Ge 나노결정의 캐리어 증식_캐리어 증식 현상

이 연구는 SiO2 매트릭스 내의 Ge 나노 결정의 고체 분산에서 캐리어 증식(carrier multiplication, CM) 현상을 보여 준다. 이것은 캐리어 증식이 일어나는 임계 에너지 이상과 이하의 서로 다른 펌프 포톤 에너지에서 초고속 photo-induced absorption transient를 비교함으로써 이루어졌다. 

PL과 라만 스펙트럼으로 부터 평균 Ge 나노입자의 크기는 대략 5~6 nm이었고 Ge의 광학 밴드갭의 2.8배의 광 여기 에너지에서 캐리어 증식 효율은 대략 190%였다. 

고에너지 포톤은 energetic e-h 쌍을 만들고 전류의 형태로 추출되기 전에 먼저 냉각된다; 즉, 입사광의 상당 부분이 열로 변환된다.

CM 현상은 추가 자유 캐리어을 만들어 열 에너지 손실량을 줄인다.  

Si과 같은 벌크 물질에서 CM은 hot carrier에 의한 충격 이온화를 통해 일어난다.  하지만 그 효율은 매우 효과적인 캐리어-쿨링 과정과 경쟁함으로써 상대적으로 낮다.  

CM은 그래핀과 PbS 나노시트(2차원 구속), 탄소 나노튜브와 PbSe 나노기둥(1차원 구속) 그리고 양자점(0차원 구속)과 같은 공간적으로 구속된 물질에서 상당히 강화된다는 것을 알았다. 

양자점의 경우, CM은 콜로이드 분산 또는 고체 매트릭스 내에 임베디드된 양자점에 대한 연구가 이루어지고 있다. 

보통, 공간적으로 구속된 물질내에서 캐리어들 사이의 쿨롱 상호작용은 증가한다. 그것에 의해 CM과 Auger 재결합과 같은 전하 산란 과정은 강화된다. 따라서 구속이 강하면 CM 과정의 효율은 커진다. 

Ge은 특유의 특성으로 인해 관심을 끌고 있는데 높은 화학적 순도, 등방성의 큰 다양성, 직접과 간접 밴드갭에 가까운 독특한 밴드 구조, 그리고 스트레스에 대한 민감성을 갖는다.  

벌크 Ge의 밴드갭은 0.67 eV로 태양전지에서 CM을 이용하기에 거의 이상적이다.

Ge 나노 결정이 임베디드된 SiO2 매트릭스는 멀티 타켓 챔버를 이용하여 고주파 cosputtering에 의해 만들어진다. 막의 두께는 500 nm 정도이고 Ge 함량은 20%이다.

증착 후 샘플은 N2 분위기 1100도,30분에서 어닐링된다. 어닐링 단계 동안 Ge이 작은 결정 분리되어 SiO2 매트릭스 내에서 임베디드된다.

(그림 2 (a) 흡수 곡선(청색)과 PL 곡선(적색). (b) Lorentzian fit(점선)이 있는 Ge 나노결정의 라만 스펙트럼(갈색). 비교를 위한 벌크 Ge의 라만 스펙트럼(녹색). 라만 피크의 이동은 양자 구속에 의한 것이다.)

Ge 나노결정은 정상-상태 흡수와 PL 스펙트럼 측정을 통해 광학적으로 특성 분석되었다.

PL 스펙트럼에서 최대값의 위치는 광학적 밴드갭 1.25 eV을 뜻하는데 이는 Ge 나노결정의 지름이 4~5 nm에 해당하는 이론적 계산에 해당한다. 하지만 Ge 나노결정에 관해서 이론적 모델과 실험 결과 사이에는 명확한 불일치가 있다. 

평균 Ge 나노결정의 지름은 라만 스펙트럼의 폭 및/또는 shift로 부터 예상할 수 있다. 라만 피크의 shift는 양자 구속의 존재 뿐 아니라 시스템 내의 스트레스에 의해 나타난다.

실험적으로 측정된 shift는  Ge 나노결정의 지름이 2 nm를 의미하지만 실험적으로 측정된 라만 피크의 폭 값은 Ge 나노결정의 지름이 ~6 nm에 해당한다.    

본 샘플에서 측정된 shift는 스트레스에 의한 것이기 때문에 Ge 나노결정의 평균 크기는 대략 5~6 nm라고 가정한다. 

(여기 파장 800 nm(a)와 400 nm(b)에 대한 검출 파장 1300 nm 근처에서 측정된 transient absorption(TA) 다이나믹스. 400 nm 일때 double-exponential decay는 CM의 증거이다. 삽화는 흡수 광자 fluence에 대한 TA의 최대 크기와 single exciton decay 꼬리의 크기의 비를 나타낸다.)

(펌프 포톤의 저에너지(a)와 고에너지(b) 사이의 차이)

참고: Carrier multiplication in germanium nanocrystals, Saba Saed, et al., Light: Science & Application (2015) 4, e251;doi:10.1038/Isa.2015.24