Estudo da transferência de energia em materiais semicondutores utilizando microluminescência resolvida espacialmente

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1 ! Estudo da transfrência d nrgia m matriais smicondutors utilizando microluminscência rsolvida spacialmnt Arnaldo Frrira dos Ris Instituto d Física UFU Adamo Frrira Goms do Mont Instituto d Física UFU Rsumo: Apsar d todo dsnvolvimnto tcnológico atual com rlação aos matriais surgm a cada dia novas struturas novos dispositivos qu rfazm os concitos d Física da tcnologia d matriais. Particularmnt a propridad física aprsntada como o transport d nrgia tm atraído considrávl intrss cintifico, visto qu sta propridad é uma pont para novas aplicaçõs tcnológicas m dispositivos ópticos ltrônicos. O studo d transfrência d nrgia dpnd primiramnt da xcitação do sistma qu é um pré-rquisito para missão d luminscência. Assim um matrial xcitado aprsnta létrons ocupando um nívl d nrgia lvado acima das condiçõs d quilíbrio. Como os létrons xcitados stão m um a posição instávl, ls podm fazr uma transição para um nívl d nrgia mais baixa afim d alcançar o quilíbrio. Dsta forma, toda ou part da difrnça d nrgia ntr os nívis podm sr liminados na forma d radiação ltromagnética. Assim, vrificamos a ncssidad d comprndr a transfrência d nrgia d amostras luminscnts, usando-s as sguints técnicas ópticas: fotoluminscência (PL), fotoluminscência d xcitação (PLE), microluminscência (Micro-PL), absorção óptica (AO) spctroscopia Raman. Palavras-cav: física, nrgia, nanostruturas, smicondutors Acadêmico do curso d Física-licnciatura - - Orintador

2 1. INTRODUÇÃO O studo d nanopartículas smicondutoras com diâmtro ntr 1 0 nm tornou-s uma grand ára intrdisciplinar d psquisa nos últimos anos. Est é um assunto atualíssimo d grand importância cintífica tcnológica. Um dos fators qu atram tanto intrss para a psquisa d nanopartículas é a ncssidad d minituarização d dispositivos óticos ltrônicos. O intnso intrss nsta ára driva d suas propridads ltrônicas químicas únicas, qu aprsntam potncial d uso nos campos da óptica não-linar, como missão d luz, na convrsão d nrgia solar, na opto-ltrônica m outras áras. Essas nanostruturas smicondutoras são sistmas qu podm formar pontos quânticos (PQs). As nanopartículas smicondutoras aprsntam grands mudanças m suas propridads ltrônicas m comparação ao matrial bulk. Quando a dimnsão da nanopartícula torna-s mnor, o gap das bandas d valência condução aumnta m nrgia [Klimov t al., 000a; Trindad t al., 001]. O principal objtivo é dmonstrar a possibilidad d uma anális xprimntal mais comprnsiva sistmática, através d técnicas ópticas rfinadas, como a técnica d microluminscência, pla qual as prdiçõs tóricas podrão sr avaliadas. É notório qu o studo xprimntal das nanopartículas tm ficado para trás da toria, dvido principalmnt à naturza ambígua d várias mdidas. A técnica d varrdura da microluminscência tm a vantagm d sr não dstrutiva não ncssitar d um aparato xprimntal muito complicado caro. Ela srá utilizada para studar os spctros das nanopartículas os procssos d transfrência d nrgia.. Smicondutors nanocristalinos As nanostruturas smicondutoras, ou propriamnt nanocristais smicondutors, são sistmas qu podm formar pontos quânticos (PQs). Os PQs, por sua vz, são sistmas quantizados do tipo atômico, mas m stado sólido, qu prmitm a obsrvação d vários fnômnos rlacionados ao sistma zro-dimnsional. Os PQs também forncm condiçõs fundamntais para o studo d procssos opto-ltrônicos m struturas smicondutoras zro-dimnsionais, um dos tópicos dst trabalo [Klimov t al., 000b; Trindad t al., 001]. Estas caractrísticas surgm como rsultado das próprias propridads dos PQs, não sndo ncontrado m sistmas d dimnsionalidad mais alta. Dois fators fundamntais, ambos rlacionados ao tamano do nanocristal individual, distingum su comportamnto do corrspondnt matrial macrocristalino. O primiro é a alta disprsividad (valor alto na rlação suprfíci/volum) associado com as partículas, com ambas propridads físicas químicas sndo particularmnt snsívis à strutura da suprfíci. O sgundo fator é o tamano ral da partícula, qu pod dtrminar as propridads físicas ltrônicas do matrial. Quando o tamano dsss sólidos diminui, o gap d nrgia da banda torna-s maior. Dntro das nanopartículas, o létron o buraco stão mais próximos m comparação ao matrial macrocristalino, a intração d Coulomb ntr o létron buraco não pod sr dsprzada [Bimbrg t al., 1998].

