ស៊េរីនៅលើ TAS - កម្មវិធីនៅក្នុង Semiconductor Nanocrystal និង Quantum Dot Systems

វិសាលគមស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្ន បន្ថែមពីលើកម្មវិធីរបស់វាក្នុងការសិក្សាអំពីប្រព័ន្ធម៉ូលេគុល គឺជាវិធីសាស្ត្របច្ចេកទេសដ៏សំខាន់មួយសម្រាប់ស្វែងរកសក្ដានុពលនៃរដ្ឋរំភើបនៃ nanocrystals semiconductor ឬ quantum dots ។ នៅក្នុងការពិភាក្សានេះ យើងនឹងប្រើប្រាស់ចំណុចក្វាន់តុំនៃសារធាតុ semiconductor ជាឧទាហរណ៍មួយ ដើម្បីបញ្ជាក់អំពីគោលការណ៍គ្រឹះនៃ spectroscopy ស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្ន ក្នុងការស្វែងរកដំណើរការថាមវន្តនៃវត្ថុធាតុទាំងនោះ។

01 ប្រព័ន្ធណាណូគ្រីស្តាល់ semiconductor

    

Semiconductor quantum dots គឺជាសមា្ភារៈនៃការបង្ខាំង quantum ហើយលក្ខណៈវិសាលគមបណ្តោះអាសន្នរបស់ពួកគេបង្ហាញភាពស្រដៀងគ្នាជាច្រើនទៅនឹងវត្ថុធាតុម៉ូលេគុល។ នៅក្នុងអត្ថបទនេះ ការបង្កើតសញ្ញាដែលត្រូវគ្នានឹងលក្ខណៈនៃវិសាលគមស្រូបយកបណ្តោះអាសន្នក៏នឹងត្រូវបានពន្យល់ផងដែរ ដោយអនុលោមតាមដំណើរការផ្លាស់ប្តូរអេឡិចត្រូនិផ្សេងគ្នាដែលអាចរកឃើញដោយវិសាលគមបណ្តោះអាសន្ន។

02 រដ្ឋរំភើប

រូបភាពទី 1a បង្ហាញពីវិសាលគមស្រូបស្រូបក្នុងស្ថានភាពស្ថិរភាព (ស្ថានភាពដី) នៃចំនុច Quantum II-VI ធម្មតា (ដូចជា CdS, CdSe ជាដើម) ដែលជាធម្មតាគេសង្កេតឃើញកំពូលនៃការស្រូបទាញលេចធ្លោពីរ។ កំពូលទាំងនេះត្រូវបានកំណត់គុណលក្ខណៈដំបូង (គែមក្រុម) exciton (exciton នៅគែមក្រុម) កំពូលស្រូបយក (1) និងកំពូលស្រូបយកថាមពលខ្ពស់ (2) ។ ដំណើរការផ្លាស់ប្តូរអេឡិចត្រូនិចដែលត្រូវគ្នាត្រូវបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 1 ខ។ បន្ទាប់ពីគំរូមានការរំភើប (ជាមួយនឹងចំណុចមួយចំនួនដែលផ្លាស់ប្តូរទៅស្ថានភាពរំភើប) វិសាលគមស្រូបរបស់វាឆ្លងកាត់ការផ្លាស់ប្តូរលក្ខណៈជាច្រើននៅក្នុងការប្រៀបធៀបទៅនឹងចំនុចនោះមុនពេលរំភើប (ស្ថានភាពដី) (រូបភាពទី 2) ។

ទីមួយ អាំងតង់ស៊ីតេនៃការស្រូបយកកំពូល 1 មានការថយចុះ អមដោយកម្រិតជាក់លាក់នៃការផ្លាស់ប្តូរវិសាលគម។ ទីពីរ ការស្រូបយកកំពូល 2 ជាធម្មតាក៏ឆ្លងកាត់កម្រិតជាក់លាក់នៃការផ្លាស់ប្តូរក្រហមផងដែរ។ ផ្នែកមួយនៃបំរែបំរួលនេះគឺដោយសារចំនុច quantum ផ្លាស់ប្តូរទៅជាស្ថានភាពរំភើប ដូចដែលបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 2b។ នៅពេលមានការរំភើបនៃចំនុចកង់ទិច អេឡិចត្រុងមួយកាន់កាប់គន្លង 1Se នៃក្រុម conduction (ដោយមិនយកចិត្តទុកដាក់ជាបណ្តោះអាសន្ននូវដំណើរការអេឡិចត្រុងក្តៅ) ដោយហេតុនេះចូលទៅក្នុងស្ថានភាពរំភើប។ យោងតាមគោលការណ៍បដិសេធ Pauli នៅចំណុចនេះ ប្រូបាប៊ីលីតេនៃការផ្លាស់ប្តូរអេឡិចត្រុងពី valence band 1Sh orbital ទៅ conduction band 1Se orbital នៃ quantum dot ត្រូវបានកាត់បន្ថយមកពាក់កណ្តាលនៃនោះនៅក្នុង pre-excitation (ground state) ដែលបណ្តាលឱ្យមានការថយចុះនៃអាំងតង់ស៊ីតេនៃការស្រូបចូលនៃ exciton នេះ ដោយសារតែការស្រូបយកអេឡិចត្រុង 1 F បន្ថែមទៀត។ អន្តរកម្ម Coulomb (ដូចជាឥទ្ធិពល Stark ឬបែបផែន biexciton) នៅក្នុងចំនុច quantum ដ៏រំភើប កម្រិតថាមពលនៃគន្លង 1Se និង 1Pe នៅក្នុងក្រុម conduction គឺទាបជាងបើប្រៀបធៀបទៅនឹងអ្វីដែលនៅក្នុងស្ថានភាពដី (ដូចដែលបានបង្ហាញដោយបន្ទាត់រឹង និងបន្ទាត់ដាច់ៗក្នុងរូបភាពទី 2b) ដែលបណ្តាលឱ្យមានការផ្លាស់ប្តូរពណ៌ក្រហមនៃការស្រូបយក p ដែលត្រូវគ្នា។ ឥទ្ធិពល Stark នៅក្នុងចំនុច quantum នឹងត្រូវបានពិភាក្សាយ៉ាងលម្អិតនៅក្នុងផ្នែកបន្តបន្ទាប់ទៀត។

រូបភាពទី 1. (ក) វិសាលគមស្រូបស្រូបនៃស្ថានភាពស្ថេរនៃចំនុច Quantum ធម្មតា និងចំនុចដែលត្រូវគ្នា 

ខ) ដំណើរការផ្លាស់ប្តូរអេឡិចត្រូនិច។

k _ET k _ET

រូបភាពទី 2. (ក) ការប្រែប្រួលនៃវិសាលគមស្រូបទាញនៃគំរូ quantum dot semiconductor ធម្មតា មុន និងក្ការប្រើប្រាស់។

