Нові квазіатомні наноструктури, що містять екситонні квазімолекули і екситонні квазікристали: теорія

  • С. І. Покутній Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0002-4160-1940
Ключові слова: електрони, дірки, основний синглетний стан біекситона, енергія зв'язку, кулонівська, поляризаційна і обмінна взаємодія, квантові точки, наногетероструктури

Анотація

У огляді розвивається теорія екситонних квазімолекул в наногетероструктурах. Встановлено, що утворення екситонної квазімолекул в наногетероструктурах, що містять квантові точки оксиду алюмінію, синтезовані в діелектричній матриці, носить пороговий характер і може відбуватися в наносистемах,  в яких відстань D між поверхнями квантових точок визначається умовою  . Існування такої відстані  обумовлено квантовими розмірними ефектами, в яких зменшення енергій взаємодії електронів і дірок, що входять в гамільтоніан «молекули екситона», зі зменшенням відстані D між поверхнями КТ не може компенсувати збільшення кінетичної енергії електронів і дірок. На великих відстанях  D між поверхнями квантових точок, таких що D ≥ , біекситон розпадається на два екситона (що складаються з просторово розділених електронів та дірок), локалізованих над поверхнями КТ. Установлено, що зближення двох квантових точок до деякого критичного значення між поверхнями квантової точки призводить до перекриття електронних орбіталей суператомів і виникнення обмінних взаємодій. У цьому випадку інтеграл перекриття хвильових функцій електрона приймає суттєве значення. В результаті можуть бути створені умови для формування квазімолекул з квантових точок.

Як показують наші варіаційні розрахунки, взаємодія екситонів з поверхнями квантових точок («внутрішньомолекулярна» взаємодія) значно сильніша, ніж між квантовими точками ( «межмолекулярна» взаємодія). Завдяки трансляційної симетрії таких наногетероструктур з квантових точок, між поверхнями квантових точок рухається електронне збудження у вигляді біекситона.

Як випливає з результатів варіаційних розрахунків, основний внесок в енергію зв'язку біекситона вносить енергія обмінної взаємодії електронів і дірок, яка набагато перевершує енергію їх кулонівської взаємодії.

Показано, що такі наногетероструктури складаються з «екситонних молекул» (біекситона з просторово розділеними електронами та дірками). Встановлено, що положення енергетичної зони біекситонних станів залежить як від середнього радіуса квантових точок, так і від відстані між поверхнями квантових точок. Остання обставина дозволяє цілеспрямовано управляти положеннями енергетичної зони біекситонних станів, змінюючи ці параметри наноструктури.

Показано, що при постійних концентраціях біекситона при температурах нижче певної критичної температури  Tc  внаслідок випромінювальної  анігіляції одного з екситонів, що утворюють біекситона, можна очікувати нову спектральну смугу випромінювання, зміщену щодо екситонної смуги на енергію зв'язку біекситона   Ця нова смуга випромінювання зникає при температурах вище Tc . При постійній температурі Т < Tc  зростання концентрації екситонів призводить до ослаблення екситонної смуги і посилення біекситона смуги люмінесценції.

Посилання

Alferov Zh. I. Nobel Lecture: The double heterostructure concept and its applications in physics, electronics, and technology. Rev. Modern Physics. 2001.73(3): 767. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.73.767

Ekimov A., Hache F., Schanne-Klein M. Absorption and intensity-dependent photoluminescence measurements on CdSe quantum dots: assignment of the first electronic transitions: erratum. J. Opt. Soc. Amer., B. 1994. 11(3): 524. https://doi.org/10.1364/JOSAB.11.000524

Bondar N., Brodin M. Evolution of exciton states near the percolation threshold in two-phase systems with II-VI semiconductor quantum dots. Semiconductors. 2010. 44 (7): 884. https://doi.org/10.1134/S1063782610070109

Kulchin Yu. N., Shcherbakov A.V., Dzyuba V.P. Nonlinear-optical properties of heterogeneous liquid nanophase composites based on high-energy-gap Al2O3 nanoparticles. Quantum Electr. 2008. 38 (2): 154. https://doi.org/10.1070/QE2008v038n02ABEH013529

