УДК: 537.9

Оптические переходы в сложной валентной зоне полупроводниковых нанокристаллов

Турков В.К., Леонов М.Ю., Рухленко И.Д., Баранов А.В., Федоров А.В.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Турков В.К., Леонов М.Ю., Рухленко И.Д., Баранов А.В., Фёдоров А.В. Оптические переходы в сложной валентной зоне полупроводниковых нанокристаллов // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 11. С. 36–42.

Turkov V.K., Leonov M.Yu., Rukhlenko I.D., Baranov A.V., Fedorov A.V. Optical transitions in a complex valence band of semiconductor nanocrystals [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2015. V. 82. № 11. P. 36–42.

Ссылка на англоязычную версию:

V. K. Turkov, M. Yu. Leonov, A. V. Baranov, A. V. Fedorov, and I. D. Rukhlenko, "Optical transitions in a complex valence band of semiconductor nanocrystals," Journal of Optical Technology. 82(11), 743-748 (2015). https://doi.org/10.1364/JOT.82.000743

Аннотация:

Изучаются внутризонные оптические переходы в сложной валентной зоне сферических нанокристаллов на основе полупроводников с симметриями Td и Oh. Энергетический спектр дырок рассчитывается с использованием kp-теории возмущений. Получены аналитические выражения матричных элементов взаимодействия дырок и фотонов. Показано, что размерная зависимость этих матричных элементов определяется состояниями, участвующими в переходах. Полученные правила отбора разрешают переходы между большим числом состояний с различной симметрией, которые запрещены в зоне проводимости. Вычислено радиационное время жизни состояний в валентной зоне в зависимости от радиуса нанокристалла и показано, что онo может меняться в широком диапазоне от 10−12 до 10−3 с.

Ключевые слова:

квантовые точки, зонная теория, внутризонное поглощение, радиационное время жизни

Благодарность:

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (грант 14.В25.31.0002 и государственное задание № 3.17.2014/К). Минобрнауки РФ также поддерживает М.Ю. Леонова посредством стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов (2013–2015).

Коды OCIS: 160.4236, 300.6500

Список источников:

