CC BY
15
УДК 538.9
ИЗЛУЧЕНИЕ ЭКСИТОНОВ И ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОЙ ЖИДКОСТИ В УСЛОВИЯХ РЕЗОНАНСНОЙ БЛИЖНЕПОЛЬНОЙ СВЯЗИ С ЛОКАЛИЗОВАННЫМИ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНАМИ
С.Н. Николаев, М.О. Никитин, Е. Е. Онищенко, К. А. Савин
Исследовано влияние золотых наночастиц на излучение многочастичных состояний в квантовых ямах БгОе/Бг с тонкими покровными слоями. Установлено, что коэффициент усиления люминесценции многочастичных состояний квантовых ям БгОе/Бг в видимой области спектра вблизи плазмонного резонанса наночастиц зависит, от толщины покровного слоя Бг и типа многочастичного состояния.
Ключевые слова: Б1, Се, квантовые ямы, 2Ед-люминесценция, металлические нано-частицы.
К настоящему моменту для целого ряда систем уверенно продемонстрирована возможность управления вероятностью спонтанного излучения за счет взаимодействия излучателя с плазменными колебаниями металлических наночастиц (НЧ), см., напр., [13]. В частности, недавно сообщалось об экспериментальном наблюдении эффектов плазмонного усиления для коллективных процессов рекомбинации (2Ед-люминесценция), при которых испущенному кванту передается энергия, высвободившаяся после аннигиляции нескольких электронно-дырочных пар [4, 5]. В работе [4] в качестве электронных состояний, допускающих четырехчастичную излучательную рекомбинацию, рассматривались биэкситоны и электронно-дырочная жидкость (ЭДЖ). В то же время, ЭДЖ и биэкситоны имеют принципиально разную природу: ЭДЖ представляет собой плотную электронно-дырочную плазму, сосуществующую с экситонными состояниями, и, соответственно, является существенно нелокальным и коллективным состоянием [6, 7]. Би-экситон, напротив, является экситонной молекулой и для процессов 2Ед-люминесценции является элементарным состоянием, которое полностью аннигилирует, испустив 2Ед квант [8]. В данной работе исследовано влияние типа многочастичного состояния на
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: nikolaev-s@yandex.ru.
возможность и величину плазмонного усиления люминесценции 8Юе/81 квантовых ям (КЯ) в видимом диапазоне спектра.
Рис. 1: Спектры пропускания золотых наночастиц в исходном растворе (кривая 1) и после нанесения на кварцевую подложку (кривая 2), а также спектры люминесценции КЯ в видимом (2Ед) и ИК (Ш) диапазонах. Спектральное положение возбуждающей лазерной линии помечено стрелкой. На вставке приведено изображение поверхности образца с наночастицами, полученное с помощью электронной микроскопии.
Схема эксперимента полностью аналогична описанной в работах [4, 5]. Для регистрации спектров пропускания НЧ и низкотемпературной (5 К) люминесценции SiGe/Si гетероструктур использовалась схема на основе решеточного спектрометра Princeton Instruments Acton 2500SP, оснащенного охлаждаемой ПЗС-матрицей PyLoN 100F. Для фотовозбуждения структур использовалось излучение непрерывного перестраиваемого лазера Toptica (765-805 нм), работающего на длине волны 790 нм. Длина волны возбуждения была выбрана так, чтобы лежать по возможности дальше от плазменного резонанса металлических НЧ и диапазона наблюдения 2Eg-люминесценции (около 550560 нм) [4] (рис. 1). Основное отличие результатов, представленных в данной работе от результатов [4], состоит в том, что (1) использовались золотые НЧ большего размера с большей глубиной проникновения локальных полей, (2) чтобы избежать сложной структуры ближнего поля использовались сравнительно малые концентрации НЧ, исключающие их взаимное влияние друг на друга, и (3) после нанесения НЧ с помощью отжига удалялись поверхностно-активные вещества. Удаление поверхностно-активных веществ позволило точно контролировать расстояние от НЧ до КЯ, определить реальную плот-
ность НЧ, а также их дисперсию по размерам. Исследуемые 81Се/81 гетероструктуры содержали одиночные КЯ БЮе/Б! шириной 5 нм (доля Ое 4.5-5%), покрытые защитным слоем Б1 толщиной 14-40 нм. Так как поля локализованных плазмон-поляритонов сосредоточены вблизи границы металл-диэлектрик и затухают на расстояниях порядка размера НЧ, то следовало ожидать наибольшего взаимодействия плазменных колебаний с состояниями в КЯ при расстояниях между ними <50 нм [9], что определяет малую толщину покровного слоя. Плотность НЧ на поверхности структур составляла ~1010 см-2. Измерение спектров фотолюминесценции проводилось последовательно как в областях, покрытых НЧ, так и не подвергшихся обработке. Это позволило проследить влияние НЧ на интенсивность различных линий люминесценции при одинаковой температуре и плотности мощности возбуждения.
Рис. 2: Спектры излучения КЯ при температуре 5 К (тонкая кривая) и 10 К (жирная кривая) в ИК (слева) и видимом (справа) спектральных диапазонах. Стрелкой показано положение биэкситонной линии.
