BINDING ENERGY OF EXCITON IN QUANTUM DOTS
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BINDING ENERGY OF EXCITON IN QUANTUM DOTS
CommunicationsinPhysics,Vol.14,No.2(2004),pp.95–99
BINDINGENERGYOFEXCITONINQUANTUMDOTS
WITHTHECENTRAL-CELLCORRECTION
DEPENDINGONTHEDOTSIZES
TOTHITHAOANDNGUYENAIVIET
InstituteofPhysics&Electronics,VAST
Abstract.Thebindingenergyofexcitoninquantumdotswithaparaboliccon nementpotentialwascalculatedbyvariationalmethodsbeyondtheKohn-Luttingere ectivemasstheory,whenthecentral-cellcorrectionwastakenintoaccount.Wehaveassumedthatashortrangepotentialwithtwoparametersforstrengthandrangeforexciton,representingthecenter-celle ectalsodependsondotsize.Ourresultisingoodagreementwithexperiment.
I.INTRODUCTION
Semiconductornanoparticles-quantumdotshavebeenfabricatedandextensivelyinvestigatedinbothexperimentalandtheoreticalsides.Thequantumdotsaresuchsmallstructureasquasizero-dimensionalwithstrongcon nementinalldirections.Theelectronsandholesinquantumdotsarefullyquantizedinadiscretespectrumofenergylevels.Thestrongopticale ciencyobservedinquantumdotsmakesthempromisingcandidatesforoptolectronicandnanodevices[1,2].
Onewellknownthattheexcitonplayanimportantroleindeterminingtheopticalpropertiesofsystem.Thestudyofexcitonstatesinquantumdotsisarelevantaspecttowhichmanytheoreticalworkshavebeendevoted[3,4,5,6,7,8,9,10].
Thee ectivemasstheoryprovidesasimpletheoreticalmodeltocalculatebindingenergiesofexcitonsinquantumdots[3,4,5].Accordingtothismodel,theexcitonproblemisahydrogenatomembeddedinadiecletricmediumwithamassrenormalization(e ectivemass)fortheelectron-holepair.Whilethebindingenergyofexcitoninbigquantumdotsaredescribedquiteaccurately,therearelargedeviationforthebindingofsmallquantumdotsfromthosepredictedbythise ectivemasstheory.ThisCoulombicpotential(e2/ 0)assumedinthebreakdownofconceptofthestaticdielectricconstantandacorrectioncanbee ectivebyusingproperscreeningfunction (r)approaching 0asr→∞.
Recentlysomeauthors[11,12]havestudiedthecentral-cellcorrectionsfordonorsinsemiconductorsasanalogyproblemofexcitons.Beyondthee ectivemasstheory,insteadoftheCoulombicpotentialtheyhaveassumedashortrangepotentialwithtwoparametersforthestrengthandtherangefordonors,representingthecentral-celle ects.Inthiswork,usingthatideaweinvestigatetheproblemofexcitonsinsmallquantumdots.
Assumingthesametwoparametersmodelpotentiallikeinthecentral-cellcorrec-tionsproblem,wewillshowthatthebindingenergiesofexcitonsincreasewithreducingofthedotradiusR.
96TOTHITHAOANDNGUYENAIVIET
II.MODELHAMILTONIAN
Letusconsidertheconductionbandandvalencebandaresphericalwithe ective
massesm eandmhfortheelectronandhole.TheHamiltonianforanexcitoninspherical
quantumdotsisde nedas
2 2ppeHx=Eg++h +Vconf(r e,r h)+Uc(r e r h), 2me2mh(1)
inwhichEgisthebandgap,Vconf(r e,r h)isthecon nementpotentialfortheelectronandhole,whichcanbecalculatedapproximatelybyuseasimpleone-parameterparabolicpotential[4,5]2ωc2 2Vconf(r e,r h)=(2)(m ere+mhrh).2
TheparameterωcwillbechosenlaterbychangingtheradiusofquantumdotinEq.(8).
Thelasttermofequation(1)Uc(r e r h)istheparametere ectivepotentialrepre-sentingthedeviationfromthee ectivemasstheory,whichis
e2r2V0Uc( r)= [1+4/3exp( 2)], rλR(3)
where isthestaticdielectricconstant,Risdotradius,V0andλareparametersrepre-sentingthestrengthandtherangeofthepotentialinthecentral-cellregion,resp.