1. Fedorov A.V., Rukhlenko I.D., Baranov A.V., Kruchinin S.Yu. Optical Properties of Semiconductor Quantum Dots. SPb.: Nauka, 2011. 186 р.
2. Bhattacharya P., Ghosh S., Stiff-Roberts A. Quantum dot optoelectronic devices // Annu. Rev. Mater. Res. 2004. V. 34. P. 1–40.
3. Baimuratov A.S., Rukhlenko I.D., Turkov V.K., Leonov M.Yu., Baranov A.V., Gun’ko Yu.K., Fedorov A.V. Harnessing the shape-induced optical anisotropy of a semiconductor nanocrystal: a new type of intraband absorption spectroscopy // J. Phys. Chem. C. 2014. V. 118. № 5. P. 2867–2876.
4. Lhuillier E., Keuleyan S., Liu H., Guyot-Sionnest P. Mid-IR colloidal nanocrystals // Chem. Mater. 2013. V. 25. № 8. P. 1272–1282.
5. Talapin D.V., Lee J.S., Kovalenko M.V., Shevchenko E.V. Prospects of colloidal nanocrystals for electronic and optoelectronic applications // Chem. Rev. 2010. V. 110. № 1. P. 389–458.
6. Vukmirovic N., Ikonic Z., Jovanovic V.D., Indjin D., Harrison P. Optically pumped intersublevel midinfrared lasers based on InAs–GaAs quantum dots // IEEE J. Quantum. Elect. 2005. V. 41. № 11. P. 1361–1368.
7. Pjillips J. Evaluation of the fundamental properties of quantum dot infrared detectors // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. № 7. P. 4590–4594.
8. Tamaki R., Shoji Y., Okada Y., Miyano K. Spectrally resolved intraband transitions on two-step photon absorption in InGaAs/GaAs quantum dot solar cell // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 105. P. 073118.
9. Deng Z., Jeong K.S., Guyot-Sionnest P. Colloidal quantum dots intraband photodetectors // ACS Nano. 2014. V. 8. № 11. P. 11707–11714.
10. Fedorov A.V., Baranov A.V., Inoue K. Two-photon transitions in systems with semiconductor quantum dots // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. № 12. P. 8627–8632.
11. Feng X., Ang Y.L., He J., Beh C.W.J., Xu H., Chin W.S., Ji W. Three-photon absorption in semiconductor quantum dots: experiment // Opt. Exp. 2008. V. 16. № 10. P. 6999–7005.
12. Baimuratov A.S., Turkov V.K., Rukhlenko I.D., Fedorov A.V. Shape-induced anisotropy of intraband luminescence from a semiconductor nanocrystal // Opt. Lett. 2012. V. 37. № 22. P. 4645–4647.
13. Leonov M.Yu., Baranov A.V., Fedorov A.V. Transient intraband light absorption by quantum dots: Pump-probe spectroscopy // Opt. Spectrosc. 2011. V. 111. № 5. P. 798–807.
14. Ushakova E.V., Litvin A.P., Parfenov P.S., Fedorov A.V., Artemyev M., Prudnikau A.V., Rukhlenko I.D., Baranov A.V. Anomalous size-dependent decay of low-energy luminescence from PbS quantum dots in colloidal solution // ACS Nano. 2012 V. 6. № 10. P. 8913–8921.
15. Fedorov A.V., Baranov A.V., Masumoto Y. Coherent control of optical-phonon-assisted resonance secondary emission in semiconductor quantum dots // Opt. Spectrosc. 2002. V. 93. № 1. P. 52–60.
16. Tu H., Mogyorosi K., Kelley D.F. Intraband spectroscopy and photophysics in GaSe nanoparticles // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 205306.
17. Baranov A.V., Davydov V., Fedorov A.V., Ren H.W., Sugou S., Masumoto Y. Coherent control of stress-induced InGaAs quantum dots by means of phonon-assisted resonant photoluminescence // Phys. Stat. Sol. B. 2001. V. 224. № 2. P. 461–464.
18. Fedorov A.V., Baranov A.V., Masumoto Y. Acoustic phonon problem in nanocrystal-dielectric matrix systems // Solid State Commun. 2003. V. 122. № 3–4. P. 139–144.
19. Rukhlenko I.D., Fedorov A.V. Penetration of electric fields induced by surface phonon modes into the layers of a semiconductor heterostructure // Opt. Spectrosc. 2006. V. 101. № 2. P. 253–264.