3 Várias matrizs têm sido usadas para a prcipitação d nanopartículas smicondutoras, como por xmplo: sólidos crscidos m camadas, pniras molculars, miclas/micromulsõs, gls, polímros vidros. Estas matrizs podm sr visualizadas como nanocâmaras qu limitam o tamano no qual os nanocristais podm crscr. As propridads dos nanocristais são dtrminadas, não somnt plo confinamnto do matrial ospdiro, mas também plas propridads do sistma, qu inclum as propridads d suprfíci [Erwin t al., 005]. Como consqüência do confinamnto do mio usado, a disprsão d tamano das partículas é limitada; m zólitos, por xmplo, o diâmtro dos nanocristais é limitado plo tamano dos poros (~ nm). Alguns xmplos d nanocristais smicondutors são basados m sulftos como PbS CdS óxidos ZnO TiO. Para caractrizar sss matriais, é comum utilizar as sguints técnicas ópticas: Fotoluminscência (PL), Fotoluminscência d Excitação (PLE), Microluminscência (Micro-PL), Absorção Óptica (AO) Espctroscopia Raman. Pod-s contar também com a caractrização strutural através da microscopia d força atômica (AFM). A caractrização óptica d nanocristais smicondutors através d spctros PL, PLE AO visa studar a qualidad da amostra os parâmtros d crscimnto m função d dtrminados tratamntos aplicados à amostra. A spctroscopia Raman pod sr usada para dtrminar a composição d um dtrminado matrial, obsrvando-s as vibraçõs molculars dst matrial. As propridads struturais dos nanocristais obtidos, quanto à omognidad d tamanos distribuição spacial, podrão sr obsrvadas através d imagns d AFM. Na aproximação da massa ftiva, Brus colaboradors, , dmonstraram para nanocristais d CdE (S ou S) qu a dpndência com o tamano da nrgia da primira transição ltrônica do éxciton (ou o dslocamnto do gap da banda com rspito ao valor típico bulk) pod sr aproximadamnt calculada usando a rlação: π E R 1 m 1 + m 1.8 εr. (1) Esta quação é uma aproximação analítica para a primira transição ltrônica d um éxciton, qu podr sr dscrita plo Hamiltoniano idrognóid, ^ H = m m ε r r. () Na quação acima, o trmo Coulombiano dsloca o primiro stado xcitado ltrônico para baixas nrgias, R -1, nquanto os trmos d localização quânticos dslocam o stado para nrgias maiors, R -. Consqüntmnt, a primira transição ltrônica (ou gap da banda) aumnta m nrgia com a diminuição do diâmtro da partícula. Esta prdição tm sido confirmada xprimntalmnt para uma grand varidad d nanocristais smicondutors, com um dslocamnto para o azul no início da absorção da luz sndo obsrvada com a diminuição do diâmtro da partícula. Além disso, as bandas d condução valência nos matriais nanocristalinos consistm d conjuntos discrtos d nívis ltrônicos qu rprsntariam o stado da matéria ntr o matrial molcular o bulk. Os procssos d transfrência d nrgia são d máxima importância m física básica. Podmos lmbrar qu é um dos mais studados fnômnos na naturza, como ocorr no procsso d fotossínts, na qual a convrsão d nrgia solar o armaznamnto a nívl molcular ocorrm através da transfrência d nrgia [Krnn, 003]. Entndr sss fators ajudará no dsnvolvimnto d sistmas molculars qu possam dublar a alta ficiência da convrsão da nrgia solar na fotossínts natural [Sudp t al., 00]. A migração d nrgia, ou transfrência d nrgia, é um problma qu tm sido associado a difrnts tipos d matriais, tais como: polímros [Buckly t al., 001; Wstnoff t al., 005], vidros sol-gl [Hayakawa Nogami, 001] nanocristais [Colvin t al., 1994; Zongua t al., 003]. 3