(ខ) ការផ្លាស់ប្តូរដែលពាក់ព័ន្ធនៅក្នុងកម្រិតថាមពល និងការផ្លាស់ប្តូរ

(គ) ការផ្លាស់ប្តូរការស្រូបទាញដោយពន្លឺដែលបង្កើតដោយខ្សែអេឡិចត្រុង conduction band និង valence band holes នៅក្នុងស្ថានភាពរំភើបនៃចំនុច quantum

(d) សញ្ញាលក្ខណៈនៃវិសាលគមស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្នធម្មតាដែលកើតចេញពីការផ្លាស់ប្តូរនៃការផ្លាស់ប្តូរអេឡិចត្រូនិចនៅក្នុងស្ថានភាពរំភើបនៃចំនុចកង់ទិច ដូចដែលបានបង្ហាញក្នុងរូបភាព ក - គ។

អាស្រ័យហេតុនេះ វិសាលគមលក្ខណៈស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្ននៃសំណាកគំរូអាចមកពីការប្រែប្រួលនៃវិសាលគមស្រូបទាញនៃចំនុចកង់ទិចមុន និងក្រោយការរំភើបចិត្ត (រូបភាពទី 2 ឃ)។ កំពូលស្រូបយក 2 ភាគច្រើនបង្ហាញទម្រង់វិសាលគមបណ្តោះអាសន្នជាមួយនឹងលក្ខណៈដូចដេរីវេ ដោយសារការផ្លាស់ប្តូរនៃវិសាលគមក្រហម។ កំពូលនៃការស្រូបយក 1 តំណាងឱ្យ superposition នៃការកែប្រែវិសាលគមពីរ: 1) ការថយចុះនៃអាំងតង់ស៊ីតេនៃការស្រូបយកដែលបណ្តាលមកពីការបំពេញរដ្ឋអេឡិចត្រុងនៅក្នុងគន្លង 1Se នៃក្រុម conduction ដែលនាំឱ្យមានសញ្ញា bleaching រដ្ឋដី។ 2) សញ្ញាអន្តរកាលដូចដេរីវេដែលកើតចេញពីវិសាលគម redshift ដែលបង្កឡើងដោយឥទ្ធិពល Stark ។ ជាងនេះទៅទៀត អេឡិចត្រុងនៃក្រុម conduction និងរន្ធនៅក្នុងចំនុច quantum dots ដែលអាចស្រូប photon និងផ្លាស់ប្តូរទៅកាន់ orbitals កម្រិតថាមពលខ្ពស់រៀងៗខ្លួន (រូបភាពទី 2c) ដែលបង្កើតជា photoinduced signal absorption នៅក្នុងវិសាលគមស្រូបយក transient (រូបភាព 2d)។ ដោយសារនេះជាដំណើរការស្រូបបញ្ចូលក្នុងក្រុមនៅក្នុងចំនុចកង់ទិច ហើយជួរផ្លាស់ប្តូរនៃកម្រិតថាមពលរបស់វាជាធម្មតាមានកម្រិតតិចតួច លទ្ធផលនៃសញ្ញាវិសាលគមស្រូបយកបណ្តោះអាសន្ននឹងកើតឡើងនៅក្នុងតំបន់ដែលឆ្ងាយពីផ្នែកថាមពលទាបនៃសញ្ញា bleaching (ដូចជានៅជិតអ៊ីនហ្វ្រារ៉េដដល់ពាក់កណ្តាលអ៊ីនហ្វ្រារ៉េដ)។

សញ្ញាបណ្ដោះអាសន្នដែលបានរៀបរាប់ខាងលើគឺជាលក្ខណៈវិសាលគមបណ្តោះអាសន្នធម្មតានៃវត្ថុធាតុ quantum dot II - VI ដូចជា CdS, CdSe, និង PbS ។ វាមានសារៈសំខាន់ជាពិសេសក្នុងការកត់សម្គាល់នៅទីនេះថានៅក្នុងការរកឃើញនៃ spectroscopy ការស្រូបយកបណ្តោះអាសន្ននៃសម្ភារៈ semiconductor (quantum dot, nanocrystal ឬ bulk phase) សញ្ញាវិសាលគមអន្តរកាលតំណាងឱ្យការរួមចំណែករួមបញ្ចូលគ្នានៃសញ្ញាអេឡិចត្រុង និងរន្ធ។ សមាមាត្រនៃការរួមចំណែករបស់អេឡិចត្រុង និងរន្ធ ប្រែប្រួលទៅតាមវត្ថុធាតុ semiconductor ផ្សេងៗគ្នា។ នៅក្នុង II - VI series semiconductor dots សញ្ញាបណ្តោះអាសន្នត្រូវបានរួមចំណែកជាចម្បងដោយអេឡិចត្រុងនៅក្នុងក្រុម conduction ។ ទោះបីជាហេតុផលពិតប្រាកដនៅតែមិនច្បាស់លាស់នៅក្នុងវិស័យសិក្សាក៏ដោយ វាត្រូវបានទទួលស្គាល់ជាទូទៅថាបាតុភូតនេះគឺដោយសារតែ degeneracy នៃ valence band holes ឬដង់ស៊ីតេខ្ពស់នៃរដ្ឋ។ តាមគំនិត ការផ្លាស់ប្តូរដែលទាក់ទងពី 100 ទៅ 101 (នៅក្នុងក្រុម valence) គឺតូចជាងការផ្លាស់ប្តូរដែលទាក់ទងពី 0 (នៅក្នុងក្រុម conduction) ។ ដូច្នេះ សក្ដានុពលនៃសញ្ញារដ្ឋរំភើបនៅក្នុងចំនុច quantum ជាធម្មតាឆ្លុះបញ្ចាំងពីចលនានៃខ្សែបញ្ជូនអេឡិចត្រុង។ នេះរាប់បញ្ចូលទាំងដំណើរការដូចជាការបំពេញគន្លងដោយអេឡិចត្រុង ការបញ្ចូលរន្ធអេឡិចត្រុងឡើងវិញ ការចាប់អេឡិចត្រុងនៅក្នុងស្ថានភាពពិការ និងការផ្ទេរអេឡិចត្រុង។ នៅក្នុងការសិក្សាមុនៗ ដើម្បីវាយតម្លៃឲ្យបានកាន់តែច្បាស់អំពីការចូលរួមចំណែកនៃអេឡិចត្រុង និងរន្ធទៅកាន់សញ្ញា bleaching state ដី អ្នកស្រាវជ្រាវបានណែនាំអេឡិចត្រុងផ្ទុក ឬរន្ធទទួលទៅលើផ្ទៃនៃចំនុច quantum ។ ដោយសង្កេតមើលឥទ្ធិពលនៃការផ្ទេរអេឡិចត្រុង និងរន្ធនៅលើឌីណាមិកនៃសញ្ញារដ្ឋរំភើប ពួកគេអាចកំណត់ការរួមចំណែកទាក់ទងនៃអេឡិចត្រុង និងរន្ធ។

