Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8560
Main Title: Electronic and phononic states of quantum structures
Translated Title: Elektronische und phononische Zustände von Quantenstrukturen
Author(s): Westerkamp, Steffen
Advisor(s): Hoffmann, Axel
Referee(s): Hoffmann, Axel
auf der Maur, Matthias
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Colloidal core-shell semiconductor quantum dots present a fascinating field in both semiconductor research and applications, because they share many properties with more conventional quantum dots embedded in bulk semiconductor materials, such as quantum dots produced via a Stranski-Krastanov process. Yet they are are both much simpler to produce, being the product of chemical synthesis methods, and, for this reason, their production is also much simpler to scale, making them very promising as a low-cost industrial substitute to quantum dots produced using high tech MOCVD machinery. This advantage brings with it some challenges with regards to the control of the chemical synthesis process, but at this time, it is possible to mass produce colloidal quantum dots with very precise sizes and material compositions. There have been theoretical studies of the electronic structure of colloidal core-shell quantum dots, but some aspects that have been thoroughly studied in Stranski-Krastanov quantum dots have so far not been the focus of the theoretical description of colloidal quantum dots. These are the influences the internal electric potentials, which arise in semiconductor heterostructures, can have on the electronic structure of the quantum dots. In this work, we compute both the piezoelectric potentials, which arise due to the strain imposed on the lattice structure due to the lattice constant mismatch between core and shell material, as well as the pyroelectric potentials, which are present only in semiconductor heterostructures with wurtzite lattice structure. These potentials are then employed in our calculations of the electronic structure of col- loidal quantum dots, performed for quantum dots with zincblende and wurtzite lattice structure using 8-band k·p theory. We present results both for the single-particle picture and the multi-particle picture, derived using an iterative Hartree-Fock approach. Our calculations show that the influence of the internal potentials differs strongly between the two considered lattice structures: while for zincblende the changes in electronic struc- ture induced by the internal potentials are negligible, for quantum dots with wurtzite lattice structure we observe profound changes when internal potentials are incorporated: electron- and hole-wavefunctions are spatially separated, and their energy difference is strongly redshifted, an effect also observed for polar semiconductor heterostructures in bulk materials and usually named the quantum confined Stark effect. Additionally, we present calculations performed for non-spherical quantum dots, modeled by us as ellipsoids. We find that deviations from sphericity lift degeneracies in the energy structure, and also shift the effective bandgap of the quantum dots. Insight into the excitonic properties is shown via the multiparticle calculations, here we observe, for wurtzite quantum dots, that the excitonic ground state is not entirely spin-polarized, leading to a non-zero matrix-element, and therefore luminescence from the ground state. This is in contrast to previous work, which characterised this ground state as a dark state. Our analysis of the vibrational properties of the quantum dots lead to the following insights: The vibrational eigenmodes, or phonons, of the system can be classified into distict groups, differentiated by their energies. The phonons in a group all show similar distribu- 2tions of their atomic dynamics; while some groups closely resemble bulk phonons, others show a very localised dynamics that more resembles molecular vibrations. When we determine the coupling of the phonons to different transitions in the excitonic system, we find that only a small percentage of phonons show significant coupling, and those who do are constrained to small parts of the energy scale, leading to the formation of peaks in the coupling spectra. Furthermore, most phonons that exhibit significant coupling are found to display a bulk-phonon-like dynamics distribution.