Dzyuba V.P., Krasnok A.E., Kulchin Yu.N. Nonlinear refractive index of dielectric nanocomposites in weak optical fields. Techn. Phys. Lett. 2010. 36 (11): 973. https://doi.org/10.1134/S1063785010110015

Pokutnyi S.I. Excition states in semiconductor quantum dots in the modified effective mass approximation. Semiconductors. 2007. 41 (11): 1323. https://doi.org/10.1134/S1063782607110097

Pokutnyi S.I. On an exciton with a spatially separated electron and hole in quasi-zero-dimensional semiconductor nanosystems. Semiconductors. 2013. 47 (6): 791. https://doi.org/10.1134/S1063782613060225

Pokutnyi S.I. Binding energy of the exciton of a spatially separated electron and hole in quasi-zero-dimensional semiconductor nanosystems. Technical Physics Letters. 2013. 39(3): 233. https://doi.org/10.1134/S1063785013030139

Pokutnyi S.I., Kulchin Yu. N., Dzyuba V.P. Binding energy of excitons formed from spatially separated electrons and holes in insulating quantum dots. Semiconductors. 2015. 49(10): 1311. https://doi.org/10.1134/S1063782615100218

Pokutnyi S.I. Excitons based on spatially separated electrons and holes in Ge/Si heterostructures with germanium quantum dots. Low Temperature Physics. 2016. 42(12): 1151. https://doi.org/10.1063/1.4973506

Pokutnyi S.I. Optical absorption by colloid quantum dots CdSe in the dielectric matrix. Low Temperature Physics. 2017. 43(12): 1797. https://doi.org/10.1063/1.5012798

Pokutnyi S.I. Optical spectroscopy of excitons with spatially separated electrons and holes in nanosystems containing dielectric quantum dots. J. Nanophoton. 2018. 12(2): 026013. https://doi.org/10.1117/1.JNP.12.026013

Pokutnyi S.I. Exciton spectroscopy with spatially separated electron and hole in Ge/Si heterostructure with germanium quantum dots. Low Temperature Physics. 2018. 44(8): 819. https://doi.org/10.1063/1.5049165

Pokutnyi S.I. Exciton spectroscopy of spatially separated electrons and holes in the dielectric quantum dots. Crystals. 2018. 8(4): 148. https://doi.org/10.3390/cryst8040148

Pokutnyi S.I. Biexcitons formed from spatially separated electrons and holes in quasi-zero-dimensional semiconductor nanosystems. Semiconductors. 2013. 47(12): 1626. https://doi.org/10.1134/S1063782613120178

Pokutnyi S.I., Kulchin Yu. N., Dzyuba V.P. Biexciton in nanoheterostructures of dielectric quantum dots. J. Nanophoton. 2016. 10: 036008. https://doi.org/10.1117/1.JNP.10.036008

Pokutnyi S.I., Kulchin Yu. N. Special Section Guest Editorial: Optics, Spectroscopy and Nanophotonics of Quantum Dots. J. Nanophoton. 2016. 10(3): 033501. https://doi.org/10.1117/1.JNP.10.036008

Pokutnyi S.I. Biexciton in quantum dots of cadmium sulfide in a dielectric matrix. Technical Physics. 2016. 61(11): 1737. https://doi.org/10.1134/S1063784216110190

Pokutnyi S.I. Excitonic quasimolecules in nanosystems of semiconductor and dielectric quantum dots. Modern Chemistry Applications. 2016. 4(4): 188. https://doi.org/10.4172/2329-6798.1000188

Pokutnyi S.I. Excitonic quasimolecules in nanosystems of quantum dots. Optical Engineering. 2017. 56(9): 091603. https://doi.org/10.1117/1.OE.56.9.091603

Pokutnyi S.I. Biexciton in nanoheterostructures of germanium quantum dots. Optical Engineering. 2017. 56 (6): 067104. https://doi.org/10.1117/1.OE.56.6.067104

S.I. Pokutnyi. Excitonic quasimolecules formed by spatially separated electrons and holes in a Ge/Si heterostructure with germanium quantum dots. J. Appl. Spectroscopy. 2017. 84(2): 268. https://doi.org/10.1007/s10812-017-0462-y

Pokutnyi S.I., Kulchin Yu. N., Dzyuba V.P. Biexciton states in nanoheterostructures of dielectric quantum dots. J. Physics Conference Series. 2018. 1092 (1): 12029. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1092/1/012029

Pokutnyi S.I. Exciton quasimolecules formed from spatially separated electrons and holes in nanostructures with quantum dots of germanium. Molecular Crystals and Liquid Crystals. 2018. 674(1): 92. https://doi.org/10.1080/15421406.2019.1578515

Yakimov A.I., Dvurechensky A.V. Effects of electron-electron interaction in the optical properties of dense arrays of quantum dots Ge/Si. JETP. 2001. 119: 574.

