Теорія просторово непрямих екситонів у наносистемах, що містять подвійні напівпровідникові квантові точки
Анотація
У міні-огляді розглядається теорія екситонних квазімолекул в наносистемі, що складається з подвійних квантових точок германію, синтезованих у кремнієвій матриці. У результаті взаємодії двох просторово непрямих екситонів виникала квазімолекула екситону. Показано, що в залежності від відстані D між поверхнями квантових точок у наносистемі утворюються просторово непрямі екситони та квазімолекули екситонів. Енергія зв'язку основного синглетного стану екситонної квазімолекули виявилася гігантською, майже на два порядки перевищувала енергію зв'язку біекситона в монокристалі кремнію. Виявлено виникнення смуги локалізованих електронних станів у забороненій зоні кремнієвої матриці. Ця смуга локалізованих електронних станів виникла в результаті розщеплення електронних рівнів у ланцюжку квантових точок германію.
Проаналізовано природу утворення в гетероструктурах Ge/Si в залежності від відстані D між поверхнями просторово непрямих екситонів та екситонних квазімолекул. Встановлено можливість використання квазімолекул екситонів для створення елементів кремнієвої інфрачервоної нанооптоелектроніки, у тому числі нових інфрачервоних сенсорів.
Виявлено виникнення смуги локалізованих електронних станів у забороненій зоні кремнієвої матриці. У цьому випадку смуга локалізованих електронних станів виникла внаслідок розщеплення електронних рівнів у ланцюжку квантових точок германію. Показано, що рух електрона вздовж зони локалізованих електронних станів у лінійному ланцюжку квантових точок германію викликає збільшення фотопровідності. Ефект підвищення фотопровідності може внести істотний внесок у процес перетворення енергії оптичного діапазону у фотосинтезуючих наносистемах.
Посилання
1. Yakimov, A.I.; Dvurechensky, A.V.; Nikiforov, A.I. Spatial separation of electrons and holes of quantum dots Ge/Si.J. Exp. Theor. Phys. Lett.2001,73, 529-531. https://doi.org/10.1134/1.1387520
2. Yakimov, A.I.; Dvurechensky, A.V.; Nikiforov, A.I. Effects of electron-electron interaction in the optical properties of dense arrays of quantum dots Ge/Si.J. Exp. Theor. Phys. 2001, 119, 574-589.
3. Smagina, G.V.; Dvurechensky, A.V.; Selesnev, V.A. Linear chains of quantum dots Ge/Si when grown on the structured surface, articulated ion irradiation.Semiconductors.2015,49, 749-752. https://doi.org/10.1134/S1063782615060238
4. Yakimov, A.I.; Kirienko, V.V.; Bloshkin, A.A. Localization of electrons in dome-shaped GeSi/Si islands. Appl. Phys. Lett. 2015,106 , 32104 -32111. https://doi.org/10.1063/1.4906522
5. Yakimov, A.I.; Kirienko, V.V.; Bloshkin, A.A.; Armbrister, V.A.; Dvurechensky, A.V. Strain Induced Localization of Electrons in Layers of the Second Type Ge/Si Quantum Dots. JETP Lett. 2015, 101, 750-753. https://doi.org/10.1134/S0021364015110119
6. Yakimov, A.I.; Kirienko, V.V.; Bloshkin, A.A.; Armbrister, V.A.; Dvurechensky, A.V. Suppression of hole relaxation in small Ge/Si quantum dots. JETP Lett. 2015, 102, 594 -598. https://doi.org/10.1134/S0021364015210122
7. A.F. Zinovieva, J.V. Smagina, A.V. Nenashev, Dvurechensky, A.V. Unusual narrowing of the ESR line width in ordered structures with linear chains of Ge/Si quantum dots.JETP Lett. 2015. 102, 108- 112. https://doi.org/10.1134/S0021364015140131
8. Zinovieva, A.F.; Zinovyev, V.A.; Nikiforov, A.I.; Timofeev, V.A.; Mudryi, A.V.; Nenashev, A.V.; Dvurechenskii, A.V. Photolumines-cence enhancement in double Ge/Si quantum dot structures. JETP Lett. 2016, 104, 823-826 https://doi.org/10.1134/S0021364016240061
9. Yakimov, A.I.; Bloshkin, A.A.; Dvurechensky, A.V. Excitons in Ge/Si double quantum dots,J. Exp. Theor. Phys. Lett.2009. 90, 569-573. https://doi.org/10.1134/S0021364009200041
10. Grydlik, M.; Hackl, F.; Groiss, H.; Glaser, M.; Halilovic, A.; Fromherz, T.; Jantsch, W.; Schäffler, F.; Brehm, M. Lasing from GlassyGe Quantum Dots in Crystalline Si. ACS Photonics. 2016, 3, 298-30 https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5b00671
11. Brehm, M.; Grydlik, M. Site-controlled and advanced epitaxial Ge/Si quantum dots: Fabrication, properties, and applications. Nanotechnology. 2017, 28, 392001-392015. https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa8143
12. Pokutnyi, S.I.On an exciton with a spatially separated electron and hole in quasi-zero-dimensional semiconductor nanosystems. Semiconductors. 2013. 47,791-798. https://doi.org/10.1134/S1063782613060225
13. Pokutnyi, S.I.Binding energy of the exciton with a spatially separated electron and hole in quasi-zero-dimensional semiconductor nanosystems. Technical Physics Letters. 2013. 39, 233-235 (2013) https://doi.org/10.1134/S1063785013030139
14.Pokutnyi, S.I.Exciton states formed by spatially separated electron and hole in semiconductor quantum dots. Technical Physics. 2015. 60, 1615-1618. https://doi.org/10.1134/S1063784215110249
