PACS: 71.15.Dx, 73.21.La 1. Введение квазичастиц с квантованными полями (фононами) хорошо работают для закрытых систем. Но они не нахоСовременные экспериментальные возможности содят непосредственного применения в случае открытых здания многослойных наногетеросистем (в частности, систем с квазистационарными состояниями, в которых метод ионного замещения) позволяют получать и исквазичастицы имеют конечное время жизни.
следовать как закрытые, так и открытые квантовые В работах [6,8] была развита электронная (дырочная) точки [1Ц3]. Важной особенностью открытых систем по теория для открытых СКТ на основе S-матрицы рассесравнению с закрытыми является возможность управяния, но обобщить ее на случай экситона как системы ления дополнительным каналом релаксации энергии взаимодействующих электрона и дырки не удается из-за квазичастиц из-за их ухода из квантовой точки в отматематических затруднений, возникающих при попытке крытое пространство внешней среды. Это позволяет точного решения уравнения Шредингера для системы создавать сверхбыстродействующие датчики излучений двух взаимодействующих квазичастиц.
в необходимой области спектра путем соответствующеОтсутствует и теория электрон-фононного и эксиго подбора геометрических и физических параметров тон-фононного взаимодействий в открытых СКТ, так как многослойных открытых квантовых точек.
волновые функции этих квазичастиц в квазистационарТеория спектров и волновых функций электронов и ных состояниях не входят в полную систему нормиродырок в простых и многослойных сферических кванванных функций [12]. Это не позволяет воспользоваться товых точках (СКТ), находящихся во внешней среде, методами квантовой теории поля при исследовании построена как для закрытых (close) [2Ц5], так и для спектров, перенормированных взаимодействием.
открытых (open) [6Ц8] наногетеросистем. Что же каОбойти принципиальные теоретические затруднения сается теории экситонов или теории взаимодействия при исследовании простой открытой СКТ можно путем электронов, дырок и экситонов с фононами в закрыизучения соответствующей закрытой СКТ с очень больтых СКТ, то она достаточно хорошо развита на базе шой толщиной внешней шаровой ямы ( ). Однако в разных моделей фононной подсистемы (в основном это таком случае возникает существенный вопрос Ч при модель диэлектрического континуума) для закрытых каких толщинах для закрытой СКТ электронный систем [9Ц11]. Результаты теории удовлетворительно спектр и волновые функции можно считать близкими соответствуют эксперименту [2,3].
(и с какой точностью) к тем, которые соответствуют Математический аппарат квантовой механики [12] и открытой системе. Здесь возникает парадокс, который, методы вторичного квантования с использованием тенасколько нам известно, пока не получил разрешения ории функций Грина [13] в задачах о взаимодействии в литературе. Суть парадокса в том, что в простой E-mail: theorphys@chnu.cv.ua открытой СКТ спектр электрона должен быть квази1112 Н.В. Ткач, Ю.А. Сети Рис. 1. Геометрические и энергетические схемы простой закрытой (a), двухъямной трехшаровой закрытой (b) и простой открытой (c) сферических квантовых точек.
стационарным, тогда как в трехслойной двухъямной шаровой ямы r0, толщина шарового барьера и толщизакрытой СКТ он, на первый взгляд, является стацио- на внешней шаровой ямы Ч указаны на рис. 1, b. Из нарным независимо от толщины внешней ямы. Как рис. 1 видно, что при 0 трехшаровая наносистема 2 будет показано в данной работе, разрешение парадокса переходит в простую закрытую СКТ (рис. 1, a), а при заключается в том, что по мере увеличения толщины она переходит в простую открытую двухша2 для двухъямной закрытой СКТ электронные состояния ровую СКТ (рис. 1, c). На рис. 1 показаны и уровни системы перестают быть стационарными и при потенциальной энергии электрона в соответствующих спектр постепенно превращается в квазистационарный. наногетеросистемах.
Цель предлагаемой работы заключается в том, чтобы Чтобы найти спектр и волновые функции электрона в исследовать эволюцию спектра и плотности вероятности трехшаровой закрытой СКТ, необходимо решить стацинахождения электрона в двухъямной закрытой СКТ онарное уравнение Шредингера [12] в зависимости от толщины внешней шаровой ямы.
При этом будет получен спектр и волновые функции - + U(r) (r) =E (r). (1) электрона в двухъямной закрытой СКТ, которая при 2 m(r) переходит в простую открытую СКТ. Впервые В сферической системе координат с началом в ценбудет выявлена физическая причина конечности времетре СКТ электрон характеризуется эффективной массой ни жизни электрона в квазистационарном состоянии в результате перераспределения вероятности нахождения m0, r < r0, r1 < r < rэлектрона, возбужденного в резонансное состояние СКТ, m(r) = (2) по всем состояниям квазистационарной полосы, которые m1, r0 r r1, r2 r < принадлежат всей наногетеросистеме (как сферической и потенциальной энергией квантовой точке, так и внешней среде).
