Екситонні квазімолекули в наносистемах з напівпровідниковими та діелектричними колоїдними квантовими точками: огляд
Анотація
У огляді розглядається теорія екситонних квазимолекул (утворених із просторово розділених електронів і дірок) у наносистемі, що складається з напівпровідникових та діелектричних колоїдних квантових точок (КТ), синтезованих у діелектричній та напівпровідниковій матрицях. Показано, що утворення екситонної квазимолекули має пороговий характер і можливе в наносистемі, в якої відстані D між поверхнями КТ визначаються умовою (де та деякі критичні відстані).
Показано, що в такій наногетероструктурі «екситонні квазімолекули» являють собою дві КТ, на поверхні яких локалізуються екситони. Положення смуги енергії такого стану екситонної квазімолекули залежить як від середнього радіусу КТ, так і від відстані між їх поверхнями. Така залежність дозволяє цілеспрямовано керувати величиною енергії екситонної квазімолекули, змінюючи ці параметри наноструктури.
Встановлено, що енергії зв’язку основного синглетного стану екситонних квазімолекул приймають суттєві значення, значно більші (майже на два порядки) за енергію зв’язку біекситону в напівпровідникових і діелектричних монокристалах. Показано, що основний внесок в енергію зв'язку основного синглетного стану екситонної квазімолекули вносить енергія обмінної взаємодії електронів з дірками, і цей внесок є значно більшим, ніж внесок енергії кулоновської взаємодії між електронами і дірками.
Встановлено, що з підвищенням температури вище порога (Т ), може відбуватися перехід зі стану екситонної квазімолекули в екситонний стан. Показано, що при постійній концентрації екситонів (тобто постійній концентрації КТ) і температурах Т нижче можна очікувати нову смугу люмінесценції, зміщену від екситонної смуги на величину енергії зв’язку екситонної квазимолекули. Ця нова смуга зникає при більш високих температурах (Т ≥ ). При постійній температурі нижче збільшення концентрації екситонів призводить до ослаблення смуги екситонної люмінесценції та посилення смуги екситонної квазімолекули.
Такі екситонні квазімолекули становлять фундаментальний інтерес як нові квазіатомні наноструктури; вони також можуть мати практичну цінність як нові наноматеріали для нанооптоелектроніки. Оскільки енергія основного синглетного стану квазімолекули знаходиться в інфрачервоному діапазоні спектра, то це дозволяє використовувати такі квазімолекули для створення нових інфрачервоних датчиків у біомедичних дослідженнях.
Посилання
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(8): 529. https://doi.org/10.1134/1.1387520
Yakimov A.I., Dvurechensky A.V., Stepina N.P. Effects of the electron-electron interaction to the optical properties of dense arrays of Ge/Si quantum dots. J. Exp. Theor. Phys. 2001. 119(4): 574.
Smagina, G.V., Stepina, N.P., et al. Chains of quantum dot molecules grown on Si surface prepatterned by ion-assisted nanoimprint lithography. Applied Physics Letters 2014. 105(10): 153106. https://doi.org/10.1063/1.4898579
Smagina, G.V., Dvurechensky, A.V., Selesnev, V.A. Linear chains of Ge/Si quantum dots grown on a prepatterned surface formed by ion irradiation. Semiconductors 2015. 49(4): 749. https://doi.org/10.1134/S1063782615060238
Stepina N.P., et al., Photoconductivity over an array of self-assembler quantum dots Ge/Si. J. Exp. Theor. Phys. 2012. 130(2): 309.
Yakimov A.I., et al., Long- range Coulomb interaction in arrays of Ge/Si quantum dots. Phys. Rev. B 2000, 61(11): 10868. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.10868
Grabovskis V., Dzenis Y., Ekimov A. Photoionization of semiconductor microcrystals in glass. Sov. Phys. Solid State 1989. 31(2): 272.
