Na rysunku 4.1 porównane zostało widmo fotoluminescencji od kropek kwantowych
wytworzone dokładnie w takich samych warunkach wzrostu. Jedyn ró nic mi dzy nimi stanowi wprowadzenie manganu podczas nakładania warstwy CdTe w przypadku próbki przedstawionej na rysunku 4.1a. Fotoluminescencja z kropek kwantowych Cd1-xMnxTe/ZnTe charakteryzuje si wzgl dnie szerok lini emisyjn w zakresie energii od 1.9 eV do 2.25 eV. Jej kształt nie zale y znacznie od zawarto ci manganu w badanym przez nas zakresie koncentracji 0 < xMn < 4%. Obserwujemy, e luminescencja od obydwu próbek wygl da identycznie.
Rys. 4.1. Porównanie widma fotoluminescencji (a) z magnetycznych kropek kwantowych CdMnTe/ZnTe z nominalnym składem manganu, xMn= 0.04 i (b) niemagnetycznych kropek CdTe. Obserwujemy identyczn lini emisyjn dla obydwu próbek. Temperatura pomiaru 10 K, pobudzanie powy ej bariery laserem He-Cd 442 nm (2.8 eV)
Na szeroko linii emisyjnej od zespołu kropek kwantowych mo e wpływa szereg elementów, takich jak: ró ne rozmiary kropek kwantowych, napr enia w kropkach kwantowych, a tak e ró ny skład chemiczny kropek wywołanym dyfuzj cynku z bariery.
Ze wzgl du na du e podobie stwo widma fotoluminescencyjnego od kropek kwantowych z ró nymi zawarto ciami manganu (rys. 4.1) wnioskujemy, e zmiany składu manganu kropkach kwantowych CdMnTe nie maj znacznego wpływu na ostateczny kształt linii emisyjnej od zespołu kropek kwantowych. Oprócz silnej luminescencji w 2.08 eV pochodz cej od kropek kwantowych obserwujemy tak e słabsz lini luminescencyjn w 2.37 eV zwi zan z emisj ekscytonów swobodnych z bariery ZnTe. Potwierdza to dobr jako krystaliczn tego materiału.
Je eli u yjemy trójskładnikowej bariery Zn1-yCdyTe, to wraz ze wzrostem koncentracji kadmu obserwujemy zdecydowane przesuni cie emisji ekscytonowej z kropek kwantowych w stron ni szych energii (rys. 4.2a). Obecno kadmu w barierze zmniejsza
przerw energetyczn Zn1-yCdyTe, a w konsekwencji obni a barier kwantowego potencjału ograniczaj cego. Dzi ki zastosowaniu trójskładnikowej bariery jeste my w stanie przesun energi emisji ekscytonowej poni ej energii przej cia wewn trz-manganowego (patrz rozdział 3.2).
W dalszej cz ci pracy przeprowadzone zostały dokładne badania dwóch próbek zawieraj cych znacznie ró n koncentracj manganu, xMn= 0.04, 0.003. W obydwu tych próbkach zastosowali my barier Zn1-yCdyTe, z ułamkiem molowym kadmu y≅0.2. Widmo z próbki A zawieraj cej nominalnie xMn=0.04 zostało przedstawione na rysunku 4.2b. Porównuj c je z widmem fotoluminescencyjnym z niemagnetycznych kropek kwantowych CdTe/ZnCdTe z podobn zawarto ci ułamkow cynku równ ~0.85 (rys.
4.2a), obserwujemy niewielkie ró nice w kształcie widma fotoluminescencyjnego. Nie s one najprawdopodobniej spowodowane obecno ci manganu w próbce A, ale efektem
„dojrzewania” kropek kwantowych zwi zanymi z ró nicami w temperaturze wzrostu obydwu tych struktur [78,79].
Rys. 4.2 (a) Wpływ zawarto ci Cd w barierze Zn1-yCdyTe na energi fotoluminescencji z kropek kwantowych CdTe (b) widmo fotoluminescencji kropek kwantowych CdMnTe/Zn0.79Cd0.21Te z nominalnym składem manganu, 0.04, próbka A. Temperatura pomiaru 10 K, pobudzanie laserem He-Cd 442 nm (2.8 eV) powy ej bariery
Na wykresie 4.2b obserwujemy, e oprócz szerokiej linii emisyjnej od kropek kwantowych z maksimum w 1.97 eV pojawia si wzgl dnie słaba linia w 2.23 eV zwi zana z emisj z bariery Zn1-yCdyTe. Linia ta została powi kszona w oknie na rysunku 4.2b. Przyjmuj c, e jest to emisja ekscytonów swobodnych z Zn1-yCdyTe i e przerwa
kadmu w barierze, y = 0.21, który jest zgodny z naszymi oczekiwaniami na podstawie parametrów wzrostu.
Wykonane zostały pomiary fotoluminescencji od zespołu kropek kwantowych w funkcji temperatury dla próbki A i próbki B. Obserwujemy, e wraz ze wzrostem temperatury, intensywno fotoluminescencji znacznie maleje. Typow zale no luminescencji w funkcji temperatury dla próbki A przedstawia rysunek 4.3.