03 ឥទ្ធិពល Stark និងអេឡិចត្រុងក្តៅ

ឥទ្ធិពល Stark ជាធម្មតាសំដៅទៅលើបាតុភូតដែលកម្រិតថាមពល និងវិសាលគមនៃអាតូម ឬម៉ូលេគុលបានបំបែកនៅពេលដែលត្រូវបានទទួលរងនូវវាលអគ្គិសនីខាងក្រៅ។ នៅក្នុង quantum dots, optical excitation បង្កើតគូ electron-hole ដែលបង្កើតជាវាលអគ្គិសនីដែលភ្ជាប់មកជាមួយនៅក្នុង quantum dot ដោយសារអន្តរកម្ម Coulomb (រូបភាពទី 3a)។ នេះនាំឱ្យមានការផ្លាស់ប្តូរកម្

លក្ខណៈនៃការចែកចាយបន្តនៃវិសាលគមស្រូបចូលក្នុងចំនុច quantum ធ្វើឱ្យវាមានភាពងាយស្រួលក្នុងការបង្កើតអេឡិចត្រុងក្តៅនៅក្នុងពួកវា (រូបភាពទី 3 ក)។ នៅពេលដែលថាមពលនៃពន្លឺរំភើប (E _exc , ចំណាំថាវាសំដៅទៅលើថាមពល photon ជាជាងដង់ស៊ីតេនៃ photon) លើសពីថាមពលនៃ band gap (E _bg ) នៃ quantum dot អេឡិចត្រុងរំភើបដល់កម្រិតថាមពលខ្ពស់ជាងនៅក្នុងក្រុម conduction ។ ដោយសារថាមពលរបស់ពួកគេលើសពីអេឡិចត្រុងគែម ពួកវាត្រូវបានគេហៅថាជាអេឡិចត្រុងក្តៅ។ អេឡិចត្រុងក្តៅរលួយយ៉ាងឆាប់រហ័ស (ដំណើរការដែលគេស្គាល់ថាជាកំដៅ) ទៅគែមក្រុម (រូបភាពទី 3a) ជាធម្មតាក្នុងរយៈពេលប៉ុន្មាន picoseconds តាមរយៈអន្តរកម្មជាមួយ phonons (ការរំញ័របន្ទះឈើនៅក្នុង semiconductors) ។ មិនដូចអេឡិចត្រុង band-edge អេឡិចត្រុងក្តៅបង្កើតបានតែលក្ខណៈវិសាលគមស្រូបយកបណ្តោះអាសន្ន (សញ្ញាដូចដេរីវេ) ដែលបណ្តាលមកពីការផ្លាស់ប្តូរពណ៌ក្រហមនៃការស្រូបយក exciton ដែលបណ្តាលមកពីឥទ្ធិពល Stark មុនពេលសម្រាក។ បន្ទាប់ពីសម្រាកទៅគែមក្រុម បន្ថែមពីលើសញ្ញា Stark ពួកគេក៏បង្កើតសញ្ញា bleaching ផ្លាស់ប្តូរ (state fill bleach) (រូបភាពទី 3b) ដោយបង្កើតនូវ superposition នៃសញ្ញាទាំងពីរ។ ដូច្នេះហើយ យើងអាចរកឃើញដំណើរការបង្កើត និងបន្ធូរបន្ថយនៃអេឡិចត្រុងក្តៅ ដោយវិភាគពីសក្ដានុពលនៃទីតាំងរលកកំពូលលក្ខណៈខុសៗគ្នានៅក្នុងពន្លឺស្រូបយកបណ្តោះអាសន្ន។ រូបភាពទី 4 ប្រៀបធៀបដំណើរការថាមវន្តនៃទីតាំងវិសាលគមសម្រាប់លក្ខណៈបណ្តោះអាសន្នខុសៗគ្នានៅក្នុងចំនុច quantum ក្រោមលក្ខខណ្ឌនៃ E _exc > E _bg (នៅពេលដែលអេឡិចត្រុងក្តៅត្រូវបានបង្កើត) និង E _exc = E _bg (នៅពេលដែលគ្មានអេឡិចត្រុងក្តៅត្រូវបានផលិត) ។ នៅក្នុងតំបន់វិសាលគមដែលគ្របដណ្ដប់ដោយសញ្ញាកំពូលនៃការ bleaching នៅពេលដែល E _exc > E _bg ការបង្កើតសញ្ញាយ៉ាងលឿនត្រូវបានសង្កេតឃើញនៅលើខ្សែកោង kinetic ដែលបង្ហាញថាអេឡិចត្រុងក្តៅសម្រាកទៅគែមក្រុម ដែលបង្កើតជាសញ្ញា bleaching state ។ នៅក្នុងតំបន់វិសាលគម ដែលគ្របដណ្ដប់ដោយសញ្ញា Stark នៅពេលដែល E _exc > E _bg ការបំបែកយ៉ាងលឿននៃសញ្ញា Stark លេចឡើងនៅលើខ្សែកោង kinetic ដែលបង្ហាញថាអេឡិចត្រុងក្តៅសម្រាកទៅគែមក្រុម។ នៅក្នុងការស្រាវជ្រាវជាក់ស្តែង វាចាំបាច់ក្នុងការប្រៀបធៀបក្នុងពេលដំណាលគ្នានូវស្ថានភាពវិសាលគម និងថាមវន្ត (តំណាងដោយបន្ទាត់ដាច់ៗក្នុងរូបភាពទី 4) សម្រាប់ E _exc = E _bg (band edge excitation) ដើម្បីធានាថាដំណើរការ kinetic រហ័សដែលបានសង្កេតគឺពិតជាសញ្ញាអេឡិចត្រុងក្តៅ។ ជាងនេះទៅទៀត ដំណើរការសម្រាកនៃអេឡិចត្រុងក្តៅជាធម្មតាកើតឡើងក្នុងរយៈពេល 1 - 2 picoseconds ។ ដូច្នេះសមត្ថភាពក្នុងការសង្កេតដំណើរការនេះអាស្រ័យលើការដោះស្រាយពេលវេលានៃវិសាលគមស្រូបយកបណ្តោះអាសន្ន។ វិសាលគមស្រូបយកបណ្តោះអាសន្ន femtosecond ដែលប្រើជាទូទៅរបស់យើង ជាធម្មតាមានប្រសិទ្ធភាពក្នុងការចាប់យកដំណើរការនៃអេឡិចត្រុងក្តៅ។

ដំណើរការបន្ធូរអារម្មណ៍នៃអេឡិចត្រុងក្តៅ គឺជាដំណើរការបាត់បង់ថាមពល ដែលកំណត់ការប្រើប្រាស់ថាមពលពន្លឺប្រកបដោយប្រសិទ្ធភាពក្នុងការបំប្លែងសារធាតុ photoelectric (ដូចជាការបំប្លែងថាមពលពន្លឺព្រះអាទិត្យ)។ ដូច្នេះ ការស្រាវជ្រាវបច្ចុប្បន្នផ្តោតលើការពង្រីកពេលវេលាសម្រាកនៃអេឡិចត្រុងក្តៅ និងបើកការស្រង់ចេញ និងការបំប្លែងរបស់វា ដែលធ្វើឲ្យនេះជាប្រធានបទសំខាន់មួយក្នុងវិស័យសម្ភារៈ និងជីវវិទ្យា។