4 3. Caractrização óptica d nanopartículas As propridads ópticas são studadas m matriais smicondutors qu podm mitir radiação dntro da faixa spctral d ~ 400 a ~ 1500 nm, dpndndo do tipo do tamano dsss pontos quânticos. Para caractrizar as amostras irmos utilizar, basicamnt, as sguints técnicas ópticas: fotoluminscência (PL), fotoluminscência d xcitação (PLE), microluminscência (Micro-PL), absorção óptica (AO) spctroscopia Raman. Também contamos com a caractrização strutural por microscopia d força atômica (AFM). A caractrização óptica d nanocristais smicondutors através d spctros PL AO visa studar a qualidad da amostra os parâmtros d crscimnto m função d dtrminados tratamntos aplicados à amostra. Para obtr informaçõs adicionais sobr as propridads ópticas é fundamntal a aquisição d spctros d fotoluminscência por xcitação (PLE) [Mont t al., 003; Altman t al., 003]. O procsso na qual s obtém a PLE xig a rlaxação dos portadors fotocriados para o stado fundamntal. Isto é um passo important para rvlar as difrnts contribuiçõs (composição, altura forma) das larguras d linas não-omogênas m nsmbls d pontos quânticos. 4. Mtodologia Como nst projto os principais rsultados xprimntais srão obtidos através da técnica d varrdura suprficial da microluminscência, vamos dtalar a montagm dsta técnica. O xprimnto s basia na anális da rgião d luminscência com rlação à rgião d xcitação do fix óptico na suprfíci da amostra. Como a técnica é basada na ampliação d uma ára microluminscnt, podmos dnominá-la d imagm d microluminscência. Através dla, podmos studar dtrminar os procssos d difusão da nrgia m sistmas luminscnts [Adams t al., 1999; Buckly t al., 001; Canpolat t al., 1997]. São utilizadas as técnicas d absorção ótica (AO), fotoluminscência (PL) fotoluminscência d xcitação (PLE), st último m fas d montagm, como forma d dtrminar as propridads físicas das nanopartículas. A fotoluminscência da qual dispomos no laboratório da UFU stá m opração na faixa qu vai dsd ~ 350 nm até ~ 1500 nm. A difrnça básica da microluminscência com rlação à técnica convncional d PL rsid no fato da possibilidad d scola d uma ára micronizada na suprfíci da amostra. Esta ára micronizada pod sr scolida tanto próximo do spot d xcitação quanto afastado. Em smicondutors, mdidas comparativas dos spctros d PL forncm dados importants sobr a tmpratura ltrônica local, a dnsidad local a rnormalização do gap d nrgia do smicondutor. Pod-s invstigar, por xmplo, como a tmpratura ltrônica varia spacialmnt, dsd a gração dos létrons no cntro do spot d xcitação. É possívl variar a posição da microluminscência na suprfíci da amostra obtr spctros d PL associado ao fito da difusão dos fotoportadors. Exprimntos análogos mostram qu é possívl studar o spctro d PL d um único ponto quântico [Empdocls t al., 1996]. 4

5 5. Agradcimntos Mu agradcimnto ao CNPq plo auxílio financiro qu possibilitou a ralização dst trabalo, à UFU aos profssors do Instituto d Física plos concimntos,auxílio incntivo rcbidos. 6. Rfrências Altman, I.S.; Pikitsa, P.V.; Coi, M.; Song, H.J.; Nasibulin, A.G.; Kauppinn, E.I.; Zro-ponon lins in t potoluminscnc spctra of MgO:Mn+ nanocrystals, Pys. Rv. B 68, 1534 (003). Bimbrg, D.; Grundmann, M.; Ldntsov, N.N.; Quantum Dot Htrostructur (Wily, 1999). Braun, P.-F.; Lombz, L.; Mari, X.; Urbaszk, B.; Amand, T.; Rnucci, P.; Gauffir, J.-L.; Kalvic, V.K.; Kavokin, K.V.; Krbs, O. and Voisin, P.; Spin Dynamics of Elctrons and Hols in p-dopd InAs/GaAs Quantum Dots, Braz. J. of Pys. 36, (006). Brus L., Elctronic wav functions in smiconductor clustrs: xprimnt and tory, J. Cm. Pys. 90, 555 (1986). Dantas, N.O.; Mont, A.F.G.; Qu, Fanyao; Silva, R.S.; Morais, P.C.; Enrgy transfr in PbS quantum dots assmblis masurd by mans of spatially rsolvd potoluminscnc, Appl. Surf. Sci. 38, 09 (004). Ebbns, A.; Krizanovskii, D. N.; Tartakovskii, A. I.; Pulizzi, F.; Wrigt, T.; Savlyv, A. V.; Skolnick, M. S.; and Hopkinson M.; Optical orintation and control of spin mmory in individual InGaAs quantum dots, Pys. Rv. B 7, (005). Empdocls, S.A.; Bawndi, M.G.; Quantum-Confind Stark Effct in Singl CdS Nanocrystallit Quantum Dots, Scinc 78, 114 (1997). Erwin, S.C.; Zu, L.; Haftl, M.I.; Efros, A.L.; Knndy, T.A.; Norris, D.J.; Doping smiconductor nanocrystals, Natur 436, 91 (005). Fanyao, Q.; Morais, P.C.; Enrgy lvls in mtal oxid smiconductor quantum dots in watr-basd colloids, J. Cm. Pys. 111, 8588 (1999). Finly, J.J.; Mowbray, D.J.; Skolnick, M.S.; Asmor, A.; Bakr, C.; Mont, A.F.G.; Hopkinson, M.; Hill, G.; Fin structur of cargd and nutral xcitons in InAs-Al0.6Ga0.4As quantum dots. Pys. Rv. B 66, (00). Fry, P. W.; Itskvic, I. E.; Parnll, S. R.; Finly, J. J.; Wilson, L. R.; Scumacr, K. L.; Mowbray, D. J.; Skolnick, M. S.; Al-Kafaji, M.; Cullis, A. G.; Hopkinson, M.; Clark, J. C.; Hill, G.; Potocurrnt spctroscopy of InAs/GaAs slf-assmbld quantum dots, Pysical Rviw B 6, (000). Klimov, V.I.; Mikailovsky, A.A.; McBranc, D.W.; Latrdal, C.A.; Bawndi, M.G.; Quantization of Multiparticl Augr Rats in Smiconductor Quantum Dots, Scinc 87, 1011(000). Krnnr, H. J.; Sabatil, M.; Clark, E. C.; Krss, A.; Scu, D.; Biclr, M. Abstritr, G.; and Finly, J. J.; Dirct Obsrvation of Controlld Coupling in an Individual Quantum Dot Molcul, Pys. Rv. Ltt. 94, (005). 5

