ВПЛИВ ГЕОМЕТРІЇ НА ЕНЕРГЕТИЧНІ СПЕКТРИ НОСІЇВ ЗАРЯДУ ТА ЕКСИТОНІВ У ТЕТРАПОДОПОДІБНИХ НАНОСТРУКТУРАХ

Abstract

У цій роботі представлено теоретичне дослідження енергетичних спектрів електронів, дірок та екситонів у тетраподоподібних напівпровідникових квантових острівцях. Для забезпечення адекватного фізичного опису складної тривимірної морфології нанокрис талів запропоновано та систематично порівняно три реалістичні макроскопічні геометричні моделі. Розрахунки виконано в наближенні ефективної маси з використанням моделі скінченного 3D потенціального бар’єра. Чисельне розв’язання стаціонарного рівняння Шредінгера для одночастинкових електронних та діркових станів, а також розрахунок повної енергії екситона, здійснено за допомогою методу скінченних елементів. Встановлено, що просторове перекриття на геометричному стику ядро-рукав визначає режим сильного просторового квантового обмеження. Аналіз результатів виявляє складну немонотонну залежність енергій основного стану електрона та екситона від висоти рукавів тетрапода. Така поведінка зумовлена сильною фізичною конкуренцією між локалізацією носіїв заряду всередині центрального ядра та їхнім проникненням у доступний об’єм епітаксіальних рукавів. Продемонстровано, що коли домінує об’єм ядра, геометричне звуження на стику створює ефективний потенціальний бар’єр, який жорстко замикає хвильову функцію носіїв у центрі наноструктури, що неминуче призводить до зростання енергії. Натомість переконливо показано, що енергія основного екситонного переходу практично не залежить від загальної довжини рукавів і визначається переважно радіусом ядра та товщиною рукавів. Теоретичні результати, отримані з використанням циліндричної моделі, демонструють відмінний кількісний збіг з даними оптичної спектроскопії синтезованих довгорукавних квантових острівців CdSe. Розбіжність, що спостерігається для короткорукавних зразків, підкреслює чутливість енергетичного спектра до поверхневих станів та структурних недосконалостей на нанорівні.