Квантовый размерный эффект в кремниевых нанокристаллах
Расчет методом эффективной массы |
Нанокристаллы Si в SiO2 |
Eg (eV) |
|
3 0D
Si
1D
2
2D
1 Egbulk
|
|
|
|
|
|
|
|
M. Fujii et al., J. Appl. Phys. (1998). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d (nm) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
4 |
6 |
8 |
|||||
Квантово-размерный эффект для запрещенной зоны |
|
усиливается при переходе от 2D к 0D (понижении размерности |
|
наноструктуры) |
27 |
Спектры фотолюминесценции нанокристалловаллов SiSi вв матрице диоксидакремния
|
|
|
|
Длина волны (мкм) |
|
|
|||
. ед.) |
1.2 1.1 |
1 |
0.9 |
0.8 |
0.7 |
0.6 |
|
||
|
|
d = 6 |
... 2 nm |
|
|
|
|||
ФЛ (отн |
c-Si |
|
|
|
|
|
|
|
|
Интенсивность |
|
|
|
|
|
|
|
||
1.0 |
1.2 |
1.4 |
1.6 |
1.8 |
2.0 |
2.2 |
|||
|
|||||||||
|
|
|
|
Энергия фотонов (эВ) |
|
||||
M. Fujii et al., PRB 62 (2000)
h PL Eg 0 E Eexc
С уменьшением размеров нанокристаллов Si спектр их |
|
люминесценции сдвигается в высокоэнергетичную (коротковолновую) |
|
область вследствие квантового размерного эффекта. Кулоновское |
|
взаимодействие электронов и дырок в нанокристалле приводит к |
|
возникновению экситона ( Eexc ), что несколько ослабляет квантово- |
|
размерный сдвиг полосы люминесценции. |
28 |
|
экситон |
Мезо- и микропористый кремний как примеры наноструктурированных полупроводников
Вид пористого материала |
Размер пор |
|
|
Микропористый |
2 нм |
|
|
Мезопористый |
2-50 нм |
|
|
Макропористый |
>50 нм |
|
|
Мезопористый Si
Mикропористый Si состоит из хаотично расположенных нанокристаллов с размерами от 1 до 10 нм.
Микропористый Si
100 nm
V. Lehmann, Mat. Sci.& Engineering B69–70 (2000)
Meзопристый Si обладает более упорядоченной структурой пор и кремниевых нанокристаллов
10 nm
A. G. Cullis et al., J. Appl. Phys.82 (1997) |
29 |
|
Туннелирование носителей заряда
Термин туннелирование означает перенос частицы через область, ограниченную потенциальным барьером, высота которого больше полной энергии данной частицы (или проникновение в эту область). Такой эффект невозможен с точки зрения классической механики, однако имеет место для квантовых частиц, которым, как известно, присущ корпускулярно-волновой дуализм. Волновые свойства квантовых частиц приводят и к другому, аномальному с точки зрения классической механики, эффекту — надбарьерному отражению.
На языке квантовой механики движение частицы в одномерном потенциальном поле U(x) описывается уравнением Шредингера:
где m — масса частицы, ψ(x) — ее волновая функция.
Из квантовой теории следует, что даже в случае, когда энергия падающей на потенциальный барьер частицы больше высоты этого барьера, коэффициент ее отражения может быть отличен от нуля. Этим квантовая частица отличается от классической, для которой никакого отражения в подобной ситуации быть не может. Существование прошедшей через барьер волны, отвечающей квантовой частице с энергией меньше высоты барьера, называют туннельным эффектом.
30
Туннелирование носителей заряда
Взаимодействие квантовой частицы с полной энергией E со ступенчатым барьером конечной высоты U0, с бесконечно высоким потенциальным барьером и с
прямоугольным барьером высотой U0 и шириной a |
31 |