6 Mont, A.F.G.; Cruz, J.M.R.; Morais, P.C.; An xprimntal dsign for microluminscnc, Rv. Sci. Instrum. 68, 3890 (1997). Mont, A.F.G.; Silva, S.W.; Cruz, J.M.R.; Morais, P.C.; Cavs, A.S.; Exprimntal vidnc of asymmtric carrir transport in InGaAs quantum wlls and wirs grown on tiltd InP substrats, Appl. Pys. Ltt. 81, 460 (00). Mont, A.F.G.; Finly, J.J.; Asmor, A.; Fox, A.M.; Skolnick, M.S.; Mowbray, D.J.; Hopkinson, M.; Carrir dynamics in sort wavlngt slf-assmbld InAs/AlGaAs quantum dots wit indirct barrirs, J. Appl. Pys. 93, 354 (003). Mont, A.F.G.; Morais, P.C.; Hopkinson, M.; Elctric fild ffct in t spin dynamics of slfassmbld InAs/GaAs quantum dots. J. Magn. Magn. Matr. 316 (007) Sals, F.V.; da Silva, S.W.; Cruz, J.M.R.; Mont, A.F.G.; Solr, M.A.G.; Morais, P.C.; da Silva, M.J.; Quivy, A.A.; Indications of amplifid spontanous mission in t nrgy transfr btwn InAs slf-assmbl quantum dots, Pys. Rv. B 70, (004). Study of t nrgy transfr in smiconductor matrials using spatially rsolvd microluminscnc Arnaldo Frrira dos Ris Instituto d Física UFU Adamo Frrira Goms do Mont Instituto d Física UFU Abstract: Dspit of all currnt tcnological dvlopmnt wit rspct to t matrials com out vry day nw structurs and nw dvics tat rmodl t concpts of pysics and tcnology of matrials. Particularly t pysical proprty prsntd as t transport of nrgy as attractd considrabl scintific intrst, bcaus tis proprty is a bridg to nw tcnological applications in optical and lctronic dvics. T study of nrgy transfr dpnds firstly on t xcitmnt of t systm tat is rquirmnt for luminscnc mission. In tis way, a matrial prsnts xcitd lctrons occupying an nrgy lvl ig abov t conditions of quilibrium. How xcitd lctrons ar in a instabl position, ty can mak a transition to a lowr nrgy lvl in ordr to aciv an quilibrium. Tus, all or part of t diffrnc in nrgy btwn t lvls can b liminatd in t form of lctromagntic radiation. Trfor w obsrvd t ndd to undrstand t nrgy transfr of luminscnt sampls, using t following optical tcniqus: potoluminscnc (PL), potoluminscnc of xcitation (PLE), microluminscnc (Micro-PL), optical absorption (AO) and Raman spctroscopy. Kywords: pysics, nrgy, nanostructurs, smiconductors 6

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