Екситонні стани у сферичних неконцентричних квантових точках типу ядро–оболонка

Автор(и)

  • R.Ya. Leshko Department of Physics and Information Systems, Drohobych Ivan Franko State Pedagogical University
  • O.V. Leshko Department of Physics and Information Systems, Drohobych Ivan Franko State Pedagogical University
  • I.V. Bilynskyi Department of Physics and Information Systems, Drohobych Ivan Franko State Pedagogical University, Department of Physics, Kryvyi Rih State Pedagogical University
  • D.S. Karpyn Department of Physics and Information Systems, Drohobych Ivan Franko State Pedagogical University

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe71.9.763

Ключові слова:

квантова точка ядро–оболонка, неконцентрична наноструктура, CdSe/CdS, тонка структура екситона, розщеплення темного та свiтлого станiв, обмiнна взаємодiя електрон–дiрка, гамiльтонiан Латинджера–Кона, метод розкладання за плоскими хвилями

Анотація

Теоретично дослiджено електронну та екситонну структуру неконцентричних сферичних квантових точок типу ядро–оболонка CdSe/CdS, у яких ядро змiщене вiдносно центра оболонки. Дiрковi стани обчислено в рамках чотиризонної моделi Латинджера–Кона, розкладеної за базисом плоских хвиль, причому потенцiал конфайнменту зi змiщеним ядром враховано безпосередньо, а екситоннi стани знайдено методом конфiгурацiйної взаємодiї з урахуванням прямої кулонiвської взаємодiї електрон–дiрка та короткодiйного обмiнного доданка. Змiщення ядра знижує симетрiю потенцiалу конфайнменту вiд сферичної до аксiальної та знiмає виродження крайового дiркового мультиплету, зумовлюючи тонку структуру розщеплення, яка монотонно зростає зi збiльшенням змiщення. Той самий механiзм перебудовує i екситонний спектр: енергiя основного переходу зазнає синього зсуву з наближенням ядра до межi оболонки, тодi як зумовлене обмiнною взаємодiєю розщеплення темного та свiтлого станiв монотонно зростає зi збiльшенням змiщення. Розрахований край поглинання кiлькiсно узгоджується з експериментально вимiряним значенням. Таке узгодження досягається лише за умови врахування екситонних ефектiв, оскiльки саме кулонiвська взаємодiя електрон–дiрка забезпечує червоний зсув, необхiдний для узгодження теорiї з експериментом. Отриманi результати вказують на змiщення ядра як на ефективний структурний ступiнь свободи для керування як енергiєю випромiнювання, так i тонкою структурою екситона в колоїдних наночастинках типу ядро–оболонка.

Посилання

1. A. Sahu, D. Kumar. Core-shell quantum dots: A review on classification, materials, application, and theoretical modeling. J. Alloys Compd. 924, 166508 (2022).

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166508

2. Y. Fu, J. Jussi, L. Elmlund, S. Dunne, Q. Wang, H. Brismar. Intrinsic blinking characteristics of single colloidal CdSe-CdS/ZnS core-multishell quantum dots. Phys. Rev. B 99, 035404 (2019).

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.035404

3. B. Omogo, F. Gao, P. Bajwa, M. Kaneko, C.D. Heyes. Reducing blinking in small core-multishell quantum dots by carefully balancing confinement potential and induced lattice strain: the "Goldilocks" effect. ACS Nano 10, 4072 (2016).

https://doi.org/10.1021/acsnano.5b06994

4. G.S. Selopal, H. Zhao, Z.M. Wang, F. Rosei. Core/shell quantum dots solar cells. Adv. Funct. Mater. 30, 1908762 (2020).

https://doi.org/10.1002/adfm.201908762

5. P. Moraitis, R.E.I. Schropp, W.G.J.H.M. Sark. Nanoparticles for luminescent solar concentrators - a review. Opt. Mater. 84, 636 (2018).

https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.07.034

6. W. Ma, W. Li, M. Cao, R. Liu, X. Zhao, X. Gong. Large Stokes-shift AIE fluorescent materials for high-performance luminescent solar concentrators. Org. Electron. 73, 226 (2019).

https://doi.org/10.1016/j.orgel.2019.06.017

7. C.Y. Lu, J.W. Pan. Quantum-dot single-photon sources for the quantum internet. Nat. Nanotechnol. 16, 1294 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41565-021-01033-9

8. B. Mahler, P. Spinicelli, S. Buil, X. Quelin, J.-P. Hermier, B. Dubertret. Towards non-blinking colloidal quantum dots. Nat. Mater. 7, 659 (2008).

https://doi.org/10.1038/nmat2222

9. F. Purcell-Milton, A.K. Visheratina, V.A. Kuznetsova, A. Ryan, A.O. Orlova, Y.K. Gun'ko. Impact of shell thickness on photoluminescence and optical activity in chiral CdSe/CdS core/shell quantum dots. ACS Nano 11, 9207 (2017).

https://doi.org/10.1021/acsnano.7b04199

10. G. Zaiats, D. Yanover, R. Vaxenburg, A. Shapiro, A. Safran, I. Hesseg, A. Sashchiuk, E. Lifshitz. PbSe/CdSe thin-shell colloidal quantum dots. Z. Phys. Chem. 229, 3 (2015).