Анализ спектров фотолюминесценции описанных выше образцов показал, что при толщине покровного слоя 18-40 нм уверенно регистрируется излучение КЯ как в ИК, так и в видимой области спектра, излучение КЯ для образца с толщиной покровного слоя 14 нм не регистрировалось вовсе. Для анализа фазового состава электронной подсистемы КЯ 81Ое/Я1 проводилось сопоставление спектров ИК и видимой люминесценции образцов. Излучение конденсированной фазы с характерным длинноволновым плечом [7] доминирует в спектрах неглубоких КЯ БЮе/Б! при низкой температуре (5 К) и большой плотности возбуждения (160 мВт/см2) (тонкие кривые на рис. 2).
Значительно увеличить долю биэкситонов позволяет повышение температуры образца до 10 К (жирные линии на рис. 2). Для дальнейших исследований была выбрана именно эта температура, так как она позволяла наблюдать взаимодействие локализованных плазмон-поляритонов с двумя типами многочастичных состояний, а также следить за изменениями фазового состава электронной подсистемы в КЯ при нанесении НЧ на поверхность образцов.
Рис. 3: Спектры излучения КЯ с толщиной покровного слоя 26 нм при температуре 10 К до нанесения НЧ (тонкая кривая) и после (жирная кривая) в ИК (слева) и видимом (посередине) спектральных диапазонах. Стрелкой показано положение би-экситонной линии. Справа приведено отношение коэффициентов усиления видимой и ИК-люминесценции биэкситонов (Бг-2Ед/Ш) и ЭДЖ (ЕИЬ-2Ед/Ш) при различной толщине покровного слоя Бг.
Как видно из рис. 3, после нанесения НЧ на поверхность образца изменялась интенсивность излучения КЯ как в ИК, так и в видимой области спектра. Изменения в ИК-спектре аналогичны влиянию плотности мощности возбуждения, и, по всей видимости, связаны с изменением поверхностных электромагнитных полей при нанесении НЧ и повышением эффективности сбора носителей заряда в КЯ. Излучение образца с толщиной покровного слоя 18 нм, в отличие от остальных, снижается более чем в 2 раза. Столь резкие изменения в характере взаимодействия многочастичных состояний в КЯ с НЧ указывают на заметную диссипацию энергии в системе вследствие ферстеровского переноса энергии НЧ.
На рис. 3 справа приведено отношение коэффициентов усиления видимой и ИК люминесценции биэкситонов и ЭДЖ в зависимости от толщины защитного слоя. Для
биэкситонов наблюдается выраженный максимум усиления при малой толщине покровного слоя. Дальнейшее уменьшение его толщины, вероятно, увеличивает роль ферсте-ровского переноса энергии, а увеличение - снижает эффективность взаимодействия с локализованными плазмон-поляритонами НЧ. Видимая люминесценция ЭДЖ, напротив, наиболее эффективно усиливается при больших толщинах покровного слоя.
Таким образом, исследовано влияние золотых НЧ на излучение многочастичных состояний в 8Юе/Я1 КЯ. Показано, что коэффициент усиления видимой люминесценции БЮе/Б! КЯ, лежащей вблизи плазмонного резонанса НЧ, зависит от толщины покровного слоя Б1 и типа многочастичного состояния. Для биэкситонов наибольшее усиление достигается при расстоянии НЧ от КЯ около 22 нм, в то время как для ЭДЖ можно говорить о стабилизации коэффициента усиления вблизи значения 1.3 для толщин покровного слоя 26-40 нм.
Работа выполнена при поддержке Гранта Президента РФ МК-2332.2017.2.
ЛИТЕРАТУРА
[1] G. Vampa, B. G. Ghamsari, S. Siadat Mousavi, et al., Nature Physics 13, 659 (2017).
[2] B. Lee, J. Park, G. H. Han, et al., Nano Letters 15(5), 3646 (2015).
[3] Z. Wang, Z. Dong, Y. Gu, et al., Nature Communications 7, 11283 (2016).
[4] В. С. Кривобок, С. Н. Николаев, А. В. Новиков и др., Письма в ЖЭТФ 104(4),
229 (2016).
[5] С. Н. Николаев, В. С. Кривобок, В. С. Багаев, Е. Е. Онищенко, Краткие сообщения
по физике ФИАН 44(12), 41 (2017).
[6] Н. Н. Сибельдин, УФН 187(11), 1236 (2017).
[7] С. Н. Николаев, В. С. Кривобок, В. С. Багаев и др., Письма в ЖЭТФ 104(3), 161 (2016).
[8] В. С. Багаев, Э. Т. Давлетов, В. С. Кривобок и др., Журнал экспериментальной и
теоретической физики 148(6 (12)), 1198 (2015).
[9] G. Mie, Leipzig, Ann. der Phys. 330, 377 (1908).
Поступила в редакцию 7 декабря 2018 г.
После доработки 7 декабря 2018 г. Принята к публикации 22 января 2019 г.