រូបភាពទី 3. (a) ដំណើរការនៃការបង្កើត និងបន្ធូរបន្ថយនៃអេឡិចត្រុងក្តៅនៅក្នុងចំនុច quantum របស់ semiconductor រួមជាមួយនឹងឥទ្ធិពល Stark ដែលបង្កឡើងដោយគូអេឡិចត្រុង-hole តាមរយៈវាលអគ្គិសនី Coulomb

(b) សញ្ញាវិសាលគមបណ្តោះអាសន្ននៃឥទ្ធិពល Stark បង្កើតមុនពេលសម្រាកនៃអេឡិចត្រុងក្តៅ និងសញ្ញារួមបញ្ចូលគ្នានៃការ bleaching និងឥទ្ធិពល Stark បង្កើតបន្ទាប់ពីការសម្រាកទៅគែមក្រុម។

រូបភាពទី 4. ការប្រៀបធៀបនៃដំណើរការ kinetic ស្រូបបណ្តោះអាសន្ននៅទីតាំងលក្ខណៈវិសាលគមផ្សេងៗគ្នា (1 និង 2) ក្នុងករណីនៃការរំភើបចិត្ត quantum dot ជាមួយ Eexc > Ebg (នៅពេលដែលអេឡិចត្រុងក្តៅត្រូវបានបង្កើត) និង Eexc = Ebg (នៅពេលដែលមិនមានអេឡិចត្រុងក្តៅត្រូវបានបង្កើត)។ ដំណើរការនៃការបន្ធូរបន្ថយនៃអេឡិចត្រុងក្តៅនាំទៅដល់ការបង្កើតយ៉ាងឆាប់រហ័ស និងការពុកផុយនៃសភាពដី bleaching (2) និងសញ្ញា Stark (1) នៅក្នុងតំបន់រៀងៗខ្លួន។

04 ស្ថានភាពពិការ

ដោយសារវាមិនអាចទៅរួចទេក្នុងការសំយោគចំនុចកង់ទិចដ៏ល្អឥតខ្ចោះ ស្ថានភាពពិការភាពដែលត្រូវបានចែកចាយយ៉ាងទូលំទូលាយត្រូវបានបង្កើតកំឡុងពេលដំណើរការរៀបចំនៃចំនុចកង់ទិច។ ស្ថានភាពពិការភាពទាំងនេះជាធម្មតាត្រូវបានបង្កឡើងដោយកត្តាដូចជា ពិការភាពបន្ទះឈើ ភាពមិនបរិសុទ្ធនៃធាតុ និង ligands លើផ្ទៃ ហើយវត្តមានរបស់ពួកវាជារឿយៗជះឥទ្ធិពលយ៉ាងសំខាន់លើដំណើរការថាមវន្តជាច្រើននៃក្រុមហ៊ុនដឹកជញ្ជូនចំណុចកង់ទិច។ វិសាលគមស្រូបស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្នអាចត្រូវបានប្រើដើម្បីកំណត់វត្តមាននៃស្ថានភាពពិការភាពមួយចំនួននៅក្នុងចំនុចកង់ទិច និងវិសាលភាពនៃឥទ្ធិពលរបស់វាទៅលើឌីណាមិកក្រុមហ៊ុនដឹកជញ្ជូន។

វាគួរតែត្រូវបានកត់សម្គាល់ថាស្ថានភាពពិការភាព (ទាំងស្ថានភាពពិការភាពអេឡិចត្រុងឬរដ្ឋពិការភាពប្រហោង) ដែលបានរៀបរាប់នៅទីនេះជាពិសេសគឺស្ថិតនៅក្នុងគម្លាតក្រុម។ វត្តមានរបស់ពួកគេជាធម្មតានាំឱ្យមានការចាប់យកអេឡិចត្រុងយ៉ាងឆាប់រហ័ស ឬរន្ធនៅក្នុងស្ថានភាពរំភើបនៃចំនុចកង់ទិច (រូបភាពទី 5 ក)។ នៅពេលដែលអេឡិចត្រុង ឬរន្ធធ្លាក់ចូលទៅក្នុងស្ថានភាពខ្វះចន្លោះ វាអាចបង្កើតការផ្លាស់ប្តូរអេឡិចត្រុងស្រូបយកដូចដែលបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 5a ដែលវាបង្កើតជាសញ្ញាស្រូបរដ្ឋរំភើបនៅក្នុងវិសាលគមបណ្តោះអាសន្ន (រូបភាពទី 5 ខ) ។ កម្រិតថាមពលផ្លាស់ប្តូរនៃបន្ទុករដ្ឋដែលមានបញ្ហាគឺជាធម្មតាទាបជាងគម្លាតក្រុម។ អាស្រ័យហេតុនេះ សញ្ញាបណ្តោះអាសន្ននៃការស្រូបចូលរដ្ឋរំភើបដែលបង្កើតឡើងដោយដំណើរការស្រូបយកនេះនឹងបង្ហាញនៅផ្នែកថាមពលទាបនៃសញ្ញា bleaching state ដី (ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 5b)។

រូបភាពទី 5. (a) ដំណើរការអន្ទាក់អេឡិចត្រុង និងប្រហោង រួមជាមួយនឹងដំណើរការផ្លាស់ប្តូរការស្រូបចូលនៃបន្ទុករដ្ឋដែលមានបញ្ហានៅក្នុងចំណុចកង់ទិចរំភើប (ដែល Ktraping តំណាងឱ្យអត្រាបន្ទុកនៃស្ថានភាពបន្ទុកថេរ និង K0 តំណាងឱ្យអត្រាការបង្រួបបង្រួមរន្ធអេឡិចត្រុងថេរ) 

(b) សញ្ញាស្រូបពន្លឺដែលបង្កើតបាន (សញ្ញាទី 4) ដែលបង្កើតដោយការផ្លាស់ប្តូរការស្រូបយកបន្ទុករបស់រដ្ឋដែលមានបញ្ហានៅក្នុងវិសាលគមបណ្តោះអាសន្ន។

ទាក់ទងនឹង kinetics ដំណើរការដាក់អន្ទាក់នៃបន្ទុករដ្ឋដែលមានបញ្ហាផ្តល់លទ្ធផលនៅក្នុងសមាសធាតុ kinetic ដែលរលួយយ៉ាងឆាប់រហ័សនៅក្នុងខ្សែកោង kinetics bleaching state (រូបភាព 5c) ។ ទោះបីជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ក្នុងករណីដែលគ្មានការប្រៀបធៀបជាមួយនឹងប៉ារ៉ាម៉ែត្រ kinetic kinetic kinetic នៃ quantum dots ក្រោមលក្ខខណ្ឌដែលគ្មានបញ្ហា ប៉ារ៉ាម៉ែត្រ kinetic សម្រាប់ការដាក់បន្ទុកក្នុងស្ថានភាព defect (Ktraping) អាចត្រូវបានកំណត់បានតែពីប៉ារ៉ាម៉ែត្រនៃសមាសធាតុរហ័សដែលទទួលបាននៅពេលសមទៅនឹងខ្សែកោង kinetic state bleach decay ។ ដែលបានផ្ដល់ឱ្យនូវសមាសធាតុយ៉ាងលឿននៅក្នុងស្ថានភាពដី bleaching decay kinetics អាចត្រូវបានបង្កឡើងដោយកត្តាជាច្រើនដូចជា defect states, Auger recombination, and electron/energy transfer and may also depends on the excitation wavelength and sample power, it is not straightly to astribute the fast components observed in the kinetics only to the defects during process capture. ផ្ទុយទៅវិញ ការវិភាគលម្អិតអំពីកាលៈទេសៈជាក់លាក់គឺចាំបាច់ណាស់។

