Electron energy spectrum of separated and fused spherical quantum dots

Editorial Board PCSS Journal; Р.Я. Лешко; О.В. Лешко; І.В. Білинський; Я.Ю. Мельник; А.О. Очеретяний; О.І. Чекін; М.В. Квик

doi:10.15330/pcss.27.3.525-531

Автор(и)

Р.Я. Лешко Кафедра фізики та інформаційних систем, Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, м. Дрогобич, Україна
О.В. Лешко Кафедра фізики та інформаційних систем, Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, м. Дрогобич, Україна
І.В. Білинський Кафедра фізики та методики її викладання, Криворізький державний педагогічний університет, м. Кривий Ріг, Україна
Я.Ю. Мельник Кафедра фізики та методики її викладання, Криворізький державний педагогічний університет, м. Кривий Ріг, Україна
А.О. Очеретяний Кафедра фізики та методики її викладання, Криворізький державний педагогічний університет, м. Кривий Ріг, Україна
О.І. Чекін Кафедра фізики та методики її викладання, Криворізький державний педагогічний університет, м. Кривий Ріг, Україна
М.В. Квик Кафедра фізики та методики її викладання, Криворізький державний педагогічний університет, м. Кривий Ріг, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.3.525-531

Ключові слова:

злиті та зв'язані квантові точки, енергетичний спектр електрона, гібридизація хвильових функцій

Анотація

Пропонується ефективний напіваналітичний підхід для моделювання електронних станів у злитих сферичних квантових точках, заснований на виведенні точного аналітичного перетворення Фур'є їх тривимірної функції форми за допомогою циліндричних функцій Бесселя. Цей математичний підхід дозволяє безпосередньо застосовувати метод розкладання за плоскими хвилями до систем зі складною, несепарабельною геометрією. Для гетероструктури GaAs/AlGaAs показано, що зменшення міжцентрової відстані D спричиняє монотонне зниження енергій електрона, тоді як у режимі сильного геометричного перекриття (D < 2a) квантово-механічна гібридизація розщеплює рівні енергії на симетричні та антисиметричні стани. Графіки просторового розподілу густини ймовірності наочно демонструють перехід від режиму слабкого тунелювання (молекулярноподібні стани) до сильно зв'язаної наноструктури у формі гантелі.

Посилання

F. Pelayo García de Arquer et al., Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges, Science, 373, eaaz8541 (2021); https://doi.org/10.1126/science.aaz8541.

S. Koley, J. Cui, Y. E. Panfil, and U. Banin, Coupled Colloidal Quantum Dot Molecules, Acc. Chem. Res, 54. 1178 (2021); https://doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00691.

J. Cui, Y.E. Panfil, S. Koley, et al., Colloidal quantum dot molecules manifesting quantum coupling at room temperature, Nature Communication, 10, 5401 (2019); https://doi.org/10.1038/s41467-019-13349-1.

Eunjoo Jang, Hyosook Jang, Review: Quantum Dot Light-Emitting Diodes, Chemical Reviews, 123 (8), 4663 (2023); https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00695.

P. Senellart, G. Solomon & A. White, High-performance semiconductor quantum-dot single-photon sources, Nature Nanotechnology, 12, 1026 (2017); https://doi.org/10.1038/nnano.2017.218.

Stefania Castelletto, Alberto Boretti, Luminescence solar concentrators: A technology update, Nano Energy, 109, 108269 (2023); https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108269.

I. Medintz, H. Uyeda, E. Goldman, et al., Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing, Nature Mater, 4, 435 (2005); https://doi.org/10.1038/nmat1390.

Hancong Li, Qiming Peng, Xiulai Xu, Jianpu Wang, Quantum dots for optoelectronics, Advanced Photonics, 5(6), 060503 (2023); https://doi.org/10.1117/1.AP.5.6.060503.

Liberato Manna, The Bright and Enlightening Science of Quantum Dots, Nano Letters, 23. 9673 (2023); https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03904.

G.A. Mantashian, P. A. Mantashyan, D. B. Hayrapetyan, Modeling of Quantum Dots with the Finite Element Method, Computation, 11. 5 (2023); https://doi.org/10.3390/computation11010005.

J. Ahmed, S. Sharma, K. V. Ramanujachary, S. E. Lofland, A. K. Ganguli, Microemulsion-mediated synthesis of cobalt (pure fcc and hexagonal phases) and cobalt-nickel alloy nanoparticles, Journal of Colloid and Interface Science, 336(15), 814 (2009); https://doi.org/10.1016/j.jcis.2009.04.062.

J.S. Hu, Y.G. Guo, H.P. Liang, L.J. Wan, L. Jiang, Three-dimensional selforganization of supramolecular self-assembled porphyrin hollow hexagonal nanoprisms, Journal of the American Chemical Society, 127(48), 17090 (2005); https://doi.org/10.1021/ja0553912.

M. Jitianu, D. V. Goia, Zinc oxide colloids with controlled size, shape, and structure, Journal of Colloid and Interface Science, 309(1), 78 (2007); https://doi.org/10.1016/j.jcis.2006.12.020.

