| Название: | Электронные и оптические свойства массива полупроводниковых нанокристаллов |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 02 - Физика и науки о космосе |
| Научная дисциплина: | 02-202 - Полупроводники |
| Ключевые слова: | Полевой транзистор, проводимость, наночастицы, оптические свойства, фотолюминесенция |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Рейх,КВ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 17-72-10072 |
Аннотация
Как уже отмечалось, сама проблема математического моделирования свойств массивов нанокристаллов (МНК) возникла только несколько лет назад, в связи с успехами в экспериментальной области, когда удалось получить МНК с удивительно большой подвижностью [1]. Поэтому, пока работ в этой области не так много. В работах [2-4] используется идея, что МНК по своим электронным свойствам должен быть таким же как и обычный объемный образец. На этой основе, чаще всего для оценок, применяют теории основанные на усредненных величинах. При этом, не учитывается дискретность частиц, зарядов, наличие дискретных уровней энергий. Все это необходимо учитывать, не только для корректного описания транспортных свойств таких массивов, но и прежде всего для расчета оптических свойств.
Одной из первых работ в этой области можно отметить работу, в которой был рассмотрен периодический массив одинаковых нанокристаллов. Считалось, что расстояния между нанокристаллами достаточны для того, чтобы электроны туннелировали из одного нанокристалла в другой. На этой основе рассчитана зонная диаграмма таких материалов [5]. Существенно позже авторы [6] опираясь на эту работу, создали модель описывающую транспортные свойства таких материалов. Однако они не учли важный эффект кулоновского взаимодействия электронов между собой, а также беспорядок в расположении нанокристаллов и их размеров, что ставит под сомнение результаты их работы. Мы будем опираться на результаты данного исследования, и будем производить похожий расчет с учетом беспорядка и кулоновского взаимодействия между электронами.
Надо отметить, что учет кулоновского взаимодействия в массивах металлических нанокристаллов учитывается группой профессора Белобородова из университета Калифорнии [7, 8]. Однако ими в основном исследуются свойства металлических частиц, и не принимаются особенности транспорта в полупроводниковых нанокристаллах.
Кроме рассмотренных выше проводящих свойств, моделируются оптические свойства МНК. Пока, основное внимание уделялось оптическим свойствам отдельных, находящихся в жидкости, нанокристаллов [9]. Нам известны только две работы, в которых авторы попытались моделировать оптические свойства МНК [6, 10], однако при этом не были рассмотрены проводящие свойства таких массивов со всеми выше приведенными особенностями. Из уже цитированных работ видно, что исследователи всего мира с разных сторон подбираются к проблеме моделирования проводящих и оптических свойств МНК. Ими были определены самые важные параметры которые характеризуют массив полупроводниковых нанокристаллов, однако пока нет работ пытающихся моделировать МНК с учетом всех этих параметров.
Наш проект направлен на решение фундаментальной задачи - моделировать проводимости и оптических свойств массива полупроводниковых нанокристаллов (МНК) в зависимости от параметров системы. Масштаб проблемы в конечном итоге огромен. Существует тысячи параметров от которых зависят свойства МНК, для технических применений важны десятки свойств. В данном проекте мы сосредоточимся на основных параметрах системы и рассчитаем зависимость подвижности и оптического выхода от этих параметров.. Параметры которые характеризуют МНК можно разделить на две группы:
1. Параметры, характеризующие отдельный нанокристал(НК): (a) их форма и размеры, (b) материал из которых они созданы (как правило используют CdSe или PbSe), (c) уровень допирования, (d) количество поверхностных состояний,
2. Параметры характеризующие МНК: (a) распределение НК по размерам (b) среднее расстояние и распределение расстояний между НК (c) свойства материала, в котором находятся НК
Научная новизна поставленной задачи состоит в том, что будут промоделированы как оптические так и проводящие свойства нанокристаллов. Несмотря на широкий фронт исследований массивов нанокристаллов(МНК), до настоящего времени очень мало работ по моделированию проводимости и оптических свойств таких массивов. При этом никто не пытался моделировать как эти свойства зависят от параметров системы, и найти оптимальную область параметров в которой сосуществует проводимость и оптическое излучение в видимом диапазоне света.
Отчасти это объясняется тем, что не были развиты подходы для описания оптических и проводящих свойств МНК. Кроме того, при рассмотрении свойств МНК, огромную роль играет кулоновское взаимодействие между носителями зарядов. Решение уравнения Шредингера в многоэлектронной задачи с учетом кулоновского взаимодействия между всеми зарядами в системе, представляется не решаемой задачей даже для самых современных супер компьютеров. Однако нами в работах [11-15] было выдвинуто простое приближение позволяющее учесть это взаимодействие. Данное приближение основано на том, что диэлектрическая проницаемость всех исследуемых нанокристаллов велика. Большая диэлектрическая проницаемость свидетельствует о том, что такие НК будут вести себя как металлические шарики, если речь идет о кулоновском взаимодействии. Это позволяет свести сложную задачу о взаимодействии электронов в нанокристаллах, к школьной задачи о взаимодействии металлических шариков с разными зарядами. Использование этого подхода позволит найти основное состояние системы взаимодействующих электронов в массиве НК, даже на персональных компьютерах.
