半导体纳米薄膜中的横向量子限域：光学光谱与多重激子产生

我们报道了 Si 和 SnO$_2$ 多晶纳米薄膜在紫外 - 可见 - 近红外 (UV-Vis-NIR) 范围内的吸收和光致发光光谱，其特征是由横向量子限域导致的离散能带。薄膜厚度随材料不同而在 3.9 nm 至 12.2 nm 之间变化。结果在方势阱模型内进行解释，其中势阱宽度等于层的质量厚度。能级和跃迁随薄膜厚度的平方反比缩放。计算得到的有效电子质量值与薄膜厚度无关，分别为 0.17$m_o$ (Si) 和 0.21$m_o$ (SnO$_2$)，其中 $m_o$ 为自由电子质量。有效质量值的不确定性约为 2.5%，由薄膜厚度校准决定。第二个计算模型参数，即 HOMO 的量子数 $n$，也与厚度无关：8.00 (Si) 和 7.00 (SnO$_2$)。这表明在这些纳米薄膜中，费米能级也应随薄膜厚度的平方反比缩放。观察到的跃迁均始于能级 $n$，对应于 {\Delta}$n$ = 1, 2, 3 等。光致发光带表现出大的斯托克斯位移，并随激发能量增加向更高能量移动。光致发光量子产率超过 1，显示出每个吸收光子产生多重激子的证据。原型 Si-SnO$_2$ 纳米薄膜光伏电池展示了光电子产率随光子能量增加而增加，证实了多重激子产生的存在。