutup yang digabungkan dengan pengontrol suhu, memungkinkan pengukuran dalam kisaran suhu 3-300 K.

Spektrum PL dari sampel A yang dianil, yang berisi tiga QW GaAsBi setebal 10 nm dan satu setebal 20 nm, diukur pada suhu yang berbeda disajikan pada Gambar 4a. Dua set utama fitur spektral di bawah celah pita GaAs dapat dibedakan. Puncak energi tinggi yang kuat yang terletak sekitar 1,35 eV dapat dikaitkan dengan transisi radiasi dalam QW GaAsBi. Posisi puncak mendekati yang diamati pada GaAs_0,979 Bi_0,021 /GaAs sumur kuantum [26] dan berkorelasi dengan data XRD yang menunjukkan kandungan Bi 2,1% di lapisan QW GaAsBi sampel A setelah anil. Fitur spektral di sisi energi rendah, 0,6-1,05 eV, muncul dalam spektrum PL setelah anil termal sampel dan, oleh karena itu, dapat dikaitkan dengan transisi optik dalam kristal nano Bi. Pita PL berenergi rendah memiliki struktur dalam, yang menampakkan dirinya pada suhu rendah. Yaitu, di T = 3 K, komponen PL yang diposisikan pada 0.67, 0.88, dan 0.98 eV dapat dibedakan. Seperti yang terlihat pada Gambar 4a, pada suhu helium cair, sinyal PL dari GaAsBi QWs dua kali lipat lebih kuat daripada pita PL berenergi rendah. Namun, puncak PL berenergi tinggi menurun dengan cepat dengan peningkatan suhu dan puncak PL berenergi rendah mulai mendominasi pada T> 100 K.

Spektrum PL yang bergantung pada suhu dari a . anil Sampel A terdiri dari tiga QW GaAsBi/AlAs dengan lebar 10 nm dan satu QW dengan lebar 20 nm dan b Sampel-B terdiri dari 20 QW GaAsBi/AlAs dengan lebar 10 nm

Spektrum PL sampel B, yang berisi dua puluh sumur kuantum GaAsBi setebal 10 nm yang dipisahkan oleh penghalang AlAs setebal 4 nm, disajikan pada Gambar 4b. Sebelum anil termal, seperti halnya sampel A, sampel B hanya memanifestasikan pita PL energi yang lebih tinggi, terkait QW. Puncak PL energi rendah yang kuat pada sekitar 0,85 eV diamati setelah anil termal dan, oleh karena itu, kami berasumsi, dapat dikaitkan dengan emisi dari kristal nano Bi. Intensitas puncak energi rendah pada sampel B lebih kuat daripada pada sampel A dan meningkat dengan peningkatan jumlah QW. Pada suhu rendah, tiga komponen puncak, yang diselesaikan dengan baik dalam sampel-A, dapat dilacak. Namun, dalam sampel B, puncak PL berenergi rendah didominasi oleh komponen 0,85 eV di seluruh rentang suhu yang diselidiki. Posisi energi yang lebih tinggi, terkait QW, puncak PL sedikit bergeser ke energi yang lebih rendah sehubungan dengan posisinya dalam sampel A sesuai dengan data XRD, yang menunjukkan 2,8% Bi dalam lapisan sumur kuantum sampel B setelah anil termalnya. Dalam sampel B, puncak PL terkait QW mengungkapkan struktur dalamnya. Puncaknya terbentuk dari komponen terkait eksiton terikat pada sekitar 1,27 eV, yang mendominasi pada suhu rendah, dan komponen terkait eksiton terdelokalisasi, yang terletak sekitar 1,35 eV dan mendominasi pada suhu yang lebih tinggi. Struktur bagian dalam dari puncak terkait QW menghasilkan ketergantungan suhu tipe-S karakteristik dari posisi puncak PL (titik penuh pada Gambar. 5), yang diamati sebelumnya baik dalam jumlah besar GaAsBi [27] dan dalam sumur kuantum GaAsBi/GaAs [26]. Puncak PL yang diposisikan pada energi foton rendah menunjukkan ketergantungan suhu yang jauh lebih lemah (titik dan kurva terbuka pada Gambar. 5), yang dapat dilengkapi dengan fungsi Varshni E (T ) = E (0) − αT ² /(β + T ) dengan parameter dan sama dengan 10 ⁻⁴ eV/derajat dan 100 K, masing-masing. Perlu dicatat bahwa nilai parameter , yang bertanggung jawab atas variasi celah energi dengan suhu, jauh lebih kecil daripada nilai standarnya untuk sebagian besar semikonduktor, 3°10 ⁻⁴ –5°10 ⁻⁴ eV/derajat. Ini menjadikan matriks Bi nanocrystal sebagai sistem potensial yang penting untuk sumber cahaya yang dipancarkan pada panjang gelombang telekomunikasi dan memiliki sensitivitas suhu rendah.

