3. Nghiờn cứu chuyển dời phỏt xạ của exciton qua việc nghiờn cứu HQ
1.4.3. Thời gian sống của exciton trong cỏc chấm lượng tử
Cơ chế HQ tắt dần theo thời gian cung cấp thụng tin về cỏc quỏ trỡnh tham gia
vào toàn bộ quỏ trỡnh tắt dần HQ. Nghiờn cứu đường cong HQ tắt dần cũng cho ta
biết về cỏc quỏ trỡnh cạnh tranh với nhau: giữa quỏ trỡnh tỏi hợp điện tử - lỗ trống phỏt xạ, quỏ trỡnh tỏi hợp khụng phỏt xạ và quỏ trỡnh tương tỏc, truyền năng lượng
(hoặc mất mỏt năng lượng) giữa cỏc CLT với nhau (nếu chỳng nằm ở gần nhau với
một khoảng cỏch nào đú). Bởi vậy, nghiờn cứu HQ phõn giải thời gian đúng một vai trũ cực kỳ quan trọng trong việc hiểu biết về bản chất cỏc quỏ trỡnh vật lý xẩy ra dẫn đến phỏt xạ trong cỏc CLT. Cú một thực tế là cơ chế và tớnh chất quang của cỏc
CLT huyền phự được chế tạo theo cỏc điều kiện khỏc nhau là khỏ khỏc nhau và vẫn
chưa được hiểu biết một cỏch đầy đủ vỡ tớnh chất phức tạp của chỳng. Giỏ trị thời
gian sống phỏt xạ khỏc nhau theo kớch thước, thay đổi theo hỡnh dạng của CLT, cú thể thay đổi theo vật liệu vỏ bọc ngoài và chiều dầy lớp vỏ.
(a) (b)
Hỡnh 1.9. Thời gian sống phỏt xạ phụ thuộc nhiệt độ của CLT CdSe cú kớch thước từ
1,7 nm tới 6,3 nm (a) [24] và CLT CdS cú kớch thước từ 1,8 nm đến 2,7 nm (b) [98].
Hỡnh 1.9 biểu diễn sự phụ thuộc kớch thước của thời gian sống phỏt xạ exciton
của cỏc CLT CdSe [24] và cỏc CLT CdS [98] cho thấy thời gian sống phỏt xạ tăng
cú kớch thước tăng từ 1,7 nm tới 6,3 nm cú thời gian sống giảm từ ~1,4 às xuống cỡ
200 ns (hỡnh 1.9a) [24].
Hỡnh 1.10. Cỏc mức năng lượng tạo nờn
cấu trỳc tinh tế của exciton bờ vựng đối với CLT CdSe [31]. Cỏc mức năng lượng được ký hiệu bởi hỡnh chiếu của mụ men xung lượng toàn phần dọc theo
trục của cấu trỳc lục giỏc, GS là trạng thỏi cơ bản của chấm lượng tử.
Hỡnh 1.11. Mụ hỡnh ba mức được đề
xuất trong [22], [24], [57], cỏc ký hiệu |B>, |D>, |G> được gỏn cho trạng thỏi
exciton sỏng, exciton tối và trạng thỏi exciton cơ bản, ΓB và ΓD tương ứng là tốc độ tỏi hợp của trạng thỏi exciton
sỏng và trạng thỏi exciton tối.
