[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究探究了多晶硅和SnO₂纳米薄膜（厚度3.9–12.2 nm）中的横向量子限制效应，发现离散的光学跃迁可由粒子在盒模型解释。主要发现包括：硅和SnO₂的有效质量与厚度无关（分别为0.17m₀和0.21m₀），最高 occupied分子轨道（HOMO）的量子数分别为8.00和7.00，光致发光量子产率大于1，表明存在多激子生成，该结论通过原型硅-二氧化锡太阳能电池中光电子发射增强得到证实。

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.

研究动机与目标

• 研究半导体纳米薄膜在横向量子限制下的光学谱特性。
• 确定薄膜厚度对电子能级和光学跃迁的影响。
• 评估硅和SnO₂纳米薄膜中多激子生成的潜力。
• 验证粒子在盒模型在预测能级随薄膜厚度变化规律方面的适用性。
• 在原型纳米薄膜光伏器件中提供多激子生成的实验证据。

提出的方法

• 测量了多晶硅和SnO₂纳米薄膜在紫外-可见-近红外波段的吸收和光致发光光谱。
• 采用粒子在盒模型，将盒宽设为薄膜质量厚度，以解释离散的光学跃迁。
• 通过薄膜厚度的倒数平方与能级标度的关系，提取有效电子质量及最高占据分子轨道的量子数（n）。
• 基于薄膜厚度校准精度（约2.5%）计算有效质量值的不确定性。
• 分析光致发光中的斯托克斯位移随激发能量的变化关系。
• 构建了原型硅-SnO₂纳米薄膜光伏器件，以测试光电子发射对光子能量的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 薄膜厚度和横向量子限制如何影响硅和SnO₂纳米薄膜的光学谱？
• RQ2 这些纳米薄膜中的有效电子质量是否与厚度相关？其数值是多少？
• RQ3 最高占据分子轨道（HOMO）的量子数是多少？它是否随薄膜厚度变化？
• RQ4 这些纳米薄膜是否表现出多激子生成，如光致发光量子产率超过1所指示的那样？
• RQ5 原型光伏器件中光电子发射的增强是否可证实多激子生成？

主要发现

• 发现有效电子质量与厚度无关：硅为0.17m₀，SnO₂为0.21m₀，厚度校准带来的不确定性约为2.5%。
• HOMO量子数n在所有薄膜厚度下保持恒定：硅为8.00，SnO₂为7.00。
• 能级和光学跃迁与薄膜厚度的平方成反比，与粒子在盒模型一致。
• 光致发光带表现出较大的斯托克斯位移，且随激发能量增加而增大，表明存在强电子-声子耦合。
• 光致发光量子产率超过1，为多激子生成提供了直接证据。
• 原型硅-SnO₂纳米薄膜光伏器件在较高光子能量下表现出增强的光电子发射，支持多激子生成的存在。