Оптические переходы между квантово-размерными уровнями

Дискретная структура энергетического спектра квантовых точек проявляется в первую очередь в спектрах поглощения. На рисунке показаны спектры поглощения пяти золей нанокристаллов CdSe с радиусами 1.2, 1.7, 2.3, 2.8 и 4.1 нм. Благодаря узкому распределению КТ по размерам на этих спектрах хорошо разрешаются особенности, соответствующие межзонным оптическим переходам, связанные с различными электронными и дырочными квантовыми состояниями. Эти особенности могут быть описаны в рамках модели эффективных масс, если принять во внимание смешение трех валентных подзон, обусловленное квантовым ограничением.

Cпектры поглощения нанокристаллов CdSe с радиусом от 1.2 до 4.1 нм

Две первые полосы в спектрах поглощения на рис.8 связаны с переходами между нижним уровнем электрона (1S) и двумя различными дырочными уровнями (1S_3/2 и 2S_3/2). На спектрах квантовых точек с радиусом больше 2.5 нм так же разрешаются полосы, отвечающие переходу между 1P электроном и 1P_3/2 дыркой и вышележащему по энергии переходу между 1S электронным состоянием и дырочным уровнем, возникающем в результате спин-орбитального расщепления (3S_1/2 для КТ с радиусом 4.1 нм).

Уширение полос поглощения в спектрах коллоидных нанокристаллов преимущественно связано с дисперсией по размеру. В режиме полного квантового ограничения энергия перехода в первом приближении обратно пропорциональна радиусу нанокристалла. В этом случае уширение (Г_i) полосы поглощения с энергией ћ пропорционально сдвигу этого перехода относительно ширины запрещенной зоны объемного материала (E g)

На рис. показаны спектры поглощения тех же образцов, что и на рис. в полулогарифмических координатах. Графики нормированы в области больших энергий в приведенном диапазоне. Из-за возросшей спектральной плотности электронных и дырочных состояний во всех образцах на больших энергиях переходы сливаются в единый профиль, одинаковый для всех образцов. Интересно, что при энергиях выше 3.5 эВ спектр поглощения нанокристаллов очень похож на спектр объемного CdSe.

(а) – нормированные спектры поглощения нанокристаллов CdSe с радиусом от 1.2 до 4.1 нм в сравнении со спектром поглощения объемного CdSe; (б) – экспериментальная зависимость мощности осциллятора 1S и 2S переходов от размера квантовых точек.

Тот факт, что спектры поглощения нанокристаллов различного размера сходятся при больших ћω к спектру объемного полупроводника говорит о том, что при высоких энергиях оптическое поглощение образцов нанокристаллов не зависит от размера, а только от количества материала полупроводника. Этот эффект предсказывает и модель эффективных масс.