[論文レビュー] Transverse Quantum Confinement in Semiconductor Nanofilms: Optical Spectra and Multiple Exciton Generation

Vladimir I. Makarov, Igor Khmelinskii|arXiv (Cornell University)|May 13, 2014

Quantum Dots Synthesis And Properties参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、多結晶シリコンおよびスズジオキシドナノ膜（3.9–12.2 nm 厚さ）における横方向の量子閉じ込め効果を調査し、粒子箱モデルで説明可能な離散的光学遷移を示した。主な発見として、膜厚に依存しない有効質量（Si では 0.17m₀、SnO₂ では 0.21m₀）、HOMO の量子数がそれぞれ 8.00 および 7.00 であり、光励起量子効率が 1 を超えることから、複数励起子生成が示唆された。これは、プロトタイプの Si-SnO₂ 光電変換素子における光電子量子効率の向上によって裏付けられた。

ABSTRACT

We report absorption and photoluminescence spectra of Si and SnO$_2$ polycrystalline nanofilms in the UV-Vis-NIR range, featuring discrete bands resulting from transverse quantum confinement. The film thickness ranged 3.9 nm to 12.2 nm, depending on the material. The results are interpreted within the particle-in-a-box model, with the box width equal to the layer mass thickness. The energy levels and transitions scale as the inverse square of the film thickness. The calculated values of the effective electron mass are independent on the film thickness and equal to 0.17m$_o$ (Si) and 0.21m$_o$ (SnO$_2$), with m$_o$ the mass of the free electron. The uncertainties in the effective mass values are ca. 2.5%, determined by the film thickness calibration. The second calculated model parameter, the quantum number $n$ of the HOMO, was also thickness-independent: 8.00 (Si) and 7.00 (SnO$_2$). This indicates that the Fermi level should also scale as the inverse square of the film thickness in these nanofilms. The observed transitions all start at the level $n$ and correspond to Δ$n$ = 1, 2, 3, etc. The photoluminescence bands exhibit large Stokes shifts, moving to higher energies with increased excitation energy. The photoluminescence quantum yields exceed unity, showing evidence of multiple exciton generation from each absorbed photon. A prototype Si-SnO$_2$ nanofilm photovoltaic cell demonstrated an increase of the photoelectron yield with the photon energy, showing evidence of multiple exciton generation.

研究の動機と目的

• 半導体ナノ膜の横方向量子閉じ込め下での光学スペクトルを調査すること。
• 膜厚が電子状態エネルギーや光学遷移に与える影響を特定すること。
• Si および SnO₂ ナノ膜における複数励起子生成の可能性を評価すること。
• 粒子箱モデルが膜厚に応じたエネルギー準位のスケーリングを予測する妥当性を検証すること。
• プロトタイプのナノ膜光電変換デバイスにおいて、複数励起子生成の実験的証拠を提示すること。

提案手法

• UV-Vis-NIR 範囲で、多結晶 Si および SnO₂ ナノ膜の吸収および光励起スペクトルを測定した。
• 膜の質量厚さをボックス幅として、粒子箱モデルを用いて離散的光学遷移を解釈した。
• 膜厚の逆数の二乗に比例するエネルギー準位のスケーリングから、有効電子質量および HOMO の量子数（n）を抽出した。
• 膜厚のキャリブレーション精度（約 2.5%）に基づき、有効質量値の不確実性を計算した。
• 励起エネルギーの関数としての光励起スペクトルのストークスシフトを分析した。
• 光子エネルギー依存の光電子量子効率をテストするため、プロトタイプの Si-SnO₂ ナノ膜光電変換セルを構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 膜厚と横方向量子閉じ込め効果は、Si および SnO₂ ナノ膜の光学スペクトルにどのように影響するか？
• RQ2 これらのナノ膜における有効電子質量は膜厚に依存するか？その値は何か？
• RQ3 最高被占有人分子軌道（HOMO）の量子数は何か？また、膜厚に依存して変化するか？
• RQ4 光励起量子効率が 1 を超えることから、これらのナノ膜は複数励起子生成を示しているとみなせるか？
• RQ5 プロトタイプ光電変換セルにおける光電子量子効率の向上は、複数励起子生成を裏付けることができるか？

主な発見

• 有効電子質量は膜厚に依存せず、Si では 0.17m₀、SnO₂ では 0.21m₀ であり、膜厚キャリブレーションによる不確実性は約 2.5% であった。
• すべての膜厚において、Si の HOMO 量子数 n は 8.00、SnO₂ では 7.00 と一定であった。
• エネルギー準位および光学遷移は、膜厚の逆数の二乗に比例してスケーリングされ、粒子箱モデルと整合的であった。
• 光励起帯域は大きなストークスシフトを示し、励起エネルギーが高くなるほどそのシフトが増大しており、強い電子-格子結合を示唆した。
• 光励起量子効率が 1 を超えたことから、複数励起子生成の直接的証拠が得られた。
• プロトタイプの Si-SnO₂ ナノ膜光電変換セルでは、光子エネルギーが高くなるほど光電子量子効率が向上し、複数励起子生成を支持する結果となった。