X. Qu, L. Omar, T. B. H. Le, L. Tetley, K. Bolton, K. W. Chooi, W. Wang, I. F. Uchegbu, Polymeric Amphiphile Branching Leads to Rare Nanodisc Shaped Planar Self-Assemblies, Langmuir, 24(18), 9997 (2008); https://doi.org/10.1021/la8007848.

Vincent Notot, Willem Walravens, Maxime Berthe, Nemanja Peric, Ahmed Addad, Xavier Wallart, Christophe Delerue, Zeger Hens, Bruno Grandidier, and Louis Biadala, Quantum Dot Acceptors in Two-Dimensional Epitaxially Fused PbSe Quantum Dot Superlattices, ACS Nano, 16, 3081 (2022); https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10596.

A. Abelson, C. Qian, T. Salk, et al., Collective topo-epitaxy in the self-assembly of a 3D quantum dot superlattice, Nature Materials, 19, 49 (2020); https://doi.org/10.1038/s41563-019-0485-2.

Philipp Schapotschnikow, Marijn A. van Huis, Henny W. Zandbergen, Daniël Vanmaekelbergh, and Thijs J. H. Vlugt, Morphological Transformations and Fusion of PbSe Nanocrystals Studied Using Atomistic Simulations, Nano Letters, 10, 3966 (2010); https://doi.org/10.1021/nl101793b.

Luis Tortajada, Lucas V. Besteiro, Murilo L. Tiago, L. J. Gallego, James R. Chelikowsky, and M. M. G. Alemany, Multidimensional nanoscale materials from fused quantum dots, Phys. Rev. B, 84, 205326 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.205326.

Tewodros Adaro Gatissa, Teshome Senbeta Debela, Belayneh Mesfin Ali, Effect of cubic and spherical quantum dot size and size dispersion on the performance of quantum dot solar cells, AIP Advances, 14, 015236 (2024); https://doi.org/10.1063/5.0184745.

Wei Li, Thomas M. Sabel. Reinvestigation of quantum dot symmetry: the symmetric group of the 8-band k⋅p theory Hamiltonian, Journal of Nanoparticle Research, 21, 16 (2019); https://doi.org/10.1007/s11051-018-4448-3.

F.A. Donado, F.G. Almanza, C.F. Viña, and al., Impact of Nonresonant Intense Laser and Electric Fields on a Low-Dimensional CdTe/CdSe Type-II Cone, Nanomaterials, 15, 1208 (2025); https://doi.org/10.3390/nano15151208.

V. Hols'kyi, R. Leshko, The influence of deformations on single electron states in a molecule formed from three quantum dots of the heterosystem InAs/GaAs, Physics and Chemistry of Solid State, 23(4), 686 (2022); https://doi.org/10.15330/pcss.23.4.686-692.

R. Ya. Leshko, I. V. Bilynskyi, O. V. Leshko, M. A. Slusarenko, Electron energy spectrum of the non-concentric spherical core-shell quantum dot, Micro and Nanostructures, 181, 207615 (2023); https://doi.org/10.1016/j.micrna.2023.207615.

R. Ya. Leshko, O. V. Leshko, I. V. Bilynskyi, M. V. Kvyk, Ya. Yu. Melnyk, A.O. Ocheretyanyi, M. Yu. Popov, Electron and hole energy spectra in a non-concentric spherical core-shell quantum dot under a magnetic field, Physics Letters A, 562, 130996 (2025); https://doi.org/10.1016/j.physleta.2025.130996.

I. Bilynskyi, R. Leshko, O. Leshko, H. Terletska, R. Pazuyk, & K. Voitovych, Impurity states in non-concentric spherical core-shell quantum dot, Physics and Chemistry of Solid State, 25(1), 98 (2024); https://doi.org/10.15330/pcss.25.1.98-103.

Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Binding energy of a hydrogenic donor impurity in a rectangular parallelepiped-shaped quantum dot: Quantum confinement and Stark effects, Journal of Applied Physics, 101, 093716 (2007); http://dx.doi.org/10.1063/1.2734097.

S. Sanguinetti, K. Watanabe, T. Tateno, M. Gurioli, P. Werner, M. Wakaki, N. Koguchi, Modified droplet epitaxy GaAs/AlGaAs quantum dots grown on a variable thickness wetting layer, Journal of Crystal Growth, 253(1–4), 71 (2003); https://doi.org/10.1016/S0022-0248(03)01016-9.

S. Bietti, F.B. Basset, A. Tuktamyshev, et al, High–temperature droplet epitaxy of symmetric GaAs/AlGaAs quantum dots, Scientific Reports, 10, 6532 (2020); https://doi.org/10.1038/s41598-020-62248-9.

P. Harrison and A. Valavanis, Quantum Wells, Wires and Dots: Theoretical and Computational Physics of Semiconductor Nanostructures, 4th ed. (John Wiley & Sons, Chichester, 2016).