ВПЛИВ МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КВАНТОВИХ ТОЧОК ТИПУ II (ЕФЕКТ ААРОНОВА – БОМА)
DOI:
https://doi.org/10.32782/pet-2023-3-3Ключові слова:
квантові точки, гетероперехід типу II, магнітне поле, енергетичний спектр квазічастинок, сила осцилятора квантових переходів, осциляції основного стану, ефект Ааронова – БомаАнотація
Завдяки просторовому розділенню електронів та дірок в напівпровідникових КТ ядро/оболонка з геторомежею типу II можуть проявлятися нові оптичні властивості, недоступні в інших КТ. Тому такі наносистеми інтенсивно вивчаються на предмет можливості використання в нових наноприладах. Мета даної роботи є визначення впливу магнітного поля на енергетичну структуру та міжзонні оптичні квантові переходи в сферичних квантових точках II типу ZnTe/CdSe і CdSe/ZnTe. Задача розв’язувалась двома методами: числовим методом в системі COMSOL Multiphysics та методом діагоналізації в системі Wolfram Mathematica на основі точних розв’язків рівняння Шредінгера у незбуреній магнітним полем системі. Результати отримані обома методами збігаються з великою точністю. Останній метод є більш складним, але дозволив визначити парціальний вклад базисних станів у нових квантових станах квазічастинок, що отримуються внаслідок дії магнітного поля. В роботі отримано залежності енергетичних спектрів і хвильових функцій електрона та дірки від магнітного поля для сферичних квантових точок ZnTe/CdSe і CdSe/ZnTe з різними розмірами ядра. Показано, що магнітне поле порушує сферичну симетрію системи і знімає виродження енергетичного спектру за магнітним квантовим числом. Енергія квазічастинок у станах з m ≥ 0 монотонно зростає при посиленні магнітного поля, а в станах з m < 0 ці залежності є немонотонними. Енергія основного стану електрона в ZnTe/ CdSe та енергія основного стану дірки в CdSe/ZnTe зі збільшенням індукції магнітного поля формуються по черзі найнижчими станами m 0,????????1,2,???? . Це є наслідком ефекту Ааронова – Бома в КТ ядро/оболонка. Показано, що магнітне поле деформує хвильові функції квазічастинок та впливає на величину їх перекриття. Це проявляється в залежності сили осцилятора міжзонних квантових переходів від індукції магнітного поля. Показано, що ефект Ааронова – Бома може проявлятися в міжзонних квантових переходах.
Посилання
Nizamoglu S., Demir H. V. Onion-like (CdSe)ZnS/CdSe/ZnS quantum-dot-quantum-well heteronanocrystals for investigation of multi-color emission. Optics Express. 2008. Vol. 16. № 6. P. 3515.
Nizamoglu S., Mutlugun E., Özel T., Demir H. V., Sapra, S., Gaponik N., Eychmüller A. Dual-color emitting quantum-dot-quantum-well CdSe-ZnS heteronanocrystals hybridized on InGaNGaN light emitting diodes for high-quality white light generation. Applied Physics Letters . 2008.Vol. 92. № 11. P. 1–3.
Zhang W., Chen G., Wang J., Ye B. C., Zhong X. Design and synthesis of highly luminescent near-infraredemitting water-soluble CdTe/CdSe/ZnS Core/Shell/Shell quantum dots Type II. Inorganic Chemistry. 2009. Vol. 48. № 20. P. 9723–9731.
Tyagi P., Kambhampati P. Independent control of electron and hole localization in core/barrier/shell nanostructures. Journal of Phys. Chemistry C. 2012. Vol. 116. № 14. P. 8154–8160.
Корбутяк Д.В., Коваленко О.В., Будзуляк С.І., Калитчук С.М., Купчак I. М. Свiтловипромiнюючi властивостi квантових точок напівпровідникових сполук АIIВVI. Український Фiзичний Журнал. 2012. Т. 7. № 1. С. 48–95.
Pidluzhna А., Ivaniuk K., Stakhira P., Hotra Z., Chapran M., Ulanski J., Tynkevych O., Khalavka Y., Baryshnikov G. V., Minaev B. F., Ågren H. Multi-channel electroluminescence of CdTe/CdS core-shell quantum dots implemented into a QLED device. Dyes and Pigments. 2019. Vol. 162. P. 647–653.
Doskaliuk N., Khalavka Y., Fochuk P. Influence of the Shell Thickness and Ratio Between Core Elements on Photostability of the CdTe/CdS Core/Shell Quantum Dots Embedded in a Polymer Matrix. Nanoscale Research Letters. 2016. Vol. 11. № 1. P. 216.