Kolloidale core-shell Quantenpunkte sind ein faszinierendes Feld in der Halbleiter-Forschung und in ihrer Anwendung, da sie viele Eigenschaften von etablierteren Quantenpunkten teilen, etwa Quantenpunkten, welche im Stranski-Krastanov Wachstumsmodus hergestellt wurden. Zugleich sind kolloidale Quantenpunkte jedoch mit sehr viel einfacheren Verfahren zu produzieren, da sie das Produkt chemischer Syntheseverfahren sind, welche auch deutlich leichter im Produktionsvolumen zu skalieren sind als die sehr aufwändige und teure Herstellung mit z.B. MOCVD-Verfahren. Dieser Vorteil bringt auch Herausforderungen mit sich, da chemische Herstellungsprozesse nicht notwendigerweise dieselbe Präzision wie MOCVD-Verfahren aufweisen, es ist jedoch mittlerweile möglich, sehr präzise kolloidale Quantenpunkte, in Bezug auf ihre Größe und chemische Komposition in Masse zu produzieren. Die bisherige theoretische Behandlung der elektronischen Eigenschaften dieser Quanten- punkte hat einige Aspekte, welche bei selbstorganisierten Quantenpunkten bereits seit langem im Detail untersucht wurden, nicht in vollem Umfang mit einbezogen. Dies sind insbesondere die internen elektrischen Potentiale, welche in Halbleiter-Heterostrukturen jeder Art auftreten, und die Auswirkungen dieser Potentiale auf die elektronische Struk- tur. In dieser Arbeit präsentieren wir Berechnungen der elektronischen Struktur für kolloidale core-shell Quantenpunkte für zwei verschiedene Gitterstrukturen: Zinkblende und Wurtzit. Wir berechnen sowohl piezoelektrische Potentiale, welche durch die Verzerrung der Git- terstruktur innerhalb der Quantenpunkte entstehen, welche durch die unterschiedlichen Gitterkonstanten der zwei Materialien ausgelöst wird, als auch die pyroelektrischen Potentiale, welche für Wurtzit-Heterostrukturen auftreten. Diese Potentiale werden dann in die Berechnung der elektronischen Struktur, welche mithilfe von 8 Band k·p Theorie durchgeführt wird, einbezogen. Wir präsentieren Ergebnisse sowohl im Einteilchen-Bild als auch für Exzitonen im Mehrteilchenbild. Die exzitonischen Zustände werden durch in iteratives Hartree-Fock Verfahren berechnet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss der internen Potentiale für die beiden betra- chteten Gitterstrukturen sehr unterschiedlich ausfällt: während die Änderungen der elektronischen Struktur durch die Potentiale für Zinkblende-Quantenpunkte vernachlässigbar sind, gibt es einen starken Einfluss für Wurtzit-Quantenpunkte: hier beobachten wir zum einen eine räumliche Trennung von Elektronen- und Loch-Wellenfunktionen, als auch eine starke Rotverschiebung ihrer Energiedifferenz. Dieses Phänomen wird im Forschungsfeld selbstorganisierter Quantenpunkte und Quantenwells als quantum confined Stark effect bezeichnet. Zusätzlich präsentieren wir Ergebnisse für nicht-sphärische Quantenpunkte, welche von uns als Ellipsoide modelliert werden: hier finden wir, dass Abweichungen von der Kugelform sowohl Entartungen in der Energiestruktur der Zustände aufbrechen, als auch die effektive Bandlücke verschieben können. Aus den Berechnungen der exzitonischen Zustände lernen wir, dass der Grundzustand, welcher in vorherigen theoretischen Betrachtungen von kolloidalen Quantenpunkten stets 4als dark state betrachtet wurde, nicht komplett spin-polarisiert ist, und daher ein nicht-verschwindendes Matrixelement hat, also Lumineszenz zeigt. Unsere Analyse der Schwingungseigenschaften der Quantenpunkte liefert uns folgende Erkenntnisse: die Schwingungs-Eigenmoden, oder Phononen, des Systems können in klar voneinander abgegrenzte Gruppen eingeteilt werden, wobei die Gruppen anhand der Schwingungsen- ergien klassifiziert werden können. Die Phononen innerhalb einer Gruppe zeigen sehr ähn- liche räumliche Verteilungen ihrer atomaren Dynamik; während die Phononen in einigen Gruppen eine Dynamik zeigen, die sehr der Dynamik von Phononen in Bulk-Halbleitern ähnelt, ist die Dynamik der Phononen in anderen Gruppen sehr stark räumlich lokalisiert, und ähnelt eher Molekül-Schwingungen. Die Untersuchung der Kopplungsstärke der atomaren Schwingungen an verschiedene Übergänge des exzitonischen Systems brachte uns folgende Erkenntnis: nur ein kleiner Prozentsatz der Schwingungs-Eigenmoden zeigt eine signifikante Kopplung, und diese Schwingungsmoden liegen in wenigen, kleinen Teilen der Energie-Skala, was dazu führt, dass die Kopplungs- Spektren klare Peaks zeigen. Ausserdem zeigen die meisten Phononen, welche an das elektronische System koppeln eine atomare Dynamik, ähnlich der von Bulk-Halbleiter-Phononen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9509
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8560
Exam Date: 23-May-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 21-Jun-2019
DDC Class: 539 Moderne Physik
Subject(s): physics
semiconductors
kp theory
quantum dots
Physik
Halbleiter
kp-Theorie
Quantenpunkte
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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