តាមធម្មជាតិ ប្រសិនបើសញ្ញាលក្ខណៈជាក់លាក់នៅក្នុងវិសាលគមស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្នអាចត្រូវបានកំណត់គុណលក្ខណៈយ៉ាងច្បាស់ចំពោះស្ថានភាពពិការភាពនោះ ព័ត៌មានលម្អិតបន្ថែមអំពីសក្ដានុពលនៃស្ថានភាពពិការភាពអាចទទួលបានដោយការទាញយក kinetics នៃលក្ខណៈវិសាលគមទាំងនោះ។ ជាឧទាហរណ៍ ប្រសិនបើស្ថានភាពពិការភាពនៃចំនុច quantum dot មានសមត្ថភាពបង្កើតសញ្ញាស្រូបយក photoinduced (4 ក្នុងរូបភាពទី 5) នោះ ខ្សែកោង kinetic របស់វាអាចឆ្លុះបញ្ចាំងពីដំណើរការនៃ defect state trapping process នៃបន្ទុក និងដំណើរការពុកផុយជាបន្តបន្ទាប់របស់វា (រូបភាព 5c)។ ប្រសិនបើចំនុចខ្វះខាតស្ថិតនៅក្នុង quantum dots ចាប់យកតែអេឡិចត្រុង ឬរន្ធ ដំណើរការនេះនឹងនាំទៅដល់ការបំបែក excitons ទៅជាអេឡិចត្រុង និងរន្ធនៅក្នុង quantum dots ។ ជាលទ្ធផល អេឡិចត្រុង ឬរន្ធដែលបំបែកចេញជាធម្មតាមានអាយុកាលនៃការពុកផុយយូរជាង excitons ដែលអាចជះឥទ្ធិពលយ៉ាងខ្លាំងដល់សកម្មភាព photocatalytic នៃ quantum dots ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ នៅក្នុងកម្មវិធីបំប្លែង photoelectric ដូចជា កោសិកាថាមពលព្រះអាទិត្យ ការបាត់បង់ឧបករណ៍បញ្ជូនពន្លឺ និងវ៉ុលបើកដែលបណ្តាលមកពីស្ថានភាពខូចអាចកាត់បន្ថយប្រសិទ្ធភាពនៃការបំប្លែង។ លើសពីនេះ ពិការភាព excitonic (ក្នុងពេលដំណាលគ្នាដាក់ទាំងអេឡិចត្រុង និងរន្ធ) ក៏អាចមាននៅក្នុង quantum dots ឬ nanocrystalline material ដែលនាំទៅដល់ការបំបែកនៃ excitons យ៉ាងឆាប់រហ័ស។ Excitons នៅក្នុង quantum dots ឬ nanocrystals ក៏អាចបង្កើតជា excitons ជាប់ដោយខ្លួនឯង តាមរយៈអន្តរកម្មជាមួយ phonons បន្ទះឈើ ដោយហេតុនេះបង្ហាញនូវលក្ខណៈរូបវិទ្យាពិសេសមួយចំនួន (ដូចជា អាយុកាលវែង ការបំភាយ fluorescence វិសាលគមធំទូលាយ ។ល។)។

ស្ថានភាពពិការភាពនៅក្នុងចំនុច quantum ឬ nanocrystals ជាធម្មតាមិនបង្កើតសញ្ញា bleaching លេចធ្លោនៅក្នុងវិសាលគមស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្ន ដោយសារតែដំណើរការផ្លាស់ប្តូរការស្រូបយកខ្សោយរបស់ពួកគេ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ នៅពេលដែលមានស្ថានភាពពិការភាពមួយចំនួនធំ ពួកវាអាចនាំទៅរកបាតុភូតកន្ទុយស្រូបនៅក្នុងវិសាលគមស្រូបនៃស្ថានភាពស្ថិរភាព (ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 5 ឃ)។ នៅពេលនេះ សញ្ញា bleaching ដែលត្រូវគ្នានឹងលេចឡើងនៅក្នុងវិសាលគមស្រូបយកបណ្តោះអាសន្ន (រូបភាពទី 5 ឃ) ។

សរុបសេចក្តីមក ភាពខ្វះខាតនៃស្ថានភាពនៅក្នុង semiconductor quantum dots ឬ nanocrystals និងឥទ្ធិពលរបស់វាទៅលើឌីណាមិករបស់ក្រុមហ៊ុនដឹកជញ្ជូន បង្កើតបានជាដំណើរការដ៏ស្មុគស្មាញមួយ។ ខ្លឹមសារដែលបានបង្ហាញនៅទីនេះគ្រាន់តែរួមបញ្ចូលនូវបាតុភូត និងលក្ខណៈជាមូលដ្ឋានបំផុតមួយចំនួននៃស្ថានភាពពិការ ហើយត្រូវបានបម្រុងទុកសម្រាប់តែជាឯកសារយោងសម្រាប់ការងារស្រាវជ្រាវដែលពាក់ព័ន្ធប៉ុណ្ណោះ។

05 ការផ្ទេរបន្ទុក

ដំណើរការនៃបន្ទុកអន្តរផ្ទៃមុខ និងថាមពលផ្ទេរនៅក្នុង semiconductor quantum dots និង nanocrystals គឺជាដំណើរការស្នូលសម្រាប់កម្មវិធីរបស់ពួកគេក្នុងការបំប្លែងសារធាតុ photoelectric (ដូចជា photocatalysis, solar cells, photodetectors, etc.)។ វិសាលគមស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្នមានប្រសិទ្ធភាពរកឃើញដំណើរការថាមវន្តនៃបន្ទុក និងការផ្ទេរថាមពលនៅផ្ទៃ និងចំណុចប្រទាក់នៃវត្ថុធាតុ ដែលធ្វើឱ្យវាក្លាយជាវិធីសាស្រ្តដ៏សំខាន់មួយសម្រាប់ការស៊ើបអង្កេតយន្តការថាមវន្តនៃការបំប្លែង photoelectric នៅក្នុងប្រព័ន្ធសម្ភារៈជាច្រើន។