20. Rukhlenko I.D., Fedorov A.V. Propagation of electric fields induced by optical phonons in semiconductor heterostructures // Opt. Spectrosc. 2006. V. 100. № 2. P. 238–244.
21. Fedorov A.V., Baranov A.V., Rukhlenko I.D., Masumoto Y. New many-body mechanism of intraband carrier relaxation in quantum dots embedded in doped heterostructures // Solid State Commun. 2003. V. 128. № 6–7. P. 219–223.
22. Fedorov A.V., Baranov A.V. Relaxation of charge carriers in quantum dots with the involvement of plasmonphonon modes // Semiconductors. 2004. V. 38. № 9. P. 1065–1073.
23. Fedorov A.V., Baranov A.V. Intraband carrier relaxation in quantum dots mediated by surface plasmon-phonon excitations // Opt. Spectrosc. 2004. V. 97. № 1. P. 56–67.
24. Kruchinin S.Yu., Fedorov A.V., Baranov A.V., Perova T.S., Berwick K. Double quantum dot photoluminescence mediated by incoherent reversible energy transport // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. P. 245303.
25. Kruchinin S.Yu., Fedorov A.V., Baranov A.V., Perova T.S., Berwick K. Electron-electron scattering in a double quantum dot: Effective mass approach // J. Chem. Phys. 2010. V. 133. P. 104704.
26. Allan G., Delerue C. Confinement effects in pbse quantum wells and nanocrystals // Phys. Rev. B. 2004. V. 70. P. 245321.
27. de Sousa J.S., Leburton J.-P., Freire V.N., da Silva E.F. Intraband absorption and stark effect in silicon nanocrystals // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 155438.
28. Puangmali T., Califano M., Harrison P. Interband and intraband optical transitions in inas nanocrystal quantum dots: a pseudopotential approach // Phys. Rev. B. 2008. V. 78. P. 245104.
29. Turkov V.K., Kruchinin S.Yu., Fedorov A.V. Intraband optical transitions in semiconductor quantum dots: radiative electronic excitation lifetime // Opt. Spectrosc. 2011. V. 110. № 5. P. 740–747.
30. Kuhn S.C., Richter M. Excitonic effects in intraband quantum dot spectroscopy: Formation of bound continuum excitons // Phys. Rev. B. 2014. V. 90. P. 125308.
31. Geyter B.D., Houtepen A.J., Carrillo S., Geiregat P., Gao Y., ten Cate S., Schins J.M., Thourhout D.V., Delerue C., Siebbeles L.D.A., Hens Z. Broadband and picosecond intraband absorption in lead-based colloidal quantum dots // ACS Nano. 2012. V. 6. № 7. P. 6067–6074.
32. Bakulin A.A., Neutzner S., Bakker H.J., Ottaviani L., Barakel D., Chen Z. Charge trapping dynamics in PbS colloidal quantum dot photovoltaic devices // ACS Nano. 2013. V. 7. № 10. P. 8771–8779.
33. Sippel P., Albrecht W., Mitoraj D., Eichberger R., Hannappel T., Vanmaekelbergh D. Two-photon photoemission study of competing auger and surface-mediated relaxation of hot electrons in CdSe quantum dot solids // Nano Lett. 2013. V. 13. № 4. P. 1655–1661.
34. Efros A.L., Rosen M. Quantum size level structure of narrow-gap semiconductor nanocrystals: Effect of band coupling // Phys. Rev. B. 1998. V. 58. P. 7120–7135.
35. Pokatilov E.P., Fonobedov V.A., Fomin V.M., Devreese J.T. Development of an eight-band theory for quantum dot heterostructures // Phys. Rev. B. 2001. V. 64. P. 245328.
36. Avramov P.V., Kuzubov A.A., Fedorov A.S., Sorokin P.B., Tomilin F.N., Maeda Y. Density-functional theory study of the electronic structure of thin Si/SiO2 quantum nanodots and nanowires // Phys. Rev. B. 2007. V. 75. P. 205427.
37. Chou H.-L., Tseng C.-H., Pillai K.C., Hwang B.-J., Chen L.-Y. Surface related emission in CdS quantum dots. DFT simulation studies // J. Phys. Chem. C. 2011. V. 115. № 43. P. 20856–20863.
38. Grigoryan G.B., Kazaryan E.M., Efros A.L., Yazeva T.V. Hole quantization and absorption-edge in spherical microcrystals of semiconductors with complex valence band-structure // Sov. Phys. Solid State. 1990. V. 32. P. 1031–1035.
39. Ekimov A.I., Kudryavtsev I.A., Efros A.L., Yazeva T.V., Hache F., Schanne-Klein M.C., Rodina A.V., Ricard D., Flytzanis C. Absorption and intensity-dependent photoluminescence measurements on CdSe quantum dots: Assignment of the first electronic transitions // J. Opt. Soc. Am. B. 1993. V. 10. № 1. P. 100–107.
40. Fu H., Wang L.-W., Zunger A. Applicability of the k-p method to the electronic structure of quantum dots // Phys. Rev. B. 1998. V. 57. P. 9971–9987.
41. Banin U., Lee C.J., Guzelian A.A., Kadavanich A.V., Alivisatos A.P., Jaskolski W., Bryant G.W., Efros A.L., Rosen M. Size-dependent electronic level structure of InAs nanocrystal quantum dots: test of multiband effective mass theory // J. Chem. Phys. 1998. V. 109. № 6. P. 2306–2309.
42. Fedorov A.V., Baranov A.V., Itoh A., Masumoto Y. Renormalization of energy spectrum of quantum dots under vibrational resonance conditions // Semiconductors. 2001. V. 35. № 12. P. 1390–1397.
43. Kruchinin S.Yu., Fedorov A.V. Renormalization of the energy spectrum of quantum dots under vibrational resonance conditions: Persistent hole burning spectroscopy // Opt. Spectrosc. 2006. V. 100. № 1. P. 41–48.
44. Baimuratov A.S., Rukhlenko I.D., Turkov V.K., Ponomareva I.O., Leonov M.Yu., Perova T.S., Berwick K., Baranov A.V., Fedorov A.V. Level anticrossing of impurity states in semiconductor nanocrystals // Sci. Rep. 2014. V. 4. P. 6917.