Bờn cạnh giỏ trị thời gian sống exciton trong CLT được xỏc định là rất lớn so
với bỏn dẫn khối, đường cong HQ tắt dần của CLT cũn thể hiện là cú dạng nhiều
hàm mũ. Mặc dự vẫn cũn nhiều ý kiến thảo luận giải thớch cỏc thành phần của đường cong HQ tắt dần, bức tranh về thời gian tắt dần HQ cũng dần được sỏng tỏ từ
những quan sỏt thực nghiệm và được xỏc nhận bởi rất nhiều cỏc tớnh toỏn lý thuyết
[31], [33], [68]. Như đó trỡnh bày trong phần 1.3, cấu trỳc tinh tế của exciton bờ
vựng với cỏc mức năng lượng được ký hiệu theo hỡnh chiếu mụmen xung lượng
toàn phần của exciton lờn trục của cấu trỳc lục giỏc (hỡnh 1.10). Cỏc chuyển dời
quang bị cấm đối với cỏc mức E±2 và E0L (gọi là cỏc mức exciton “tối” và được biểu
diễn bằng cỏc đường nột đứt trong hỡnh 1.10). Cỏc chuyển dời quang được phộp với
cỏc mức L U U
1 1 0
E , E và E± ± (được gọi là cỏc mức exciton “sỏng”, được biểu diễn bằng cỏc đường liền nột trong hỡnh 1.10) [31]. Để thể hiện điều này một cỏch rừ ràng hơn, mụ
hỡnh gồm ba mức (hỡnh 1.11) thường được sử dụng để mụ tả cấu trỳc tinh tế của
exciton bờ vựng [22], [24], [57]. Mụ hỡnh này bao gồm mức |G> tương ứng với
trạng thỏi exciton cơ bản, mức |B> tương ứng với trạng thỏi exciton “sỏng” (bright) là trạng thỏi tớch cực quang và mức |D> tương ứng với trạng thỏi “tối” (dark) là
trạng thỏi thụ động quang trong gần đỳng lưỡng cực. Khe năng lượng ∆E giữa hai
mức sỏng – tối nằm trong khoảng từ 1 meV đến 20 meV và tỷ lệ nghịch với kớch thước của cỏc CLT [24], [31]. Trạng thỏi đơn exciton thấp nhất (trạng thỏi exciton
tối) cú thời gian sống phỏt xạ cỡ hàng trăm ns đến às, cũn trạng thỏi exciton sỏng nằm cao hơn vài meV cú thời gian sống cỡ 10 - 20 ns. Mụ hỡnh ba mức đơn giản
này đó giải thớch khỏ tốt cỏc kết quả quan sỏt thực nghiệm về đường cong HQ tắt
dần, đặc biệt là khi nghiờn cứu thời gian sống tại cỏc nhiệt độ thấp.
Trong cỏc tài liệu hiện cú, vớ dụ [58], [93], [95] đường cong HQ tắt dần thường được cho là cú hai thành phần đúng gúp khỏc nhau. Cú thể phõn tỏch đường
cong này thành hai hàm e mũ mà mỗi thành phần cú một giỏ trị thời gian sống (τ)
riờng đặc trưng cho quỏ trỡnh vật lý mà nú thể hiện. Đú là thành phần cú τ nhỏ (cỡ
vài ns) và thành phần tắt dần chậm hơn ứng với τ cú giỏ trị lớn hơn (cỡ hàng trăm
ns) tại nhiệt độ phũng. Nguồn gốc và cơ chế vật lý liờn quan đến hai thành phần thời
gian sống này vẫn đang được thảo luận và người ta vẫn tỡm thờm cỏc bằng chứng
thực nghiệm để chứng minh. Landes và cỏc cộng sự cho rằng cả hai thành phần thời
gian sống ngắn và dài đều xảy ra từ cỏc trạng thỏi bẫy, khụng xảy ra trực tiếp từ cỏc trạng thỏi bờ vựng [58]. Wang và cỏc cộng sự [93], [95] quy thời gian sống phỏt xạ
ngắn hơn và dài hơn cho tỏi hợp của cỏc trạng thỏi bờ vựng và của cỏc trạng thỏi bề
mặt. Mặt khỏc, Javier [7] chỉ ra rằng tỏi hợp exciton trong CLT CdSe gồm phỏt xạ exciton thuần cú thời gian sống dài hơn và exciton tớch điện do kớch thớch quang cú
thời gian sống ngắn hơn. Như vậy, nguồn gốc của cỏc quỏ trỡnh đúng gúp nờn đường cong HQ tắt dần vẫn là một cõu hỏi cú nhiều ý kiến tranh luận khỏc nhau.