M ục lục
3.1.4 Giả hạt, năng lượng exciton
Vùng cấm (khe) giả hạt (quasiparticle gap) Eqp, vùng cấm (khe) quang (optical
gap) Eopt và năng lượng liên kết exciton (năng lượng tương tác giữa electron và lỗ trống)
Eex của các hạt nano diamondoids dựa trên công thức đơn giản được đề xuất bởi C. Delerue và các cộng sự [109].
Vùng cấm giả hạt được định nghĩa là sự chênh lệch giữa thế ion hóa và ái lực điện
tử ở trạng thái cơ bản
Eqp = IP - EA = Eopt + Eex (3.4)
Khi giảm kích thước hạt, hiệu ứng giam cầm lượng tử làm tăng vùng cấm giả hạt
dẫn đến sự dịch về phía bước sóng xanh của vùng cấm quang.
Hình 3.15. Sự sắp xếp spin ở (a) trạng thái cơ bản (singlet) và (b) trạng thái kích thích
(triplet).
Eopt được sự định từ sự chênh lệch giữa năng lượng tổng cộng ở trạng thái kích
thích Eexc và năng lượng tổng cộng ở trạng thái cơ bản Egs (hình 3.15).
Eopt = Eexc - Egs (3.5)
Ở đây năng lượng ở trạng thái kích thích của hạt được tính theo năng lượng tổng
cộng mà điện tử có trạng thái spin là triplet.
LUMO
HOMO
b a
Hình 3.16. Năng lượng liên kết exciton theo kích thước hạt.
Năng lượng liên kết exciton (3.16 eV với adamantane) khá phù hợp với tính toán
bằng phương pháp Monte Carlo lượng tử [31] (2.67 eV). Năng lượng liên kết exciton tăng đáng kể khi kích thước giảm bởi sự xen phủ của điện tử và lỗ trống tăng do hiệu ứng giam
cầm lượng tử. So sánh năng lượng liên kết exciton của diamondoids và năng lượng liên kết exciton của SixHy ta thấy năng lượng liên kết exciton của diamondoids nhỏ hơn so với
SixHy (3.6 eV), điều này được giải thích là do bản chất của trạng thái LUMO giữa các loại
vật liệu này là khác nhau, trạng thái LUMO của diamonoid có sự khuếch tán ra phía ngoài bề mặt làm tăng hiệu ứng chắn, dẫn đến năng lượng liên kết exciton nhỏ hơn.
Mặc dù vùng cấm quang (hình 3.17) tính theo phương pháp này có sự sai khác so
với khe HOMO-LUMO, tuy nhiên kích thước hạt mà tại đó hiệu ứng giam cầm lượng tử
không còn thể hiện cũng nằm trong khoảng 1nm, khá phù hợp với vùng cấm tính theo sự
chênh lệch giữa hai mức HOMO và LUMO.