Bondar, N. Photoluminescence quantum and surface states of excitons in ZnSe and CdS nanoclusters. J. Luminesc. 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(4): 2286. https://doi.org/10.1007/s11051-014-2286-5
Milichko V.A., Dzuyba V.P., Kulchin Y.N. Unusual nonlinear optical properties of SiO2 nanocomposite in weak optical fields. Appl. Phys. A. 2013. 11 (1): 319. https://doi.org/10.1007/s00339-013-7609-3
Milichko V.A., Dzuyba V.P., Kulchin Y.N. Anomalous optical nonlinearity of dielectric Nanodispersions. Quantum Electronics. 2013. 43 (2): 567. https://doi.org/10.1070/QE2013v043n06ABEH015171
Muravitskaya A.O., Gurinovich L.I., et al.,The effect of an external electric field on photoluminescence of CdSe colloidal nanoparticles of different topologies. Optics and Spectroscopy, 2017. 122(1): 83. https://doi.org/10.1134/S0030400X17010192
Gaponenko S.V., Demir H.V., Seassal C., et al., Colloidal nanophotonics: The emerging technology platform. Optics Express 2016. 24 (4): A 430. https://doi.org/10.1364/OE.24.00A430
Achtstein A.W., Prudnikau A.V., Ermolenko M.V., et al., Electroabsorption by 0D, 1D, and 2D Nanocrystals: A Comparative Study of CdSe Colloidal Quantum Dots, Nanorods, and Nanoplatelets. ACS Nano, 2014. 8 (10): 7678. https://doi.org/10.1021/nn503745u
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 with 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. Exciton states formed by spatially separated electron and hole in semiconductor quantum dots. Technical Physics. 2015. 60 (8): 1615. https://doi.org/10.1134/S1063784215110249
Pokutnyi S.I., Kulchin Y.N., Dzuyba 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 Temp. Phys. 2016. 42(12): 1151. https://doi.org/10.1063/1.4973506
Pokutnyi, S.I. Exciton spectroscopy with spatially separated electron and hole in Ge/Si heterostructure with germanium quantum dots. Low Temp. Phys. 2018. 44 (8): 819. https://doi.org/10.1063/1.5049165
Pokutnyi, S.I. Optical spectroscopy of excitons with spatially separated electrons and holes in nanosystems containing dielectric quantum dots. J. Nanophoton., 2018. 12 (8): 026013. https://doi.org/10.1117/1.JNP.12.026013
Ashoori, R.C. Electrons in artificial atoms. Nature, 1996. 37: 413. https://doi.org/10.1038/379413a0
Pokutnyi S.I., Gorbyk P.P. New superatom in alkali-metal atoms. J. Nanostruct. Chem. 2015. 5: 35. https://doi.org/10.1007/s40097-014-0128-8
Pokutnyi, S.I. The biexciton with a 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. Biexciton in nanoheterostructures of dielectric quantum dots. J. Nanophoton. 2016. 10 (5): 036008. 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. Biexciton in nanoheterostructures of germanium quantum dots. Optical Engineering 2017. 56 (6): 067104. https://doi.org/10.1117/1.OE.56.6.067104
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
Lalumiure K., et al., Input-output theory for waveguide QED with an ensemble of inhomogeneous atoms. Phys. Rev A 2013. 88 (10): 43806. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.88.043806
Arjan A. Photon-mediated interactions between distant artificial atoms. Science 2013. 342: 1494. https://doi.org/10.1126/science.1244324
Efimkin D.K., Lozovik Y.E., Sokolik A.A. Electron-hole pairing in a topological insulator thin films. Phys. Rev. B Condens. Matter. Phys. 2012. 86(11): 115436. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.115436
Valiev K., Quantum computers and quantum computing. Adv. Phys. Sci. 2005. 48(1): 1. https://doi.org/10.1070/PU2005v048n01ABEH002024
Yakimov A.I., Bloshkin A.A., Dvurechensk A.V. Excitons in Ge/Si double quantum dots. J. Exp. Theor. Phys. Lett., 2009. 90(8): 569. https://doi.org/10.1134/S0021364009200041
Pokutnyi S.I. Spectrum of exciton in quasi-zero-dimensional systems: Theory. Physics Letters A. 1995. 203(5): 388. https://doi.org/10.1016/0375-9601(95)00400-W
Pokutnii S.I. Absorption and scattering of light in quasi-zero-dimensional structures: I. Transition dipole moments of the charge carriers. Phys. Solid State 1997. 39 (4): 634. https://doi.org/10.1134/1.1129943
Pokutnii S.I. 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. Phys. Solid State 1997. 39 (4): 528. https://doi.org/10.1134/1.1129923
