ЕКСИТОННІ СПЕКТРИ У БАГАТОШАРОВІЙ ВІДКРИТІЙ НАПІВПРОВІДНИКОВІЙ НАНОТРУБЦІ

О. М. Маханець, А. І. Кучак, О. М. Войцехівська, В. І. Гуцул

Анотація


Метою даної роботи є теоретичне дослідження спектральних параметрів електрона, дірки та екситона у багатошаровій “відкритій” циліндричній напівпровідниковій нанотрубці на основі напівпровідників GaAs та AsGaAlxx−1.
Усі аналітичні розрахунки виконано в моделі ефективних мас та прямокутних потенціалів. Резонансні енергії та ширини квазістаціонарного спектра електрона (дірки) знаходяться шляхом точного розв’язку стаціонарного рівняння Шредінгера з використанням граничних умов неперервності хвильових функцій та потоків густин ймовірностей на всіх межах поділу складної нанотрубки та функції розподілу за енергією ймовірності знаходження квазічастинки у наносистемі. Екситонне рівняння Шредінгера розв’язується наближено з використанням модифікованого варіаційного методу Бете та хвильових функцій електрона (дірки) відповідної закритої нанотрубки.
У роботі проаналізовано залежності резонансних енергій і резонансних ширин квазічастинок від товщини нанотрубки.
Показано, що як резонансні енергії, так і ширини квазістаціонарних станів усіх квазічастинок немонотонно залежать від товщини нанотрубки. При чому, якщо у залежностях резонансних енергій ця немонотонність проявляється, як чергування горизонтальних та спадних ділянок, то у залежностях резонансних ширин спостерігаються яскраво виражені максимуми та мінімуми. Така поведінка спектральних параметрів електрона, дірки й екситона цілком зумовлена складним характером розподілу густини ймовірності знаходження квазічастинки у просторі складної нанотрубки.
Встановлено, що резонансні ширини електронних станів набагато більші за ширини діркових, а енергія зв’язку екситона на два порядки менша від суми розмірно-квантованих резонансних енергій електрона і дірки. Саме тому залежності резонансних енергій екситонних станів у низькоенергетичній області спектра від товщини нанотрубки в основному зумовлюються особливостями поведінки енергетичних станів електрона і дірки, а екситонні резонансні ширини практично співпадають із електронними.


Ключові слова


нанотрубка; екситон; резонансна енергія; резонансна ширина

Посилання


P. Mohan, J. Motohisa, T. Fukui. Realization of conductive InAs nanotubes based on lattice-mismatched InP/InAs core-shell nanowires // Appl. Phys. Lett., 88(1), pp. 013110: 1-3 (2006).

P. Mohan, J. Motohisa, T. Fukui. Fabrication of InP/InAs/InP core-multishell heterostructure nanowires by selective area metalorganic vapor phase epitaxy // Appl. Phys. Lett., 88(13), pp. 133105: 1-3 (2006).

M. Heigoldt, J. Arbiol, D. Spirkoska, J. M. Rebled, S. Conesa-Boj, G. Abstreiter, F. Peiro, J. R. Morantece, A. Fontcuberta i Morral. Long range epitaxial growth of prismatic heterostructures on the facets of catalyst-free GaAs nanowires // J. Mater. Chem., 19(7), pp. 840–848 (2009).

A. Fontcuberta i Morral, D. Spirkoska, J. Arbiol, M. Heigoldt, J. R. Morante, G. Abstreiter. Prismatic quantum heterostructures synthesized on molecular-beam epitaxy GaAs nanowires // Small, 4(7), pp. 899–903 (2008).

M.Tkach, O.Makhanets, M.Dovganiuk, O.Voitsekhivska. Exciton spectrum in hexagon nanotube accounting exciton–phonon interaction // Physica E., 41(8), pp. 1469 – 1474 (2009).

O.M. Makhanets, N.R. Tsiupak, V.I. Gutsul. Phonon Spectra and Electron-Phonon Interaction in a Combined Cylindrical Semiconductor Nanotube // Ukrainian Journal of Physics, 57(10), pp. 1060-1068 (2012).

O.M. Makhanets, V.I. Gutsul, N.R. Tsiupak, O.M. Voitsekhivska. Exciton spectrum in multi-shell hexagonal semiconductor nanotube // Condensed Matter Physics, 15(3), pp. 33704: 1–9 (2012).

F. Qian, Y. Li, S. Gradeak, H.-G. Park, Y. Dong, Y. Ding, Z. L. Wang and C. M. Lieber. Multi-quantum-well nanowire heterostructures for wavelength-controlled lasers // Nature Materials, 7(9), pp. 701-706 (2008).

Matthew Zervos. Electronic properties of core-shell nanowire resonant tunneling diodes // Nanoscale Research Letters, 9(1), pp.509: 1-8 (2014).

Y. Tak, S. J. Hong, J. S. Lee, K. Yong. Fabrication of ZnO/CdS core/shell nanowire arrays for efficient solar energy conversion // J. Mater. Chem., 19(33), pp. 5945–5951 (2009).

J. Li, D. Wang, R. R. LaPierre. Advances in III-V Semiconductor Nanowires and Nanodevices. Bentham Sci. Pub., 178 p. (2011).

A.V. Glushkov, Ya.I. Lepikh, O.Yu. Khetselius, A.P. Fedchuk, S.V. Ambrosov, A.V. Ignatenko. Wannier-mott excitons and atoms in a DC elecric field: photoionization, Stark effect, resonances in the ionization continuum// Sensor Electr. and Microsyst. Techn., 5(4), pp. 5-11 (2008).

N. V. Tkach, Ju. A. Seti. Evolution of quasi-stationary states of an electron in an open spherical quantum dot // Physics of the Solid State, 51(5), pp. 1033–1040 (2009).

M. Tkach, Ju. Seti. Exiton in closed and opened quantum dot // Condens. Matter Phys., 10(1(49)), pp. 23–31 (2007).

N. V. Tkach, V. A. Golovatskii. Quasi-stationary states of electrons and holes in an open composite cylindrical quantum wire // Physics of the Solid State, 43(2), pp. 365-372 (2001).

N. V. Tkach, Ju. Seti. The spectrum and properties of the scattering cross section of electrons in open spherical quantum dots // Semiconductors, 43(3), pp. 340–346 (2009).

N. V. Tkach, Yu. A. Seti, G. G. Zegrya. Electron properties of open semiconductor quantum dots // Technical Physics Letters, 33(1), pp. 35-39 (2007).




DOI: https://doi.org/10.18524/1815-7459.2015.4.107814

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.


Copyright (c) 2015 Сенсорна електроніка і мікросистемні технології

ISSN 1815-7459 (Print), 2415-3508 (Online)