Ketergantungan suhu posisi spektral pita PL berenergi tinggi dan rendah untuk sampel B anil yang terdiri dari dua puluh QW GaAsBi/AlAs dengan lebar 10 nm

Diskusi

Pengukuran spektroskopi HRTEM, EDS, dan Raman yang dilakukan dalam penelitian ini menunjukkan bahwa kristal nano Bi (titik kuantum) mengendap di lapisan GaAsBi setelah anil termal dari sampel GaAsBi/AlAs MQW yang ditumbuhkan MBE bersuhu rendah. Seseorang dapat berasumsi bahwa nanocrystals ini bertanggung jawab atas pita photoluminescence panjang gelombang panjang yang muncul dalam sampel anil. Meskipun bismut massal adalah semi-logam, massa efektif kecil dari pembawa muatan Bi menghasilkan permulaan awal efek kurungan kuantum dalam struktur nano berbasis Bi. Bahkan, salah satu pengamatan eksperimental pertama dari efek ukuran-kuantisasi dilaporkan untuk lapisan Bi tipis [28]. Transisi semilogam-ke-semikonduktor dalam film Bi tipis, d < 30 nm, diamati secara eksperimental di Ref. [29]. Transisi juga terungkap dalam kawat nano Bi dengan diameter lebih kecil dari 65 nm [30, 31]. Dalam kedua kasus ini, keadaan semikonduktor diidentifikasi dari pengukuran karakteristik listrik yang bergantung pada suhu. Efek ukuran kuantum dalam nanopartikel bismut untuk pertama kalinya dipelajari dengan spektroskopi kehilangan energi elektron [32], dan transisi semi-logam ke semikonduktor ditemukan terjadi pada nanopartikel Bi dengan diameter di bawah 40 nm. Transisi ke keadaan semikonduktor langsung baru-baru ini dilaporkan [33] untuk nanopartikel Bi koloid 3,3 nm.

Dalam Bi murni, lembah utama elektron dan lubang terletak di L dan T titik dari zona Brillouin dan sesuai dengan permukaan isoenergetik ellipsoidal (Tabel 1). Keadaan dasar elektron lembah ellipsoidal (lubang) di titik kuantum bola dapat diperkirakan sebagai

$$ W=\frac{\pi^2{\hslash}^2}{2\overline{m}{r}_0^2}\ . $$ (1)

Di sini r ₀ adalah jari-jari QD dan \( \overline{m} \) adalah massa efektif terbalik rata-rata,

$$ \frac{1}{\overline{m}}=\frac{1}{3}\left(\frac{1}{m_1}+\frac{1}{m_2}+\frac{1}{ m_3}\kanan), $$ (2)

m ₁ , m ₂ , dan m ₃ adalah massa efektif utama dari lembah ellipsoidal.

Rumus fenomenologis (1) memberikan perkiraan yang mendekati tingkat energi tanah ₁ dalam QD bola yang sangat dalam dengan rasio massa efektif yang berubah-ubah. Memang, itu tepat, ₁ = A , dalam kasus permukaan isoenergetik bola (m ₁ = m ₂ = m ₃ ), memprediksi ₁ energi dengan akurasi 12%, ₁ 0.88 A , dan 25%, ₁ = 0,75 A , dalam kasus yang membatasi lembah spheroidal yang sangat prolate (m ₁ = m ₂ , m ₃ → ∞) dan yang sangat oblate spheroidal (m ₁ = m ₂ , m ₁ → ∞), masing-masing. Oleh karena itu, pada nilai sembarang massa efektif prinsip, rumus (1) mendekati energi tanah QD dengan akurasi lebih baik dari 25%.

Rumus (1) memungkinkan evaluasi langsung sederhana dari celah energi efektif di titik kuantum bismut, E _g,eff = E _g + A _e + A _h , di mana E _g adalah celah energi dalam kristal curah dan W _e dan A _h adalah energi kuantisasi elektron dan ukuran lubang (1). T . yang dihitung efektif dan L celah energi disajikan secara grafis pada Gambar. 6. (Massa elektron dan hole di kedua T dan L poin diasumsikan sama.)

Evolusi dengan spektrum energi Bi QD dengan penurunan ukurannya (r ₀ dan d adalah radius dan diameter QD)

Dalam jumlah besar, bismut semi-logam, pita konduksi minimum L lembah adalah 38 meV di bawah T pita valensi maksimum. Ketika ukuran partikel Bi diperkecil, celah pita energi efektif di L poin meningkat lebih cepat daripada di T titik karena massa efektif yang lebih kecil dari L -lembah, apa yang akhirnya mengarah ke transisi semimetal ke semikonduktor (i -titik crossover pada Gambar. 6). Pada awalnya, kristal nano bismut menjadi semikonduktor tidak langsung dengan pita konduksi terendah di L titik dan pita valensi tertinggi maksimum di T titik. Dengan penurunan lebih lanjut dari ukuran QD, baik tepi pita valensi dan konduksi akan muncul di T poin membuat Bi QD menjadi semikonduktor celah langsung (d -titik crossover pada Gambar 6).

Perlu dicatat bahwa Gambar. 6 hanya menyajikan skema kasar spektrum energi, karena skema mengabaikan efek non-parabola dan mengasumsikan hambatan energi tak terbatas untuk QD. Penyimpangan dari hukum dispersi parabola sangat penting untuk L -lembah (lihat misalnya, [34]). Memang, massa efektif di L -pusat lembah kira-kira lima kali lebih kecil dari nilainya pada energi Fermi (yang digunakan untuk perhitungan spektrum energi yang disajikan pada Gambar. 6). Di sisi lain, efek non-parabola lebih lemah pada T poin, di mana celah pita energi lebih besar, dan oleh karena itu, yang disajikan efektif T kesenjangan energi (Gbr. 6) dapat dianggap sebagai perkiraan yang relevan.

Di atas, kami telah mengasumsikan puncak PL energi rendah pada ~0,85 eV disebabkan oleh transisi optik yang terjadi dalam kristal nano Bi dengan diameter sekitar 10 nm. Perhitungan yang disajikan untuk d = 10 nm QD memprediksi E _g,eff = 0,76 eV celah energi efektif, yang sesuai dengan eksperimen dan, oleh karena itu, mendukung asumsi hipotetis asal puncak PL energi rendah.