The exciton spectrum of the cylindrical quantum dot - quantum ring semiconductor nanostructure in an electric field

І.С. Гнідко; В.І. Гуцул; І.П. Козярський; О.М. Маханець

doi:10.15330/pcss.23.4.793-800

Автор(и)

І.С. Гнідко Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, Україна
В.І. Гуцул Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, Україна
І.П. Козярський Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, Україна
О.М. Маханець Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.23.4.793-800

Ключові слова:

квантова точка, нанокільце, екситон, енергетичний спектр, інтенсивність, електричне поле

Анотація

У моделі ефективних мас та прямокутних потенціалів для електрона і дірки теоретично досліджено вплив однорідного електричного поля на енергетичний спектр та хвильові функції екситона та сили осциляторів міжзонних квантових переходів у напівпровідниковій (GaAs/Al_xGa_1-xAs) наноструктурі квантова точка – квантове кільце. Стаціонарні рівняння Шредінгера для невзаємодіючих квазічастинок за наявності електричного поля аналітично не розв’язуються. Для їх наближеного розв’язку невідомі хвильові функції шукаються у вигляді розкладу за повним набором циліндрично - симетричних хвильових функцій, а енергія електрона знаходиться із розв’язування відповідного секулярного рівняння. Енергія зв’язку екситона знаходиться з використанням теорії збурень.

Проаналізовано залежності енергетичних спектрів, хвильових функцій електрона, дірки й екситона та інтенсивностей міжзонних оптичних квантових переходів від величини напруженості електричного поля.

Посилання

T. Kuroda, T. Mano, T. Ochiai,. S.Sanguinetti, K.Sakoda, G.Kido and N.Koguchi, Optical transitions in quantum ring complexes, Physical Review B, 72(20), 205301 (2005); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.205301.

Yu. D. Sibirmovskii, I.S. Vasil’evskii, A.N. Vinichenko, I.S. Eremin, D.M. Znigunov, N.I. Kargin, O.S. Kolentsova, P.A. Martyuk, and M.N. Strikhanov, Photoluminescence of GaAs/AlGaAs quantum ring arrays, Semiconductors, 49(5), 638 (2015); https://doi.org/10.1134/S106378261505022X.

V.D. Pham, K. Kanisawa and S. Folsch, Quantum Rings Engineered by Atom Manipulation, Phys. Rev. Lett., 123, 066801 (2019); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.066801.

F. Suarez, D. Granados, M.L. Dotor, J.M. Garcia, Laser devices with stacked layers of InGaAs/GaAs quantum rings, Nanotechnology, 15, S126 (2004); https://doi.org/10.1088/0957-4484/15/4/003.

J.H. Dai, Y. Lin, S.Ch. Lee, Voltage Tunable Dual Band In(Ga)As Quantum Ring Infrared Photodetector, IEEE Photonics Technology Letters, 19(19), 1511 (2007); https://doi.org/10.1109/LPT.2007.903344.

M.J. Szopa, E. Zipper, Flux qubits on semiconducting quantum ring, Journal of Physics: Conference Series, 213, 012006 (2010); http://doi.org/10.1088/1742-6596/213/1/012006.

J.M. Llorens, C. Trallero-Giner, A. Garcıa-Cristobal, A. Cantarero, Electronic structure of a quantum ring in a lateral electric field, Physical Review B, 64, 035309 (2001); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.035309.

J.M. Llorens, C. Trallero-Giner, A. Garcia-Cristobal, A. Cantarero A., Energy levels of a quantum ring in a lateral electric field, Microelectronics Journal, 33, 355 (2002); http://doi.org/10.1016/S0026-2692(01)00131-8.

F.J. Culchac, N. Porras-Montenegro, J.C. Granada and A. Latge, Energy spectrum in a concentric double quantum ring of GaAs–(Ga,Al)As under applied magnetic fields, Microelectronics Journal, 39, 402 (2008); https://doi.org/10.1016/j.mejo.2007.07.063.

F.J. Culchac, N. Porras-Montenegro, A. Latge, GaAs–(Ga, Al)As double quantum rings: confinement and magnetic field effects, J. Phys.: Condens. Matter, 20(28), 285215 (2008); http://doi.org/10.1088/0953-8984/20/28/285215.

О.М. Маkhanets, V.I. Gutsul, A.I. Kuchak, Electron Energy Spectrum and Oscillator Strengths of Intra-band Quantum Transitions in Double Semiconductor Nanorings in Magnetic Field, Journal of Nano- and Electronic Physics, 9, 06015 (2017); http://doi.org/10.21272/jnep.9(6).06015.

O.M. Makhanets, V.I. Gutsul., A.I. Kuchak, Electron energy spectrum and oscillator strengths of quantum transitions in double quantum ring nanostructure driven by electric field, Condensed Matter Physics, 21(4), 43704 (2018); https://doi.org/10.48550/arXiv.1812.08551.

O.M. Makhanets, V.I. Gutsul, I.P. Koziarskyi, and A.I. Kuchak, Spectral Parameters of an Exciton in Double Semiconductor Quantum Rings in an Electric Field, Journal of Nano- and Electronic Physics, 13(2), 02024 (2021); https://doi.org/10.21272/jnep.13(2).02024.

A. Shahbandari, M.A. Yeranosyan, A.L. Vartanian, Polaron states in a double quantum ring structure in the presence of electric and magnetic fields, Superlattices and Microstructures, 57, 85 (2013); https://doi.org/10.1016/j.spmi.2013.01.011

A.S. Davydov, Quantum Mechanics (Pergamon Press, Oxford & New York, 1976).

M. Masale, Oscillator strengths for optical transitions in a hollow cylinder, Physica B, 292, 241 (2000); https://doi.org/10.1016/S0921-4526(00)00471-3.