Wang L., Nonaka K., Okuhata T., Katayama T., Tamai N. Quasi-Type II Carrier Distribution in CdSe/CdS Core/Shell Quantum Dots with Type I Band Alignment. Journal of Physical Chemistry C. 2018. Vol. 122. № 22. P. 2038–12046.
AbouElhamd A. R., Al-Sallal K. A., Hassan A. Review of core/shell quantum dots technology integrated into building’s glazing. Energies. 2019. Vol. 12. № 6. P. 1058.
Rahimi F., Ghaffary T., Naimi Y., Khajehazad H. Optical and Quantum Electronics Effect of magnetic field on energy states and optical properties of quantum dots and quantum antidots. Optical and Quantum Electronics. 2021. Vol. 53. № 1. P. 47.
Holovatsky V. A., Frankiv I. B. Oscillator strength of quantum transition in multi-shell quantum dots with impurity. Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. 2013. Vol.15. № 1–2. P. 88.
Reiss P., Protière M., Li L. Core/shell semiconductor nanocrystals. Small. 2009. Vol. 5. № 2. P. 154-168.
Klenovský P., Steindl P., Geffroy D. Excitonic structure and pumping power dependent emission blue- shift of type-II quantum dots. Scientific REPORTS. 2017. Vol. 7. № 1. P. 45568.
Naifar A., Zeiri N., Nasrallah S. A. Ben Said, M. Optical properties of CdSe/ZnTe type II core shell nanostructures. Optik. 2017. Vol. 146. P. 90–97.
Saravanamoorthy S. N., John Peter A. Interband Optical Transition Energies in Type-II PbSe/PbS Core/Shell Quantum Dots. Journal of Advanced Physics. 2017. Vol. 6. № 1. P. 80–86.
Jiao S., Shen Q., Mora-Seró I., Wang J., Pan Z., Zhao K., Kuga Y., Zhong X., Bisquert J. Band engineering in core/shell ZnTe/CdSe for photovoltage and efficiency enhancement in exciplex quantum dot sensitized solar cells. ACS Nano. 2015. Vol. 9. № 1. P. 908–915.
Ma X., Mews A., Kipp T. Determination of electronic energy levels in type-II CdTe-core/CdSe-shell and CdSecore/CdTe-shell nanocrystals by cyclic voltammetry and optical spectroscopy. Journal of Physical Chemistry C. 2013. Vol.117. № 32. P. 16698–16708.
Long T., Cao J., Jiang Z. J. Predictable spectroscopic properties of type-II ZnTe/CdSe nanocrystals and electron/hole quenching. Physical Chemistry Chemical Physics. 2019. Vol. 21. № 10. P. 5824–5833.
Verma S., Kaniyankandy S., Ghosh H. N. Charge separation by indirect bandgap transitions in CdS/ZnSe type-II core/shell quantum dots. Journal of Physical Chemistry C. 2013. Vol.117. № 21. P. 10901–10908.
Nandan Y., Mehata M. S. Wavefunction Engineering of Type-I/Type-II Excitons of CdSe/CdS Core-Shell Quantum Dots. Scientific Reports. 2019. Vol. 9. № 1. P. 1–11.
Selopal G. S., Zhao H., Wang Z. M., Rosei F. Core/Shell Quantum Dots Solar Cells. Advanced Functional Materials. 2020. Vol. 30. № 13. P. 1908762.
Koç F., Sahin M. The electronic and optical properties of an exciton, biexciton and charged excitons in CdSe/CdTebased multi-shell type-II quantum dot nanocrystals. Applied Physics A: Materials Science and Processing. 2019. Vol. 125. № 10. P. 1–9.
Tyrrell E. J., Smith J. M. Effective mass modeling of excitons in type-II quantum dot heterostructures. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 2011. Vol. 84. № 16. P. 165328.
Holovatsky V. A., Chubrei M. V, Duque C. A. Core-shell type-II spherical quantum dot under externally applied electric field. Thin Solid Films. 2022. Vol. 747. P. 139142.
Chafai A., Dujardin F., Essaoudi I., Ainane A. Energy spectrum of an exciton in a CdSe/ZnTe type-II core/shell spherical quantum dot. Superlattices and Microstructures. 2017. Vol. 101. P. 40–48.
Chafai A., Essaoudi I., Ainane A., Dujardin F., Ahuja R. ZnTe/CdSe type-II core / shell spherical quantum dot under an external electric field. Materials and Devices. 2018. Vol. 3. № 1. P. 0504.
