[发明专利]一种确定半导体纳米晶体量子点的带隙在不同介质中移动的方法

说明书

一种确定介质本底中半导体纳米晶体量子点带隙移动的方法，建立了介质本底中的量子点模型，引入像电荷的概念，确定了镜像电荷的大小和位置，在激子的哈密顿量中加上电子、空穴和像电荷之间的相互作用势能，用微扰法求解激子的薛定谔方程得到了介质本底中量子点的带隙能表达式，在给定温度下，将量子点的激子玻尔半径、相对介电系数、粒径、体材料带隙能、本底介质的相对介电系数等参数代入表达式，即可得到介质本底中量子点的带隙，最终确定不同本底介质中量子点的带隙移动。本发明可以具体计算出相同尺寸的量子点在不同本底材料中的带隙移动，为光电子器件的设计和半导体纳米晶体材料光学特性的研究提供了直接有力的工具。

技术领域

本发明涉及光电器件技术和纳米材料计算领域，具体涉及在不同介质本底中确定半导体纳米晶体量子点带隙移动的方法。由本发明的解析表达式，可以直接确定半导体纳米晶体量子点带隙随不同本底材料的介电系数的变化。

背景技术

纳米尺度的物质与体材料相比会出现很多奇特的性质，这些性质是由尺寸减小产生的量子效应引起的。半导体晶体材料在三个维度上都减小到纳米尺度时，其中的载流子会在三个维度上都受到限制，这种半导体纳米微晶就称为量子点。由于尺寸减小引起的量子约束效应，量子点的能级会从块体材料的连续能级变为分立的能级，并且带隙的大小与量子点的尺寸有关，这种特性称为量子点的尺寸效应。由于这个特性，量子点在光电子领域有着广泛的应用前景。其中最主要的几个应用方面包括：量子点光纤放大器、量子点激光器和量子点太阳能电池，这些器件都利用了量子点的光学特性：发光性能和吸收性能，而量子点的光学特性都是由其带隙决定的，因此量子点带隙的计算对量子点光学特性的研究和量子点光电子器件的研制有着重要意义。

量子点的带隙大小主要与其尺寸有关，但是实验表明量子点的带隙除了与尺寸有关外，还与量子点所处的本底环境有关，这主要是由量子点的表面极化效应引起的。量子点的表面极化效应是指纳米晶体量子点的介电系数与本底材料的介电系数不同而在两者界面产生的极化效应，也被称为介电受限效应。由于表面极化效应的存在，相同尺寸的量子点处于不同本底材料中时，其带隙会发生移动，导致其吸收峰和发射峰的中心波长会发生偏移，这会对量子点光纤放大器和量子点激光器的设计和研究产生不利影响。

关于量子点表面极化效应的研究，最早是在1983年，L.E.Brus用有效质量近似的方法建立了一个半导体纳米微晶的基本量子力学模型，在这个模型中考虑了介电极化产生的静电势。1984年，L.E.Brus在激子哈密顿量中加入了表面极化势能，给出了激子基态能量的近似表达式，但并未对表面极化效应引起的偏差和影响进行讨论。之后在1993年，T.Takagahara提出表面极化效应在低维和小尺寸结构中更加显著，并用有效质量近似计算了包含介电受限效应的激子能谱，给出了强约束下激子基态能量的解析表达式，在表达式中引入了与介电系数比有关的两个系数A₀和A₁，用来反映量子点的表面极化效应，此外还研究了介电受限效应对激子束缚能和跃迁振子强度的影响。但是对于表面极化效应引起的量子点在不同本底材料中的带隙偏移，还没有相关的计算。

在给定温度下，确定不同本底材料中量子点带隙的移动，需要考虑表面极化效应对带隙的影响。可以引入像电荷的概念来计算本底材料中量子点的带隙能。将由本底介质极化效应产生的表面极化电荷等效为像电荷，计算电子、空穴和相应像电荷之间的相互作用势能，对激子的哈密顿量进行修正，然后通过解薛定谔方程求出包含表面极化效应的激子基态能量表达式，这样就可以计算出本底材料中量子点的带隙，进而确定不同本底材料中量子点带隙的偏移方向和大小。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种确定本底材料中纳米晶体量子点带隙移动的新方法，使用该方法可以方便快捷地计算出不同本底材料中量子点的带隙移动大小，从而计算出量子点在不同本底材料中第一吸收峰的偏移大小，为量子点光电子器件的设计和研究提供帮助。