Короткая память мерцающих квантовых точек
Исследователи из Физического института имени П.Н. Лебедева вместе со своими коллегами сделали очередной шаг для понимания природы мерцающей люминесценции квантовых точек. Ими было установлено, что полупроводниковые нанокристаллиты CdSe/CdS обладают неким эффектом памяти – прошлые состояния системы влияют на эволюцию её флуоресценции. Полученные данные помогут найти способы управления мерцающей флуоресценцией, непредсказуемый характер которой пока ограничивает перспективы применения наноточек.
Свет, излучаемый квантовой точкой, частицей полупроводника или проводника с характерными размерами от 1 до 100 нм, не является постоянным сигналом и состоит из чередующихся светлых и темных интервалов. Это случайное явление, которое серьёзно ограничивает многочисленные практические применения квантовых точек, как раз и называется мерцающей люминесценцией или блинкингом (от английского blink – мерцание, мигание). Комментирует один из авторов исследования, аспирант ФИАН, Александр Переверзев:
«В эксперименте производится возбуждение квантовых точек лазерным излучением. Они поглощают свет, и электроны излучательно переходят между синглетными уровнями – мы видим люминесценцию образца, квантовые точки переизлучают свет. Казалось бы, такое должно происходить всегда, но в реальности получается по-другому – внезапно наша квантовая точка перестаёт светить. Возбуждение идёт, а точка никак не реагирует. Это может длиться миллисекунды, секунду, 10 секунд. По прошествии времени люминесценция восстанавливается, но управлять этим случайным явлением, предсказывать его до сих пор никто не научился»
На рисунке: Часть трека люминесценции одиночной квантовой точки CdSe/CdS при непрерывном возбуждении с длиной волны 376 нм и временем накполения сигнала, равным 2 мс
Явление мерцания для излучения одиночных молекул предсказал Нильс Бор еще в 1936 году. Тёмные интервалы в его модели были связаны с триплетными состояниями молекул – безызлучательно попадая из синглетного в триплетное состояние, электрон некоторое время находится там, а после возвращается в исходное синглетное состояние. Однако если расписать балансные уравнения для электронных уровней такой модели, то время жизни электрона в триплетных состояниях (продолжительность темных интервалов) будет распределено экспоненциально, что не совпадает с экспериментальными данными для квантовых точек.
«В нашей системе распределение, зависимость вероятности появления темного интервала от его длительности, носит степенной характер. Самое рациональное объяснение этому, на наш взгляд, пока дал коллега из Института спектроскопии РАН, Осадько Владимир Сергеевич. Он исходит из следующего. Квантовая точка это сложный объект, в котором множество электронных уровней сливается в одну большую зону, а вместе с ними сливаются и времена жизни. Такая комбинация в сумме и дает степенную зависимость. Наше моделирование подтвердило эту гипотезу, и теперь остаётся только понять физическую природу уровней» – Александр Переверзев.
В экспериментах учёных исследовались полупроводниковые квантовые точки, в которых ядро из полупроводника n-типа CdS (основные носители заряда – электроны) покрыто слоем полупроводника p-типа CdSe. Общий размер такой квантовой точки ядро/оболочка составляет 2...8 нм. За появление многочисленных уровней в такой системе, по мнению ученых, отвечают локализованные состояния – различные физические дефекты и ловушки на поверхности оболочки и ядра.
Александр Переверзев: «Предположение с ключевой ролью поверхностных состояний в явлении блинкинга – это пока только одна из многих гипотез. Все они ждут эксперимента, подтверждающего этот или иной физический механизм - работ на эту тему существует великое множество. Большинство их них упирается в одну технологию: возбуждают точку, накапливают сигнал за какое-то время, а дальше анализируют статистику. Мы же решили провести анализ полной, не усредненной статистики, которую некими обходными путями можно получить от регистрирующего прибора. При этом анализировали мы не длительности светлых интервалов, а распределение межфотонных, тёмных, интервалов».
Оказалось, что эти временные интервалы скоррелированы, то есть тесно связаны между собой, и длительность каждого нового промежутка (а значит, темного или светлого состояния) зависит от последних состояний системы. Как показал эксперимент, эта зависимость характерна только для мерцающих точек – в сигнале шума или в сигнале от светящихся на протяжении всего измерения точек она отсутствует. Также отсутствует зависимость и в модельных расчетах для одиночных молекул, что указывает на возможную связь этого явления с самой природой блинкинга квантовых точек. Поэтому, предполагается, что этот параметр в дальнейшем можно будет использовать для математического описания процесса и поисков способа его управления.
«В случае транзисторов из квантовых точек явление мерцания, мешает практическим целям очень слабо, потому что в каждый транзистор внедряется большое количество точек и там всё усредняется. Помешать блинкинг может, скорее, в других случаях – в лазерах, в различных биологических метках на основе квантовых точек, которые на порядки более эффективны своих аналогов, но могут пропадать в самый неподходящий момент. Именно поэтому так важно научиться управлять этим явлением» – поясняет Александр Переверзев.
В дальнейшем учёные планируют исследовать поведение системы в зависимости от размера квантовой точки. Ведь с её увеличением или уменьшением будет меняться и распределение ловушек на поверхности ядра и оболочки, а, значит, и сам параметр корреляции. Если учёным удастся предсказать эти изменения то они смогут приблизиться к пониманию природы блинкинга и, возможно, научиться управлять этим нежелательным для многих практических применений процессом.
М. Петров, АНИ «ФИАН-Информ»
