Fine structure and size dependence of exciton and biexciton optical spectra in CdSe nanocrystals

Abstract

Theory of electronic and optical properties of exciton and bi-exciton complexes confined in CdSe spherical nanocrystals is presented. The electron and hole states are computed using atomistic sp 3 d 5 s * tight binding Hamiltonian including an effective crystal field splitting, spin-orbit interactions, and model surface passivation. The optically excited states are expanded in electron-hole configurations and the many-body spectrum is computed in the configuration-interaction approach. Results demonstrate that the low-energy electron spectrum is organized in shells (s, p, . . . ), whilst the valence hole spectrum is composed of four low-lying, doubly degenerate states separated from the rest by a gap. As a result, the bi-exciton and exciton spectrum is composed of a manifold of closely lying states, resulting in a fine structure of exciton and bi-exciton spectra. The quasi-degenerate nature of the hole spectrum results in a correlated bi-exciton state, which makes it slowly convergent with basis size. We carry out a systematic study of the exciton and bi-exciton emission spectra as a function of the nanocrystal diameter and find that the interplay of repulsion between constituent excitons and correlation effects results in a change of the sign of bi-exciton binding energy from negative to positive at a critical nanocrystal size.

Origins of improved carrier multiplication efficiency in elongated semiconductor nanostructures

“…The electronic structure of semiconductor nanocrystals has been previously investigated using a variety of theoretical approaches: (i) effective mass models and k · p methods 38-41 , often provide analytical solutions which are easier and more intuitive to understand than the numerical results of atomistic methods, such as (ii) the tight-binding method [42][43][44][45][46][47] , (iii) the semi-empirical pseudo-potential method, 48,49 , and (iv) fully self-consistent ab-initio methods, based on density functional theory [50][51][52][53][54][55][56][57] .…”

Спиновая Физика Экситонов В Коллоидных Нанокристаллах

“…Поэтому экситонные эф-фекты, в особенности обменное взаимодействие элек-трона и дырки, возрастающее как ∝ (a ex /a) 3 с умень-шением радиуса QD, становятся критически важными для описания спектров ФЛ. При низких температурах, фотовозбуждение носителей в коллоидных нанострукту-рах сопровождается их быстрой релаксацией в нижнее энергетическое состояние, которое является оптически пассивным (запрещенным по спину) темным экситоном |F и сдвинуто по энергии на E AF ≈ 1−20 meV от оп-тически разрешенного светлого экситона |A [22,[24][25][26][27][28][29][30][31][32][33]. Однако практически во всех коллоидных структурах, в отличие от большинства эпитаксиальных, излучатель-ная рекомбинация темного экситона оказывается не полностью запрещенной, и, в силу преимущественной заселенности, доминирует в спектрах ФЛ при низких температурах.…”

Биэкситон В Квантовых Точках a-=sub=-2-=/Sub=-B-=sub=-6-=/Sub=- С Различными Локализующими Потенциалами

“…Ключевой параметр -энергия связи биэкситона -зависит от корреляций между состояни-ями электронов и дырок, определяющих баланс между кулоновским притяжением и отталкиванием. В предше-ствующих работах учет корреляций производился в рам-ках методов псевдопотенциала [27] и сильной связи [28], метода численной матричной диагонализации [29], тео-рии возмущений второго [22] и третьего [23] порядков, а также с применением вариационного расчета в рамках k p-теории возмущений [1, [24][25][26], причем вариационный метод обеспечивает компромисс между точностью и трудоемкостью вычислений. Для плавного потенциала, в котором влияние интерфейсных эффектов минимально, использовать вариационный метод тем более удобно, что отсутствует проблема постановки граничных условий.…”