15. Pokutnyi, S.I. Excitons based on spatially separated electrons and holes in Ge/Si heterostructures with germanium quantum dots,Low Temp. Phys. 2016.42, 1151-1154. https://doi.org/10.1063/1.4973506
16. Pokutnyi, S.I. Exciton spectroscopy with spatially separated electron and hole in Ge/Si heterostructure with germanium quantum dots. Low Temp. Phys. 2018.44,819 - 823. https://doi.org/10.1063/1.5049165
17. Pokutnyi, S.I. Biexciton in nanoheterostructures of germanium quantum dots. Opt. Eng.2017. 56,067104-1- 067104-5. https://doi.org/10.1117/1.OE.56.6.067104
18. Pokutnyi, S.I.The splitting of electron states in Ge/Si heterostructure with germanium quantum dots. Physica Status Solidi B. 2020. 257, 2000221. https://doi.org/10.1002/pssb.202000221
19. Pokutnyi, S.I.The splitting of electron states in Ge/Si nanosystem with germanium quantum dots: Theory. Physica B: Physics of Condensed Matter. 2021. 601, 412583. https://doi.org/10.1016/j.physb.2020.412583
20. S.I. Pokutnyi, Absorption and scattering of light in quasi-zero-dimensional structures: II. Absorption and scattering of light by single-particle local states of the charge carriers// Physics Solid State 39 (4), 528 -531 (1997). https://doi.org/10.1134/1.1129923
21. S.I. Pokutnyi, Absorption and scattering of light in quasi-zero-dimensional structures: I. Transition dipole moments of the charge carriers// Physics Solid State 39 (4), 634 -636 (1997). https://doi.org/10.1134/1.1129943
22. S.I. Pokutnyi, Exciton states in semiconductor quantum dots in the framework of the modified effective mass method // Semiconductors 41(11), 1323-1328 (2007). https://doi.org/10.1134/S1063782607110097
23. S.I. Pokutnyi, The binding energy of the exciton in semiconductor quantum dots // Semiconductors. 44, 507-514 (2010). https://doi.org/10.1134/S1063782610040147
24. Sergey I. Pokutnyi,Exciton states in semiconductor quasi-zero-dimensional nanosystems // Semiconductors. 46(2), 165 - 170 (2012). https://doi.org/10.1134/S1063782612020194
25. Sergey I. Pokutnyi,Binding energy of excitons formed from spatially separated electrons and holes in insulating quantum dots // Semiconductors. 49 (10), 1311-1315 (2015). https://doi.org/10.1134/S1063782615100218
26. S.I. Pokutnyi,O.V.Ovchinnikov. Absorption of light by colloidal semiconducor quantum dots // Journal of Nanophotonics. 10, 033506-1 - 033506-9 (2016) https://doi.org/10.1117/1.JNP.10.033506
27. S.I. Pokutnyi, Y.N. Kulchin, V.P. Dzyuba. Biexciton in nanoheterostructures of dielectric quantum dots // Journal of Nanophotonics 10, 036008-1 - 036008-8 (2016) https://doi.org/10.1117/1.JNP.10.036008
28. S.I. Pokutnyi, O.V.Ovchinnikov, Relationship between structural and optical properties in colloidal CdxZn1-xS quantum dots in gelatin // Journal of Nanophotonics. 10, 033507-1 - 033507-13 (2016) https://doi.org/10.1117/1.JNP.10.033507
29. S.I. Pokutnyi, Optical absorption by colloid quantum dots CdSe in the dielectric matrix // Low Temperature Physics, 2017. - Vol. 43, N 12. - P.1797 - 1799 https://doi.org/10.1063/1.5012798
30. S.I. Pokutnyi, The spectrum of an exciton in quasi-zero-dimensional semiconductor structures// Semiconductors 30 (11), 1015 - 1018 (1996).
31. S.I. Pokutnyi, The of size quantization of exciton in quasi-zero-dimensional semiconductor structures // Physica Status Solidi B. 173 (2), 607-613 (1992). https://doi.org/10.1002/pssb.2221730212
32. S.I. Pokutnyi. Quantum - Chemical Analysis of System Consisting of two CdS quantum dots // Theoretical and Experimental Chemistry 52(1), 27 - 32 (2016). https://doi.org/10.1007/s11237-016-9446-x
33.S.I. Pokutnyi. Biexciton in quantum dots of cadmium sulfide in a dielectric matrix // Technical Physics. 61(11),1737 - 1739 (2016). https://doi.org/10.1134/S1063784216110190
34. Landau, L.D.; Lifshitz, E.M. Course of Theoretical Physics, Quantum Mechanics, vol. 3, Pergamon Press, New York, 1974.; pp. 212 - 214.
35. Antonyuk, B.P.; Antonyuk, V.P.; A.A. Frolov A.A. Optic Commun. 2000. 174, 427- 431. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(99)00727-0
36. van Loo, A.F.; Fedorov, A.; Lalumiere, K.; Sanders, B.C.; Blais, A.; Wallraff, A. Photon-mediated interactions between distant artificial atoms. Science. 2013. 342, 1494-1496. https://doi.org/10.1126/science.1244324
37. Calman, E.V.; Fogler, M.M.; Butov,L.V.; Hu, S.; Mishenko, A.; Geim, A.K. Inderect exsitons in van der Waals heterostructures at room temperature. Nat. Commun. 2018. 9,1895. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04293-7
38. Díaz, A.S.; Aragones, G.L.; Buckhout-White S. Bridging lanthanide to quantum dot energy transfer with a short - lifetime organic dye. J. Phys. Chem. Lett. 2017. 18, 2182 - 2188. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b00584