Nasri D., Bettahar N. Magneto-optical properties in inhomogeneous quantum dot: The Aharonov-Bohm oscillations effect. Physica B: Condensed Matter. 2016. Vol. 501. P. 68–73.
Çakır B., Atav Ü., Yakar Y., Özmen A. Calculation of Zeeman splitting and Zeeman transition energies of spherical quantum dot in uniform magnetic field. Chemical Physics. 2016. Vol. 475. P. 61–68.
Feddi E., Talbi A., Mora-Ramos M. E., El Haouari M., Dujardin F., Duque C. A. Linear and nonlinear magnetooptical properties of an off-center single dopant in a spherical core/shell quantum dot. Physica B: Condensed Matter. 2017. Vol. 524. P. 64.
Holovatsky V., Bernik I., Yakhnevych M. Effect of magnetic field on electron spectrum and probabilities of intraband quantum transitions in spherical quantum-dot-quantum-well. Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures. 2016. Vol. 83. P. 256–262.
Holovatsky V. A., Bernik I. B., Yakhnevych M. Y. Effect of magnetic field on energy spectrum and localization of electron in CdS/HgS/CdS/HgS/CdS multilayered spherical nanostructure. Physica B: Condensed Matter. 2017. Vol. 508. P. 112–117.
Holovatsky V. A., Voitsekhivska О. M., Yakhnevych M. Y. The effect of magnetic field and donor impurity on electron spectrum in spherical core-shell quantum dot. Superlattices and Microstructures. 2018. Vol. 116. P. 9–16.
Chubrei M. V., Holovatsky V. A., Duque C. A. Effect of magnetic field on donor impurity-related photoionisation cross-section in multilayered quantum dot. Philosophical Magazine. 2021. Vol. 101. № 24. P. 2614–2633.
Lorke A., Johannes Luyken R., Govorov A. O., Kotthaus J. P., Garcia J. M., Petroff P. M. Spectroscopy of Nanoscopic Semiconductor Rings. Physical Review Letters. 2000. Vol.84. № 10. P. 2223–2226.
Kuskovsky I. L., MacDonald W., Govorov A. O., Mourokh L., Wei X., Tamargo M. C., Tadic M., Peeters F. M. Optical Aharonov-Bohm effect in stacked type-II quantum dots. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. 2007. Vol. 76. № 3. P. 1–15.
Kuskovsky I. L., Mourokh L. G., Roy B., Ji, H., Dhomkar S., Ludwig J., Smirnov D., Tamargo M. C. Decoherence in semiconductor nanostructures with type-II band alignment: All-optical measurements using Aharonov-Bohm excitons. Physical Review B. 2017. Vol. 95. № 16. P. 165445.
Sellers I. R., Whiteside V. R., Kuskovsky I. L., Govorov A. O., McCombe B. D. Aharonov-Bohm Excitons at Elevated Temperatures in Type-II Quantum Dots. Physical Review Letters. 2008. Vol. 100. № 13. P. 136405.
Sellers I. R., Whiteside V. R., Kuskovsky I. L., Govorov A. O., Mccombe B. D. Modulation of the Aharonov – Bohm effect in type-II II – V ZnSe : Te quantum dots by a far-infrared laser. Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures. 2008. Vol. 40. № 6. P. 1819–1823.
Yao Y., Elborg M., Kuroda T., Sakoda K. Excitonic Aharonov–Bohm effect in QD-on-ring nanostructures. Journal of Physics: Condensed Matter. 2017. Vol. 29. № 38. P. 385301.
Sahin M., Nizamoglu S., Kavruk A. E., Demir H. V. Self-consistent computation of electronic and optical properties of a single exciton in a spherical quantum dot via matrix diagonalization method. Journal of Applied Physics. 2009. Vol. 106. № 4. P. 5.
Cheche T. O., Barna V., Chang Y. C. Analytical approach for type-II semiconductor spherical core-shell quantum dots heterostructures with wide band gaps. Superlattices and Microstructures. (2013). Vol. 60. P. 475–486.
Wu S. Cheng L. Exciton diamagnetic shift and optical properties in CdSe nanocrystal quantum dots in magnetic fields. Physica B: Condensed Matter. 2018. Vol. 534. P. 98.
Gambaryan K. M., Aroutiounian V. M., Harutyunyan V. G. and Yeranyan L. S. Preface: International Conference on Recent Trends in Physics (ICRTP 2016). Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 829. 1.