ThecrucialpropertyoftheparabolicpotentialisthattheHamiltonian(1)issepa-rableuponintroducingthecentral-of-massandrelativetransformationsforthecoordinateandmomentum[5,6].TheHamiltonianofcentral-of-massmotionisidenti edtobethewellknownoscillatoronewiththelowestenergylevelERO=32 ωc.TheHamiltonianoftherelativemotionequals
p2
Hr=(4)+Vc(r)+Uc(r),2µ
whereµ=m r=r e r h,emh/(me+mh)isthereducedmassoftheelectron-holepair,
andVc(r)iscon nementpotentialfortherelativemotion
122Vc(r)=µωcr.2
ChoosingtheexcitonRydbergenergyER=µe4/2 2 2astheunitofenergyandax=astheunitoflength,theHamiltonianHrindimensionlessformcanbewrittenas
γ2222H= +ξ (1+ve αξ),9ξ
whereξisthedimensionlessvariable;v,α,γarethedimensionlessparameters:
ra23 ωcV0ξ=,α=x,γ=,v=.axλ22ERR4/3(5) 2µe2(6)(7)
BINDINGENERGYOFEXCITONINQUANTUMDOTS...97
WewillpresentourresultsintermoftheunitofenergyER.
II.1.Bindingenergyofexcitonwithoutthecorrection
Whentheinteractionbetweentheelectronandholeisomitted,wehaveasimplerelationbetweentheparameterωcanddotsizeRas
π21ωc=.3µR2(8)
IncaseofV0=0,thepotentialUcin(3)http://wendang.chazidian.comingatrialfunction
ψ0(ξ)=N0e1 4aξ2
0,(9)
wherea0isthevariationparameterandN0isthenormalizationconstant.From(6)and
(9)weobtain
22π312<H>0=2 +a20γ.a034a0 (10)
Thevariationalparametera0canbeobtainedbydemanding <H>0/ a0=0.Thedotsizesarechangedbyparameterγ(see(7)and(8)).Minimizing<H>0withrespecttoa0,theminimumexcitonenergywasfound.OurresultispresentedinFig.1.Thisresultissimilartotheoneofotherauthors[1,2,3].
内容需要下载文档才能查看Fig.1.Thedashedlineisthesphericalcon nementpotentialmodelresult[11],the
solidlineisourresultandthedotsareexperimentresult[1].
98TOTHITHAOANDNGUYENAIVIET
Forcomparison,wealsoplottedthesevaluesobtainedbyusingthesphericalcon- nementpotentialmodel[1,2]
Eex 1.786e2 2π211 =+ 0.248ER,2R2memh R(11)
wheremeandmharee ectivemassesofelectronandhole,Risradiusofquantumdot, isdielectricconstantandERisbulkexcitonbindingenergy.
II.2.Bindingenergyofexcitonwiththecorrection
Inthissection,westudythecontributionofthebeyonde http://wendang.chazidian.comingatrailwavefunctionasinequation(9)
ψ0(ξ)=Ne 4aξ,12(12)
whereaandNisthedimensionlessvariationalparameterandnormalizationconstant,resp.TheexpectationvalueofHamiltonian(6)becomes
12262232<H>=γα+9(1+2aα)+4a(aγ 12[ 24a(1+v)+8aα)],(13)2(a2+2a4α)ππ
herev,αandγandhavethesamemeaningasin(7).
Similarly,thedotsizecanbechangedbychangingγ.Inotherwords,thecenter-celle ectcanbedescribedbychangingthedotsizeR.
内容需要下载文档才能查看Fig.2.Thedashedlineandthesolidlineisthesphericalcon nementpotentialmodel
result[11]andourresult,respectively.Thedotsareexperimentalresult[1].
Theminimumexcitonenergy,E Eg,wasfoundbyminimizingtheexpectationvaluesuccessivelywithrespecttoa.IntheunitofER,theenergyofexcitonversusthe
BINDINGENERGYOFEXCITONINQUANTUMDOTS...99
parameterV0andλispresentedinFig.2.Notethatthecorrectionenhancesthebindingenergyofexciton.
Insummary,westudyapresentsimplemodelforexcitons,whicharecon nedinaquantumdot,whenthedeviationsfrome ectivemasstheorywastakenintoaccountbyusingamodi edCoulombpotentiallikein[11].ThebindingenergyofexcitoncanbecalculatedbyusingEb=γ <H>min,where<H>minisexpressedinunitsoftheRydbergenergyER.ItispresentedinFig.3.Thecentral-cellcorrectionenhancesthebindingenergyofexcitonconsiderably.
内容需要下载文档才能查看Fig.3.The[11],the
solidlineisourresult.
ACKNOWLEDGMENT
ThisworkissupportedbytheNationalprogramonBasicsResearch4.1.1601:“Theoryoflowdimensionalsystemsandnano-structures”.
REFERENCES
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Received17January2003
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