0, r < r0, r1 < r < rU(r) = (3) 2. Гамильтониан, спектр и волновые U, r0 r r1, r2 r <.
функции электрона в двухъямной закрытой СКТ С учетом сферической симметрии решение уравнения (1) может быть представлено в следующем виде:
Будем изучать энергетический спектр и волновые функции электрона в трехшаровой закрытой СКТ с (r) =R (r)Y m(, ), m двумя потенциальными ямами и одним барьером. Геометрические параметры задачи Ч радиус внутренней = 0, 1, 2,..., m = 0, 1, 2,..., (4) Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Свойства электронного спектра в двухъямной закрытой сферической квантовой точке... где Y m(, ) Ч сферическая функция. Для радиальных которое определяет энергетический спектр электрона в функций R (r), представленных в виде двухшаровой открытой СКТ En, где P = km1r2J +1(kr2)K (r2) +J (kr2)C (r2), R (r) =R(0)(r)(r0 - r) + R(i)(r) (ri - r) i=T (1) = km1r1J (kr1) F (r0)K (r1) - I (r1)C (r0) - (r - ri-1) + R(3)(r)(r - r2), (5) где (ri - r) Ч функция Хевисайда, получается система - J (kr1) F (r1)C (r0) +F (r0)C (r1), уравнений d2 2 d ( + 1) T (2) = km1r1J +1(kr1) I (r1)K (r0) - I (r0)K (r1) + + Ki2 - R(i)(r)=0, i = 0, 1, 2, 3.
dr2 r dr r+ J (kr1)F (r1)K (r0) - I (r0)C (r1), (6) Решения этой системы Ч функции R(i)(r) Чнаходятся в C (r) =(m0 - m1) K (r) - m0rK +1(r), виде линейных комбинаций функций Бесселя и Неймана:
D (kr) =(m0 - m1) N (kr) +km1rN +1(kr), R(i)(Kir) =A (i)J (Kir) +B(i)N (Kir), (7) где A (i), B(i) Ч коэффициенты, F (r) =(m0 - m1) I (r) +m0rI +1(r), j (kir), Ui E L (r) =-m0rK +1(r)N (kr) +K (r)D (kr), J (Kir) = h+(iir), Ui < E, = -F (r1)K (r0) +I (r0)C (r1) N (kr1) n (kir), Ui E N (Ki r) = h-(iir), Ui < E, -km1r1 I (r1)K (r0)- I (r0)K (r1) N +1(kr1), 2mi k2, i = 0, i Ki2 = (E - Ui) = (9) = F (r0)L (r1) - m0r1I +1(r1)C (r0)N (kr1) -i2, i = 1, 3.
- I (r1)C (r0)D (kr1), Условия непрерывности радиальных волновых функций и потоков их плотностей на всех границах разделов где I (r), K (r) Ч видоизмененные функции Бесселя между шаровыми слоями системы первого и второго рода.
Так как в следующем параграфе будет детально ана R(i)(r) = R(i+1)(r) r=ri r=ri лизироваться эволюция электронного спектра трехшаро, i = 0, 1, 2, вой двухъямной закрытой СКТ при изменении толщи 1 dR(i)(r) 1 dR(i+1)(r) ны ( ) внешней шаровой ямы от нуля (простая закры = m dr r=ri mi+1 dr r=ri тая СКТ) до бесконечности (простая открытая СКТ), для (10) нас естественно аналитическим предельным переходом совместно с условием нормировки получить из волновых функций электрона в двухъямной закрытой СКТ и дисперсионного уравнения (12) соответствующие аналоги для простой закрытой (при R (r) r2dr = 1 (11) 0) и простой открытой СКТ (при ).
