[论文解读] Multiband tight-binding theory of disordered ABC semiconductor quantum dots: Application to the optical properties of alloyed CdZnSe nanocrystals

Daniel Mourad, G. Czycholl|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2010

Quantum Dots Synthesis And Properties被引用 12

一句话总结

该论文提出了一种具有微观无序处理的多带经验紧束缚模型，用于计算合金CdₓZn₁₋ₓSe量子点的电子和光学性质。通过模拟有限个无序纳米晶体的集合并应用组态相互作用（CI），该方法准确再现了光学跃迁的非线性bowing行为，对约3 nm量子点与实验数据高度一致，并显示出在较大尺寸下向体材料极限收敛的特性。

ABSTRACT

Zero-dimensional nanocrystals, as obtained by chemical synthesis, offer a broad range of applications, as their spectrum and thus their excitation gap can be tailored by variation of their size. Additionally, nanocrystals of the type ABC can be realized by alloying of two pure compound semiconductor materials AC and BC, which allows for a continuous tuning of their absorption and emission spectrum with the concentration x. We use the single-particle energies and wave functions calculated from a multiband sp^3 empirical tight-binding model in combination with the configuration interaction scheme to calculate the optical properties of CdZnSe nanocrystals with a spherical shape. In contrast to common mean-field approaches like the virtual crystal approximation (VCA), we treat the disorder on a microscopic level by taking into account a finite number of realizations for each size and concentration. We then compare the results for the optical properties with recent experimental data and calculate the optical bowing coefficient for further sizes.

研究动机与目标

• 开发一种从头算的理论框架，用于计算无序AₓB₁₋ₓC半导体量子点的电子和光学性质。
• 克服均场方法（如虚拟晶体近似，VCA）在捕捉合金纳米晶体中无序效应方面的局限性。
• 对CdₓZn₁₋ₓSe量子点中的取代无序提供微观处理，考虑真实尺寸和组分。
• 准确预测浓度依赖的光学带隙和发射光谱，包括非线性bowing行为。
• 建立一种计算上可行的方法，通过将体材料的bowing作为输入，避免自由参数，同时在小尺寸和大尺寸量子点中均保持高精度。

提出的方法

• 采用多带sp³经验紧束缚模型，使用定域于布喇菲晶格点上的Wannier型轨道来描述电子结构。
• 通过为每种组分x和尺寸生成50个不同的无序实现实例，显式处理无序，避免均场近似。
• 采用组态相互作用（CI）方案，从单粒子轨道和能量构建多体激子态。
• 在库仑矩阵元计算中采用一致的介电常数，以确保激子结合能的可靠性。
• 通过在CI子空间内对多体哈密顿量进行对角化，计算光学吸收和发射光谱。
• 将结果与Zhong等人报道的约3 nm CdₓZn₁₋ₓSe纳米晶体的实验数据进行比较，并外推至更大尺寸。

实验结果

研究问题

• RQ1 与均场近似相比，CdₓZn₁₋ₓSe量子点中的微观无序如何影响单粒子态和激子能级？
• RQ2 采用显式无序实现实例的多带紧束缚方法，能否再现实验中观察到的合金纳米晶体的非线性光学bowing行为？
• RQ3 随着量子点尺寸增大，光学带隙bowing行为在多大程度上收敛至体材料极限？
• RQ4 与完整的微观无序处理相比，改进的虚拟晶体近似（VCA）在预测光学性质方面的表现如何？
• RQ5 介电常数在确保混合AₓB₁₋ₓC体系中库仑相互作用计算的一致性和准确性方面起什么作用？

主要发现

• 采用显式无序实现实例的多带紧束缚模型，无需自由参数即可对约3 nm CdₓZn₁₋ₓSe纳米晶体的实验光学带隙bowing行为实现极佳的定量吻合。
• 该方法准确捕捉了光学跃迁能量的非线性浓度依赖性，其偏离线性行为显著，源于合金无序效应。
• 对于较大尺寸的量子点（约7 nm直径），光学bowing行为收敛至体材料极限，验证了该方法与宏观趋势的一致性。
• 改进的VCA无法准确描述光学性质，尤其在小尺寸量子点中表现不佳，原因在于其无法考虑局域涨落和展宽效应。
• 微观无序模型的系综平均结果与VCA预测存在显著偏差，尤其在低和中等Cd浓度区域。
• 该方法为预测合金量子点的光学光谱提供了一种可靠且无需参数化的手段，适用于化学合成和外延生长的体系。