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
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