Grabovskis V., Dzenis Y., Ekimov A. Photoionization of semiconductor microcrystals in glass. Sov. Phys. Solid State. 1989. 31(1): 272.

Bondar N. Photoluminescence quantum and surface states of excitons in ZnSe and CdS nanoclusters. J. Luminescence. 2010. 130(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2009.07.015

Ovchinnikov O.V., Smirnov M.S., Shatskikh T.S. Spectroscopic investigation of colloidal CdS quantum dots - methylene blue hybrid associates. J. Nanopart. Res. 2014. 16: 2286. https://doi.org/10.1007/s11051-014-2286-5

Dzyuba V.P., Kulchin Yu. N., Milichko V.A. Quantum size states of a particle inside the nanopheres. Advanced Material Research A, 2013. 677: 42. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.677.42

Lalumiure K., Sanders B., Van Loo F. Imput - output theory for waveguide QED with an ensemble of inhomogeneous atoms. Phys. Rev. A. 2013. 88: 43806. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.88.043806

Van Loo F, Fedorov A, Lalumiure K. Photon-mediated interactions between distant artificial atoms. Science, 2013. 342: 1494. https://doi.org/10.1126/science.1244324

Lozovik Y.E. Electronic and collective properties of topological insulators. Advanc. Phys. Scienc. 2014. 57: 653.

Valiev K. Quantum computers and quantum computing. Advanc. Phys. Sc., 2005. 48: 1. https://doi.org/10.1070/PU2005v048n01ABEH002024

Pokutnyi S.I. Optical nanolaser on the heavy hole transition in semiconductor nanocrystals: Theory. Phys. Letter. A. 2005. 342 (4): 347. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2005.04.070

Pokutnyi S.I. Stark effect in semiconductor quantum dots. J. Applied Physics. 2004. 96: 100015. https://doi.org/10.1063/1.1759791

Pokutnyi S.I., Ovchinnikov O.V., Smirnov M.S. Sensitization of photoprocesses in colloidal Ag2S quantum dots by dye molecules. J. Nanophoton. 2016. 10: 033505. https://doi.org/10.1117/1.JNP.10.033505

Pokutnyi S.I., Ovchinnikov O.V. Relationship between structural and optical properties in colloidal CdxZn1-xS quantum dots in gelatin. J. Nanophoton. 2016. 10: 033507. https://doi.org/10.1117/1.JNP.10.033507

Pokutnyi S.I., Ovchinnikov O.V. Absorption of light by colloidal semiconducor quantum dots. J. Nanophoton. 2016. 10: 033506. https://doi.org/10.1117/1.JNP.10.033506

Pokutnyi S.I. Strongly absorbing light nanostructures containing metal quantum dots. J. Nanophoton. 2018. 12 (1): 012506. https://doi.org/10.1117/1.JNP.12.012506

Pokutnyi S.I., Kulchin Yu.N., Amosov A.V., Dzyuba V.P. Optical absorption by a nanosystem with dielectric quantum dots. Proc. SPIE. 2019. 11024: 1102404.

Pokutnyi S.I. Exciton states formed by spatially separated electron and hole in semiconductor quantum dots. Technical Physics. 2015. 60: 1615. https://doi.org/10.1134/S1063784215110249

Pokutnyi S.I. Spectroscopy of quasiatomic nanostructures. J. Optical Technol. 2015. 82: 280. https://doi.org/10.1364/JOT.82.000280

Опубліковано
2019-10-30
Як цитувати
Покутній, С. І. (2019). Нові квазіатомні наноструктури, що містять екситонні квазімолекули і екситонні квазікристали: теорія. Поверхня, (11(26), 472-483. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.472
Розділ
Наноматеріали і нанотехнології