ទីមួយ យើងនឹងបង្ហាញយ៉ាងខ្លីអំពីដំណើរការផ្ទេរបន្ទុកនៅចំណុចប្រទាក់នៃចំណុចសមីកុងតឺន័រ។ សមា្ភារៈ quantum dot របស់ semiconductor ជាធម្មតាមានមេគុណស្រូបពន្លឺខ្ពស់ និងអាយុកាលនៃក្រុមហ៊ុនដឹកជញ្ជូនរដ្ឋរំភើបយូរ។ តាមទ្រឹស្ដី ពួកគេអាចបម្រើជាសម្ភារៈប្រមូលផលពន្លឺដ៏ល្អឥតខ្ចោះនៅក្នុង photocatalysis, កោសិកាពន្លឺព្រះអាទិត្យ, photodetectors និងឧបករណ៍ផ្សេងទៀត។ រូបភាពទី 6 ពិពណ៌នាអំពីដំណើរការឌីណាមិកបន្ទុកមូលដ្ឋាននៅក្នុង quantum dot photocatalysis និងប្រព័ន្ធសូឡា។ នៅក្នុងប្រព័ន្ធ photocatalytic ចំនុច quantum ជាធម្មតាត្រូវបានផ្សំជាមួយ co-catalysts (electron or hole acceptors (EA ឬ HA) ដែលមានលក្ខណៈសម្បត្តិកាតាលីករ និងបំពេញតាមតម្រូវការនៃការផ្គូផ្គងកម្រិតថាមពល) ដើម្បីជួយសម្រួលដល់ដំណើរការ photocatalytic ។ នៅក្រោមការរំភើបចិត្តអុបទិក ដំណើរការផ្ទេរអេឡិចត្រុងអន្តរមុខ និងរន្ធ (ជាមួយ k _ET និង k _HT តំណាងឱ្យអត្រាផ្ទេរអេឡិចត្រុង និងរន្ធ រៀងគ្នា) ដំណើរការកើតឡើងរវាងចំនុចកង់ទិច និងឧបករណ៍ទទួលបន្ទុក។ ដំណើរការនេះប្រកួតប្រជែងជាមួយអេឡិចត្រុងខាងក្នុង - ការរួមផ្₀ ~!phoenix_var81_5!~_{~!phoenix_var81_6!~} ~!phoenix_var81_7!~_{~!phoenix_var81_8!~}~!phoenix_var81_9!~₀~!phoenix_var81_10!~

ដំណើរការផ្ទេរបន្ទុកលើផ្ទៃស្រដៀងគ្នានេះក៏កើតឡើងផងដែរនៅក្នុងកោសិកាពន្លឺព្រះអាទិត្យដែលប្រើប្រាស់ចំណុច quantum ជាសម្ភារៈប្រមូលផលពន្លឺ។ ទោះយ៉ាងណាក៏ដោយ ដោយសារភាពក្រាស់នៃសម្ភារៈប្រមូលផលពន្លឺ ដំណើរការនៃការផ្ទេរបន្ទុកទាំងមូលពាក់ព័ន្ធនឹងការចំណាកស្រុកនៃក្រុមហ៊ុនដឹកជញ្ជូនដែលបង្កើតរូបភាពនៅក្នុងស្រទាប់ quantum dot បន្តដោយការផ្ទេរបន្ទុកជាបន្តបន្ទាប់នៅចំណុចប្រទាក់ជាមួយស្រទាប់ដឹកជញ្ជូនអេឡិចត្រុង ឬរន្ធ។ ទិដ្ឋភាព​នេះ​នឹង​ត្រូវ​បាន​បញ្ជាក់​បន្ថែម​ទៀត​នៅ​ក្នុង​ជំពូក​ខាង​ក្រោម​ដែល​មាន​ចំណង​ជើង​ថា 'ការ​អនុវត្ត​វិចារណកថា​បណ្ដោះ​អាសន្ន​ក្នុង​ការ​ស្រាវជ្រាវ​កោសិកា​ថាមពល​ព្រះអាទិត្យ'។

រូបភាពទី 6. ដំណើរការ Kinetic ដូចជាការផ្ទេរបន្ទុក ការបំបែក និងការផ្សំឡើងវិញនៅក្នុងប្រព័ន្ធ quantum dot photocatalytic ។ 

K _ET ៖ អត្រាផ្ទេរអេឡិចត្រុងថេរ

K _HT : អត្រាផ្ទេររន្ធថេរ

K _REC : ដាច់ដោយឡែកពីគ្នា Electron-Hole Interface Rate Recombination Rate ថេរ

K ₀: Quantum Dot Intrinsic Electron-Hole Recombination Rate ថេរ

ដូចដែលបានរៀបរាប់ពីមុន នៅក្នុងការរកឃើញនៃ spectroscopy ស្រូបយកបណ្តោះអាសន្នសម្រាប់សមា្ភារៈ semiconductor សញ្ញា spectral មានប្រភពមកពីការរួមផ្សំនៃអេឡិចត្រុង និងរន្ធ។ នៅពេលដែលសញ្ញាអេឡិចត្រុងលើសពីសញ្ញារន្ធ (ដូចជាក្នុងករណី CdS, CdSe, និង II-VI semiconductor quantum dots ផ្សេងទៀត) សញ្ញាវិសាលគមបណ្តោះអាសន្ន និងលក្ខណៈថាមវន្តនៃដំណើរការផ្ទេរអេឡិចត្រុង interfacial អាចត្រូវបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 7 ។ នៅពេលដែលការផ្ទេរអេឡិចត្រុង interfacial កើតឡើងមុនពេល quantum dot អេឡិចត្រុង absorp ផ្ទៃទទួល។ សញ្ញាវិសាលគមនៃ quantum dot ឆ្លងកាត់ការងើបឡើងវិញ ឬរលួយយ៉ាងឆាប់រហ័ស។ អត្រាថេរនៃខ្សែកោង kinetic decay កើនឡើងពី k ₀ ដល់ k ₀ + k _ET ។ ដូច្នេះ ដោយការប្រៀបធៀបការប្រែប្រួលនៃអត្រា kinetic រវាងសេណារីយ៉ូដែលចំនុច quantum មានឧបករណ៍ទទួលអេឡិចត្រុង និងកន្លែងដែលវាមិនមាន អត្រានៃការផ្ទេរបន្ទុក interfacial k _ET អាចត្រូវបានកំណត់ជាបរិមាណ។ វាគួរតែត្រូវបានកត់សម្គាល់ថាប្រសិនបើរន្ធរួមចំណែកដល់សញ្ញាវិសាលគមអន្តរកាលនោះសញ្ញាវិសាលគមដែលបង្កើតដោយរន្ធនឹងនៅតែមានបន្ទាប់ពីការផ្ទេរអេឡិចត្រុងកើតឡើង។ ចាប់តាំងពីការផ្សំឡើងវិញនៃអេឡិចត្រុង (នៅក្នុង EA) និងរន្ធ (នៅក្នុងចំនុចកង់ទិច) ដែលបំបែកចេញពីចំណុចប្រទាក់ជាធម្មតាត្រូវចំណាយពេលយូរបន្តិច សញ្ញាប្រហោងដែលនៅសល់នឹងបង្កើតសមាសធាតុ kinetic ដែលរលួយក្នុងអត្រាយឺតជាង។ ទំហំនៃសមាសភាគនេះអាស្រ័យលើវិសាលភាពនៃការរួមចំណែករបស់រន្ធទៅនឹងសញ្ញាវិសាលគមអន្តរកាលខណៈដែលថេរ kinetic សម្រាប់ការពុកផុយរបស់វាត្រូវគ្នាទៅនឹងអត្រានៃការផ្សំឡើងវិញនៃអេឡិចត្រុងដែលបំបែកដោយចំណុចប្រទាក់ និងរន្ធ (k _Rec ) ។ នៅក្នុងកម្មវិធី photocatalytic ឬ solar cell ការផ្ទេរអេឡិចត្រុងលឿន (k _ET >> k ₀) និងការបំបែកបន្ទុកដែលមានអាយុកាលយូរ (ដែល k _Rec តូច) អាចបង្កើនទ្រឹស្តីនៃការប្រើប្រាស់ និងការបំប្លែងប្រសិទ្ធភាពនៃការគិតថ្លៃដែលបង្កើតដោយ photogenerated ។