2 Действительно, предельным аналитическим переходом 0 из дисперсионного уравнения (12) в ободнозначно определяют все коэффициенты A (i), B(i), а ласти энергий E < U можно получить дисперсионное следовательно, и весь полный набор радиальных волуравнение новых функций (R(i)(r)) и энергетический спектр (En ) j1(kr0) m0 h+(ir0) электрона в связанных состояниях (E < U), которые бу= i, (13) дут изучаться в дальнейшем. Не приводя здесь громоздj0(kr0) km1 h+(ir0) кие явные выражения для радиальных функций (R(i)(r)), c определяющее энергетический спектр En простой зазапишем только дисперсионное уравнение крытой СКТ, а из радиальных волновых функций Rc (r) n двухъямной закрытой СКТ Ч функции J (kr0) P - T (1)L (r2) m3m3r0r1r0 AR + BR Rc (r) =, (14) n + km1r0J +1(kr0) P + T (2)L (r2) = 0, (12) =CR + DR/ h+(inr) Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1114 Н.В. Ткач, Ю.А. Сети совпадающие с радиальными функциями простой закры- Здесь - той СКТ [2Ц5]. В соотношении (14) d d B (kr1) = 2 - + - h+(kr1), dr1 drj0(knr) AR =, = km1 h-(ir1)h+(ir0) - h-(ir0)h+(ir1), j0(knr0) r dh+(ir1) dh-(ir1) = h-(ir0) - h+(ir0), km1 dr1 drПолучить спектр и волновые функции электрона = im0 h-(kr0) +h+(kr0), простой открытой СКТ из двухъямной закрытой СКТ предельным переходом аналитическим путем dh-(kr0) dh+(kr0) невозможно. Их можно определить путем решения = km1 +, dr0 drстационарного уравнения Шредингера с использованием метода S-матрицы [12]. При таком подходе, если dh-(Kr) dh+(Kr) (Kr) =h+(Kr) - h-(Kr), использовать обозначения, соответствующие открытой dr dr системе (рис. 1, c), решения уравнения Шредингера для а также аналитический вид S -матриц: радиальных волновых функций Ro могут быть найдены K d d в виде dr1 + - dr1 - h-[kr1] S =. (21) (0) d d dr1 - + dr1 + h+[kr1] R (kr) =kA (0) h-(kr) +h+(kr) Ro (r) = R(1)(ir) =iA (1) h-(ir) - S(1)h+(ir). Действительная часть полюсов S -матриц определяK ет резонансный энергетический спектр (E ok), а мниR (kr) =kA (2) h-(kr) - S (k)h+(kr) (2) мая ( ) Ч полуширины полос квазистационарных n (15) состояний электрона в простой открытой СКТ. Полу ченные таким образом спектр и волновые функции Коэффициент A (2) = 1/ 2 определяется с учетом услооткрытой СКТ описывают, как будет видно из следуювия нормировки щего параграфа, граничный случай спектра и волновых функций электрона в трехшаровой закрытой двухъямной СКТ при. R Rk (r)r2 dr = (k - k ). (16) k 3. Эволюция стационарного Граничные условия непрерывности волновых функций электронного спектра и плотностей вероятности в двухъямной закрытой СКТ к квазистационарному спектру R(i)(Kiri ) =R(i+1)(Ki+1 + ri) при изменении толщины внешней (17) dR(i+1)(Ki+1r) 1 dR(i)(Kir) шаровой ямы = mi dr r=ri mi+1 dr r=ri+Развитая в предыдущем параграфе теория позволяет однозначно определяют аналитические выражения для изучать эволюцию электронного стационарного спектра всех остальных коэффициентов: энергий в зависимости от толщины ( ) внешней шаровой ямы в двухъямной закрытой СКТ. Совместно с анаA (0) = -ikm0m1 (ir0) (kr1)B (kr1), (18) лизом вероятностей пребывания электрона в пределах двух внутренних шаров этой трехслойной СКТ d A (1) = -km1 (kr1) - h+(ir0)B (kr1), (19) r0+ drWn = Rn (r) r2 dr (22) d dr0 - h-(ir0) S(1) = -. (20) появляется возможность проследить и детально проd dr0 - h+(ir0) анализировать процесс превращения электронного стаФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Свойства электронного спектра в двухъямной закрытой сферической квантовой точке... Рис. 2. Изменение вида электронных спектров в зависимости от толщины внешней квантовой ямы при малых размерах сферической квантовой точки. ционарного спектра простой закрытой СКТ с малым квантовых чисел n, возрастают величины и резонансo значением в квазистационарный спектр простой от- ных энергий En, и полуширин квазистационарных 2 n крытой СКТ при. состояний простой открытой СКТ. Проанализируем теперь эволюцию электронного спекВсе расчеты были выполнены на примере системы тра двухъямной закрытой СКТ при изменении толщиHgS/CdS/HgS/CdS с параметрами: ны внешней шаровой ямы от нуля (простая закрытая СКТ) до бесконечности (простая открытая СКТ). mHgS = 0.036m0, mCdS = 0.2m0, U = 1350 мэВ, Изменения энергетических спектров En в зависимости от толщины при малых ее значениях приведены на aHgS = 5.851, aCdS = 5.818, рис. 2, а при больших Ч на рис. 3. Из рис. 2 видно, что при = 0 спектр En элеккоторые хорошо удовлетворяют требованиям модели трона является стационарным и, как это и должно прямоугольного потенциала (с незначительной разницей c быть, совпадает со спектром En простой закрытой СКТ. в постоянных решеток, составляющих систему шаров). С увеличением толщины все уровни спектра En При расчетах геометрические параметры двухъямной уменьшаются по величине, образуя в окрестности энерзакрытой СКТ были приняты такими: радиус ядра-ямы c o гий En (или En ) антикроссинги (Дбутылочные горлаУ). равен r0 = 20aHgS, толщина шарового барьера равна Причины возникновения антикроссингов уже неодно = aCdS, а ширина внешней шаровой ямы изменя1 кратно обсуждались [6,7]. Они связаны с эффектом лась от нуля до бесконечности.