Теорія енергії зв’язку екситонних квазимолекул у германій/кремнійових подвійних квантових точках

Анотація

Розвинуто теорію екситонних квазімолекул (утворених із просторово розділених електронів і дірок) у наносистемі, що складається з подвійних квантових точок (КТ) германію, синтезованих у кремнієвій матриці. Показано, що енергія зв’язку основного синглетного стану екситонної квазімолекули значно більша (майже на два порядки) за енергію зв’язку біекситону в монокристалі кремнію. Установлено, що утворення екситонної квазимолекули має пороговий характер і можливе в наносистемі, в якій відстань D між поверхнями КТ визначається умовою  (де  і  – деякі критичні відстані). Використовуючи варіаційний метод, отримано енергію зв'язку основного синглетного стану екситонної квазімолекули в такій системі, як функцію відстані D між поверхнями КТ та радіуса а КТ. Показано, що зближення двох КТ до певного критичного значення D_C між поверхнями КТ, призводить до ефективного перекриття хвильових функцій електрона та виникнення обмінних взаємодій. В результаті можуть бути створені умови для виникнення екситонних квазимолекул з КТ. Установлено, що існування критичної відстані було наслідком квантових розмірних ефектів. Розмірне квантування руху електронів і дірок призводило до того, що зі зменшенням відстані D між поверхнями КТ зменшення енергій взаємодії електронів і дірок, які входили в гамільтоніан екситонної квазімолекули, не змогло компенсувати збільшення кінетичної енергії електронів та дірок. На більших відстанях D між поверхнями КТ, таких що , екситонна квазимолекула розпадалась на два екситони (що складались з просторово розділених електронів і дірок), локалізованих над поверхнями КТ. Той факт, що енергія основного стану синглетної екситонної квазімолекули знаходиться в інфрачервоному діапазоні спектра, імовірно, дозволяє використовувати квазімолекули для створення нових елементів кремнієвої інфрачервоної нанооптоелектроніки.