រូបភាពទី 7. វិសាលគមស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្ន និងឌីណាមិកធម្មតា កំឡុងពេលផ្ទេរអេឡិចត្រុងនៅចំណុចប្រទាក់នៃចំនុច quantum ។

ដំណើរការផ្ទេររន្ធនៅចំណុចប្រទាក់នៃចំណុច quantum គឺស្រដៀងគ្នាទៅនឹងដំណើរការផ្ទេរអេឡិចត្រុង។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ សមត្ថភាពក្នុងការរកឃើញដោយផ្ទាល់នូវដំណើរការផ្ទេររន្ធនៅក្នុងវិសាលគមអន្តរកាលគឺអាស្រ័យលើទំហំនៃការរួមចំណែករបស់រន្ធទៅនឹងសញ្ញាវិសាលគមអន្តរកាល។ ប្រសិនបើមានការរួមចំណែកបែបនេះ ការបំបែកយ៉ាងលឿននៅក្នុងសញ្ញានឹងអាចមើលឃើញនៅក្នុងវិសាលគមបណ្តោះអាសន្ន (រូបភាពទី 8) ដែលលេចឡើងនៅក្នុងខ្សែកោង kinetic ដែលជាសមាសធាតុបំបែកយ៉ាងឆាប់រហ័ស (k _HT ) ជាមួយនឹងអាំងតង់ស៊ីតេដែលត្រូវគ្នា។ អេឡិចត្រុងដែលបំបែកចេញពីគ្នា (នៅក្នុងចំនុចកង់ទិច) និងរន្ធ (នៅក្នុង HA) ជាធម្មតាមានពេលវេលាផ្សំឡើងវិញយូរជាងនេះ។ ប្រសិនបើ k _Rec << k ₀នោះ សញ្ញាអេឡិចត្រុងដែលនៅសេសសល់ក្នុងចំនុច quantum នឹងបង្ហាញពេលវេលានៃការពុកផុយដែលអូសបន្លាយ ជាមួយនឹងសមាសធាតុបំបែកយឺតដែលត្រូវគ្នានឹងលេចឡើងនៅក្នុងខ្សែកោង kinetic ។

រូបភាពទី 8. វិសាលគមស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្នធម្មតា និងលក្ខណៈថាមវន្ត កំឡុងពេលផ្ទេររន្ធនៅចំណុចប្រទាក់នៃចំនុច quantum ។ វាត្រូវបានសន្មត់ថារន្ធរួមចំណែកដល់វិសាលគមស្រូបយកបណ្តោះអាសន្ន និង k _Rec << k₀.

ក្រៅពីការប្រើសញ្ញា bleaching state ដី សញ្ញាស្រូបយករដ្ឋរំភើបនៃចំនុច quantum ក៏អាចត្រូវបានប្រើដើម្បីវាយតម្លៃដំណើរការថាមវន្តនៃការផ្ទេរអេឡិចត្រុងផងដែរ។ គោលការណ៍គឺស្រដៀងគ្នាទៅនឹងការផ្លាស់ប្តូរនៅក្នុងសញ្ញា bleaching រដ្ឋដី។ ពីការណែនាំខាងលើ វាអាចត្រូវបានគេសង្កេតឃើញថា វិសាលគមស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្នអាចត្រូវបានប្រើដើម្បីតាមដានដំណើរការដូចជាការផ្ទេរចំណុចប្រទាក់អេឡិចត្រុង និងរន្ធ ក៏ដូចជាការផ្សំឡើងវិញនៃបន្ទុកដាច់ដោយឡែកនៅក្នុងប្រព័ន្ធសញ្ញា quantum តាមរយៈការប្រែប្រួលនៃសញ្ញាស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្ន quantum ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ការកើតឡើងនៃការផ្ទេរបន្ទុកជាធម្មតាមិនអាចបញ