Rys. 4.3. Zale no widma fotoluminescencji od temperatury pomiaru dla kropek kwantowych CdMnTe/Zn0.79Cd0.21Te, xMn=0.04, próbka A; nierezonansowe pobudzanie laserem He-Cd 442 nm (2.8 eV)
Wzrost temperatury pomiaru powoduje nie tylko zanik fotoluminescencji, ale tak e znaczne przesuni cie maksimum emisji w stron ni szych energii. Przesuni cie to jest znacznie wi ksze ni przesuni cie linii ekscytonowej w obj to ciowym krysztale Zn0.8Cd0.2Te, które wywołane jest obecno ci fononów zgodnie z teori Varshniego [80]
(rysunek 4.4).
Rys. 4.4. Przesuni cie maksimum emisji z kropek kwantowych w ni sze energie w funkcji temperatury wywołana poprzez redystrybucj no ników w kropkach kwantowych o ró nych rozmiarach (czarne punkty), oraz znacznie wolniejsze przesuni cie emisji ekscytonowej z Zn0.8Cd0.2Te spowodowane poprzez zaw anie si przerwy energetycznej
Czynnikiem powoduj cym dodatkowe przesuni cie si linii luminescencyjnej od kropek kwantowych w stron ni szych energii jest najprawdopodobniej termicznie aktywowana redystrybucja ekscytonów pomi dzy kropkami kwantowymi o ró nych rozmiarach [27,81-83]. Wzrost temperatury powoduje ucieczk ekscytonów z małych kropek kwantowych, z których emisja ekscytonowa charakteryzuje si wzgl dnie du ymi energiami. Ekscytony te mog by wychwycone przez wi ksze kropki kwantowe o emisji w ni szych energiach. W zwi zku z tym luminescencja we wzgl dnie wysokich energiach zdecydowanie szybciej zanika ni luminescencja w ni szych energiach. Powoduje to efektywne przesuni cie si linii emisyjnej z kropek kwantowych w stron ni szych energii.
W celu jako ciowej analizy zaniku luminescencji z kropek kwantowych w funkcji temperatury została wyznaczona całkowita intensywno luminescencji w ró nych temperaturach poprzez scałkowanie linii luminescencyjnej zwi zanej z emisj z kropek kwantowych. Zale no całkowitej intensywno ci luminescencji w funkcji temperatury wykre la si zazwyczaj w formie wykresu Arhenniusa [27,83], gdzie na osi odci tych umieszcza si odwrotno temperatury przemno on przez stał Boltzmanna, a na osi
Rys. 4.5. Wyznaczenie energii aktywacji termicznej procesów niepromienistych dla kropek kwantowych CdMnTe z ró nymi składami manganu przy u yciu wykresu Arhenniusa i dopasowania funkcji (4.1) do zale no ci intensywno ci luminescencji w funkcji temperatury (a) próbka A, xMn~4% (b) próbka B, xMn=0.3%
Do zale no ci całkowitej intensywno ci luminescencji w funkcji temperatury zastaje nast pnie dopasowana funkcja zadana wzorem (4.1) [27,82,83]:
)
I0 współczynnik proporcjonalno ci opisuj cy intensywno luminescencji w najni szych temperaturach
EA energia aktywacji termicznej procesów niepromienistych,
C stosunek prawdopodobie stwa przej cia promienistego do niepromienistego kb stała Boltzmanna
T temperatura
Na podstawie tego dopasowania wyznaczamy energi aktywacji termicznej procesów niepromienistych, EA, która jest miar stabilno ci luminescencji w funkcji temperatury.
Im wy sza jest EA, tym wolniejszy zanik luminescencji obserwuje si wraz ze wzrostem temperatury.
Energia aktywacji termicznej zaniku fotoluminescencji wynosi 28 meV dla próbki A i 26 meV dla próbki B. Warto ci te mo na porównywa z energiami aktywacji termicznej otrzymanymi dla kropek kwantowych CdTe/ZnTe, 30 meV – 35 meV. S one natomiast znacznie wi ksze ni w studniach kwantowych CdTe/ZnTe, 12 meV – 17 meV [27]. Na podstawie du ej stabilno ci luminescencji w funkcji temperatury mo emy zatem
wnioskowa , e mamy do czynienia z emisj ze struktur zero-wymiarowych zarówno w próbce A, jak i próbce B. Wniosek ten potwierdzaj dalsze wyniki, w szczególno ci pomiary mikroluminescencji opisane w rozdziale 4.2.
Podobne warto ci EA otrzymane dla próbki A i próbki B sugeruj , e skład Mn w kropkach CdMnTe nie ma wi kszego wpływu na stabilno luminescencji w funkcji temperatury. Istotny najprawdopodobniej jest skład bariery, Zn0.8Cd0.2Te w próbce A i próbce B, który jest odpowiedzialny za nieco ni sze warto EA w porównaniu z kropkami kwantowymi CdTe/ZnTe. Poprzez dodanie kadmu do półprzewodnika bariery obni a si potencjał ograniczaj cy ruch ekscytonu w kropce kwantowej. Powoduje to zwi kszenie prawdopodobie stwa termicznej ucieczki no ników z kropek kwantowych, a w konsekwencji skrócenie czasu ycia ekscytonów w kropkach kwantowych i szybszy zanik luminescencji wraz ze wzrostem temperatury.