https://doi.org/10.1515/zpch-2014-0625

11. R.Ya. Leshko, I.V. Bilynskyi, O.V. Leshko, M.A. Slusarenko. Electron energy spectrum of the non-concentric spherical core-shell quantum dot. Micro Nanostruct. 181, 207615 (2023).

https://doi.org/10.1016/j.micrna.2023.207615

12. R.Ya. Leshko, O.V. Leshko, I.V. Bilynskyi, V.B. Holskyi. Optical absorption coefficient of non-concentric spherical core-shell quantum dot. Opt. Commun. 566, 130722 (2024).

https://doi.org/10.1016/j.optcom.2024.130722

13. R. Leshko, I. Bilynskyi, O. Leshko, M. Popov, A. Ocheretyanyi. Electron and hole energy spectrum of non-concentric spherical core-shell quantum dot under an externally applied electric field. Condens. Matter Phys. 27, 43703 (2024).

https://doi.org/10.5488/cmp.27.43703

14. R.Ya. Leshko, O.V. Leshko, I.V. Bilynskyi, M.V. Kvyk, Ya.Yu. Melnyk, A.O. Ocheretyanyi, M.Yu. Popov. Electron and hole energy spectra in a non-concentric spherical core-shell quantum dot under a magnetic field. Phys. Lett. A 562, 130996 (2025).

https://doi.org/10.1016/j.physleta.2025.130996

15. R.Ya. Leshko, O.V. Leshko, I.V. Bilynskyi, R.I. Pazyuk. Electron-hole exchange interaction in the non-concentric spherical core-shell quantum dot. J. Phys. Stud. 29, 1701 (2025).

https://doi.org/10.30970/jps.29.1701

16. J.M. Luttinger, W. Kohn. Motion of electrons and holes in perturbed periodic fields. Phys. Rev. 97, 869 (1955).

https://doi.org/10.1103/PhysRev.97.869

17. J.M. Luttinger. Quantum theory of cyclotron resonance in semiconductors: General theory. Phys. Rev. 102, 1030 (1956).

https://doi.org/10.1103/PhysRev.102.1030

18. A.L. Efros, M. Rosen. Quantum size level structure of narrow-gap semiconductor nanocrystals: Effect of band coupling. Phys. Rev. B 58, 7120 (1998).

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.7120

19. A. Baldereschi, N.O. Lipari. Spherical model of shallow acceptor states in semiconductors. Phys. Rev. B 8, 2697 (1973).

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.8.2697

20. L. Shu-Shen, X. Jian-Bai. Application of plane wave method to the calculation of electronic states of nano-structures. Chin. Phys. Lett. 23, 1896 (2006).

https://doi.org/10.1088/0256-307X/23/7/066

21. S.-S. Li, J.-B. Xia. Binding energy of a hydrogenic donor impurity in a rectangular parallelepiped-shaped quantum dot: Quantum confinement and Stark effects. J. Appl. Phys. 101, 093716 (2007).

https://doi.org/10.1063/1.2734097

22. Al.L. Efros, M. Rosen, M. Kuno, M. Nirmal, D.J. Norris, M. Bawendi. Band-edge exciton in quantum dots of semiconductors with a degenerate valence band: Dark and bright exciton states. Phys. Rev. B 54, 4843 (1996).

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.4843

23. Y. Liu, S. Bose, W. Fan. Effect of size and shape on electronic and optical properties of CdSe quantum dots. Optik 155, 242 (2018).

https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2017.10.165

24. O. Madelung. Semiconductors: Data Handbook, 3rd edition (Springer, 2004) [ISBN: 978-3-540-40488-0].

https://doi.org/10.1007/978-3-642-18865-7

25. H. Eshet, M. Gr¨unwald, E. Rabani. The electronic structure of CdSe/CdS core/shell seeded nanorods: Type-I or quasi-Type-II? Nano Lett. 13, 5880 (2013).

https://doi.org/10.1021/nl402722n

26. J. Planelles, F. Rajadell, J.I. Climente. Electronic origin of linearly polarized emission in CdSe/CdS dot-in-rod heterostructures. J. Phys. Chem. C 120, 27724 (2016).

https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b11240

27. C. Grivas, C. Li, P. Andreakou, P. Wang, M. Ding, G. Brambilla, L. Manna, P. Lagoudakis. Single-mode tunable laser emission in the single-exciton regime from colloidal nanocrystals. Nat. Commun. 4, 2376 (2013).

https://doi.org/10.1038/ncomms3376

28. U.V. Mardolcar, C.A. Nieto de Castro, F.J.V. Santos. Dielectric constant measurements of toluene and benzene. Fluid Phase Equilib. 79, 255 (1992).

https://doi.org/10.1016/0378-3812(92)85135-U

Завантаження

Опубліковано

2026-09-07

Номер

Том 71 № 9 (2026)

Розділ

Напівпровідники і діелектрики

Ліцензія

Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна

Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:

1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.

2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.

3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.

4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.

5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.

6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.

Як цитувати

Екситонні стани у сферичних неконцентричних квантових точках типу ядро–оболонка. (2026). Український фізичний журнал, 71(9), 763. https://doi.org/10.15407/ujpe71.9.763