3. Nghiờn cứu chuyển dời phỏt xạ của exciton qua việc nghiờn cứu HQ
VỀ CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN 1 1 Giới thiệu
1. 1. Giới thiệu
Phần này trỡnh bày một cỏch tổng quỏt những hiểu biết vật lý về cỏc tớnh chất
quang tuyến tớnh của NNTT bỏn dẫn, cũn được gọi là CLT [31]. Ngày nay, một loạt vật liệu bỏn dẫn đó được chế tạo dưới dạng NNTT, như Si và Ge, cỏc hợp chất
nhúm III-V (GaAs, GaP, InP), cỏc hợp chất nhúm II-VI (CdSe, CdS, ZnSe, CdTe và hợp kim của chỳng), cỏc hợp chất nhúm IV-VI như PbSe, PbS và cỏc hợp chất
nhúm I-VII (CuCl, CuBr, AgBr). Hơn nữa, cụng nghệ ngày nay cho phộp kiểm soỏt kớch thước, hỡnh dạng và bề mặt của cỏc NNTT bỏn dẫn. Sau đõy sẽ trỡnh bày những
tớnh chất điện tử nội tại của NNTT cú ảnh hưởng đến sự HT và HQ trong cỏc vật
liệu này. Tất cả những tớnh chất quang này phụ thuộc mạnh vào kớch thước của
NNTT.
Tớnh chất quang của NNTT bỏn dẫn phụ thuộc vào kớch thước đó được phỏt hiện ra từ những năm 1980 một cỏch độc lập trong hai loại vật liệu khỏc nhau: trong
thủy tinh pha cỏc NNTT bỏn dẫn bởi nhúm Ekimov và cộng sự [35] và trong dung
dịch huyền phự chứa cỏc NNTT bởi nhúm Henglein và cộng sự [47]. Cả hai nghiờn
cứu này đều chỉ ra rằng màu sắc của cỏc NNTT phụ thuộc mạnh vào kớch thước của
chỳng.
Phổ HT và HQ phụ thuộc vào kớch thước được xỏc định bởi hiệu ứng kớch thước lượng tử. Hiệu ứng này làm thay đổi cơ bản toàn bộ phổ năng lượng của cỏc
giả hạt bị giam giữ theo cả ba chiều. Cả hai tớnh chất quang tuyến tớnh và quang phi
tuyến của NNTT bỏn dẫn cú kớch thước nhỏ là kết quả của cỏc chuyển dời giữa cỏc
mức điện tử và lỗ trống bị lượng tử húa do kớch thước. Trong một NNTT hỡnh cầu
được bao xung quanh bởi hàng rào thế năng cao vụ hạn, năng lượng của cỏc mức
lượng tử của điện tử và lỗ trống được xỏc định bởi số lượng tử quỹ đạo l, cú thể
2 2, , , , 2 , 2 l n e h l n e h E m a φ = (1.1)
Ở đõy, me,h là khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống tương ứng, a là bỏn kớnh
của tinh thể, φl,n là nghiệm thứ n của hàm Bessel cầu bậc l jl(φl,n)=0 (bốn nghiệm
thấp nhất là ϕ0,0 =π ϕ, 1,0 ≈4, 49, ϕ2,0 =5, 76 &ϕ0,1 =2π ). Năng lượng của cỏc
mức lượng tử thấp nhất của điện tử và lỗ trống tăng khi kớch thước của NNTT giảm,
và bởi vậy, làm tăng năng lượng tổng cộng của cỏc chuyển dời quang ở bờ vựng. Vớ
dụ, trong cỏc NNTT CdSe, sự tăng của độ rộng vựng cấm cú thể đạt tới 1,2 eV.
Bằng cỏch thay đổi kớch thước NNTT, chỳng ta cú thể thay đổi năng lượng vựng cấm của vật liệu này từ 1,73 eV (giỏ trị Eg của bỏn dẫn khối) lờn tới 3 eV, bao phủ
toàn bộ vựng ỏnh sỏng nhỡn thấy của phổ quang học [67].
Tuy nhiờn, tương tỏc Coulomb giữa điện tử và lỗ trống được tạo ra do kớch
thớch quang cú ảnh hưởng lớn tới phổ quang học. Tương tỏc này phải luụn được tớnh đến bởi vỡ cả hai hạt này đều bị giam giữ trong cựng một thể tớch tinh thể nhỏ. Năng lượng Coulomb của tương tỏc điện tử và lỗ trống vào cỡ e2/εa, với ε là hằng số điện
mụi của bỏn dẫn. Vỡ năng lượng lượng tử húa tăng khi kớch thước giảm tỷ lệ với
1/a2, trong khi đú năng lượng Coulomb chỉ tăng tỷ lệ với 1/a, nờn trong cỏc tinh thể
nhỏ năng lượng Coulomb trở thành một bổ chớnh nhỏ đối với năng lượng lượng tử húa của điện tử và lỗ trống, làm giảm một lượng nhỏ năng lượng chuyển dời. Mặt
khỏc, trong cỏc NNTT lớn, tương tỏc Coulomb quan trọng hơn năng lượng lượng tử húa của điện tử và lỗ trống. Phõn tớch lý thuyết cho thấy rằng, cỏc tớnh chất quang
của NNTT phụ thuộc mạnh vào tỷ số của bỏn kớnh NNTT (a) với bỏn kớnh Bohr của
exciton trong bỏn dẫn khối, aB 22
e ε à = ,
với àlà khối lượng rỳt gọn của exciton [27], [36].
e h
1 1 1
m m
à = +