ចូរសន្មត់ថាឧបករណ៍ទទួលយកអេឡិចត្រុងដែល adsorbed លើផ្ទៃនៃចំនុច quantum គឺម៉ូលេគុល A. វិសាលគមស្រូបនៃស្ថានភាពថេររបស់វាស្ថិតនៅក្នុងជួរនៃការរកឃើញវិសាលគម ហើយខុសពីការស្រូបយកចំនុចquantum។ ទន្ទឹមនឹងនេះដែរ នៅកម្រិតរលករំភើបជាក់លាក់មួយ មានតែចំនុចកង់ទិចប៉ុណ្ណោះដែលរំភើប ខណៈម៉ូលេគុល A នៅតែមិនរំភើប។ លក្ខណៈវិវឌ្ឍន៍វិសាលគមនៃដំណើរការផ្ទេរអេឡិចត្រុងរវាងចំនុចកង់ទិច និងម៉ូលេគុល A ត្រូវបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 9a ។ នៅពេលដែលការផ្ទេរបន្ទុកលើផ្ទៃកើតឡើង ចំនុចកង់ទិចដែលរំភើប (QD*) ផ្ទេរអេឡិចត្រុងទៅម៉ូលេគុល A ដែលបណ្តាលឱ្យមានការបង្កើតចំនុចកង់ទិចដែលមានបន្ទុកវិជ្ជមាន (QD+) និង អ៊ីយ៉ុង A⁻ ចោទប្រកាន់អវិជ្ជមាន។ ប្រសិនបើវិសាលគមស្រូបស្រូបក្នុងស្ថានភាពស្ថិរភាពនៃ A⁻ anions ខុសគ្នាយ៉ាងខ្លាំងពីម៉ូលេគុល A នោះ ការបង្កើត A⁻ នឹងធ្វើឱ្យការស្រូបយកម៉ូលេគុល A ចុះខ្សោយ ដោយបង្កើតសញ្ញា bleaching state សម្រាប់ម៉ូលេគុល A ក្នុងវិសាលគមស្រូបយកបណ្តោះអាសន្ន។ ក្នុងពេលដំណាលគ្នា ប្រសិនបើវិសាលគមស្រូបចូលនៃម៉ូលេគុលA⁻ក៏ស្ថិតនៅក្នុងជួររាវរកដែរនោះ ការបង្កើតសញ្ញាស្រូបរបស់វាក៏នឹងអាចសង្កេតឃើញនៅក្នុងវិសាលគមស្រូបយកបណ្តោះអាសន្នផងដែរ។ បនា្ទាប់មក អេឡិចត្រុង និងរន្ធដែលបំបែកនឹងបញ្ចូលគ្នាឡើងវិញ (k _Rec ) ដែលបណ្តាលឱ្យប្រព័ន្ធទាំងមូលត្រឡប់ទៅសភាពដីវិញ។ នៅលើខ្សែកោង kinetic ការបំបែកយ៉ាងឆាប់រហ័សនៃសញ្ញា bleaching state ដីរបស់ quantum dots ត្រូវបានអមដោយការបង្កើតសញ្ញា bleaching state នៃដី A និងសញ្ញាស្រូបយក A⁻ រួមជាមួយនឹងដំណើរការបំបែកជាបន្តបន្ទាប់ដែលនាំមកដោយការរួមផ្សំនៃអេឡិចត្រុង និងរន្ធដែលបែកគ្នា (រូបភាពទី 9 ខ)។ ដូច្នេះ ការរកឃើញដោយផ្ទាល់នៃដំណើរការផ្ទេរ និងបញ្ចូលអេឡិចត្រុង interfacial ក៏ដូចជាការកំណត់នៃអត្រាថេរ អាចសម្រេចបានដោយការចាប់យកសញ្ញានៃផលិតផលទទួលការផ្ទេរអេឡិចត្រុង និងអត្រា kinetic ដែលត្រូវគ្នា។ ដំណើរការបណ្ដោះអាសន្ន និងដំណើរការ kinetic នៃការផ្ទេររន្ធ interfacial គឺស្រដៀងគ្នាទៅនឹងការផ្ទេរអេឡិចត្រុង ហើយនឹងមិនត្រូវបានរៀបរាប់លម្អិតនៅទីនេះទេ។ គួរកត់សំគាល់ថា វាត្រូវបានសន្មត់ថា មានតែចំនុច quantum ប៉ុណ្ណោះដែលរំភើបនៅ រលករំជើបរំជួលជាក់លាក់មួយ។ ប្រសិនបើម៉ូលេគុល A រំភើបក្នុងពេលដំណាលគ្នានោះ សញ្ញាវិសាលគមអន្តរកាលដែលបណ្តាលមកពីការផ្ទេរអេឡិចត្រុងជាញឹកញាប់អាចត្រូវបានបិទបាំងដោយសញ្ញាដែលបង្កើតឡើងដោយការរំភើបដោយឡាស៊ែរដោយផ្ទាល់។ ដូច្នេះ ការវិភាគ និងការវិនិច្ឆ័យដោយប្រុងប្រយ័ត្នគឺចាំបាច់។

រូបភាពទី 9. លក្ខណៈវិវត្តនៃវិសាលគមស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្ន (ក) និងខ្សែកោងថាមវន្ត (ខ) ដែលបណ្តាលមកពីការផ្ទេរអេឡិចត្រុងអន្តរមុខរវាងចំនុចកង់ទិច និងម៉ូលេគុល

រូបភាព (a) រួមបញ្ចូលវិសាលគមស្រូបស្រូបនៃស្ថានភាពស្ថិរភាពនៃ QD, A និង A⁻ ដែលត្រូវនឹងសញ្ញាវិសាលគមបណ្តោះអាសន្ន។

នៅក្នុងការរកឃើញជាក់ស្តែងនៃប្រព័ន្ធផ្ទេរបន្ទុក quantum dot ដំណើរការផ្ទេរបន្ទុកត្រូវបានកំណត់ជាធម្មតាដោយការសង្កេតមើលពីសក្ដានុពលវិសាលគមបណ្តោះអាសន្ននៃចំនុចកង់ទិច។ សម្រាប់អ្នកទទួលបន្ទុកសមរម្យមួយចំនួន (ដូចជាវត្ថុដែលអាចជ្រើសរើសដោយរំភើប និងបង្ហាញលក្ខណៈវិសាលគមដែលអាចរកឃើញ ដែលភាគច្រើនជាអ្នកទទួលម៉ូលេគុល) ការរកឃើញកាន់តែច្បាស់លាស់នៃដំណើរការ kinetic របស់ពួកគេក៏អាចសម្រេចបានដោយការត្រួតពិនិត្យផលិតផលនៃប្រតិកម្មផ្ទេរការចោទប្រកាន់ផងដែរ។ វាគួរតែត្រូវបានកត់សម្គាល់ថាការរកឃើញវិសាលគមបណ្តោះអាសន្ននៃការផ្ទេរបន្ទុកនៅចំណុចប្រទាក់ quantum dot ជារឿយៗត្រូវបានជះឥទ្ធិពលដោយកត្តាជាច្រើន រួមទាំងគុណភាព និងប្រភេទនៃចំនុច quantum ការប្រែប្រួលនៃរចនាសម្ព័ន្ធទទួល និងចំណុចប្រទាក់ ក៏ដូចជារលកនៃការរំភើប និងថាមពល។ កត្តាទាំងនេះអាចនាំឱ្យមានវិសាលគមស្មុគ្រស្មាញ និងលក្ខណៈថាមវន្ត។ ដូច្នេះហើយ វាចាំបាច់សម្រាប់អ្នកស្រាវជ្រាវដើម្បីពិចារណាលើលក្ខខណ្ឌជាក់លាក់ និងធ្វើការវិភាគយ៉ាងទូលំទូលាយដោយប្រើវិធីសាស្ត្របច្ចេកទេសផ្សេងៗ។

06 ការផ្ទេរថាមពល

វិសាលគមស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្នអាចត្រូវបានគេប្រើប្រាស់ដើម្បីរកមើលដំណើរការថាមវន្តនៃការផ្ទេរថាមពល resonance នៅក្នុងប្រព័ន្ធ quantum dot ។ ពិចារណាលើប្រព័ន្ធមួយដែលចំនុច quantum ដើរតួជាអ្នកផ្តល់ថាមពល ហើយ A ដើរតួជាអ្នកទទួលថាមពល។ ដើម្បីឱ្យការផ្ទេរថាមពល resonance កើតឡើងរវាងទាំងពីរ លក្ខខណ្ឌដូចជាចម្ងាយរវាងពួកវា និងការត្រួតស៊ីគ្នានៃការបញ្ចេញឧស្ម័នអ្នកទទួល (PL) និងវិសាលគមស្រូបយកត្រូវតែពេញចិត្ត (រូបភាព 10a) ។ នៅរលកនៃការរំភើបជាក់លាក់មួយ មានតែម្ចាស់ជំនួយ quantum dot ប៉ុណ្ណោះដែលរំភើប។ នៅពេលដែលការផ្ទេរថាមពលដ៏សំខាន់កើតឡើង (ឧទាហរណ៍ នៅពេលដែលអត្រាផ្ទេរថាមពល k _EnT លើសពី quantum dot រំភើបរដ្ឋ intrinsic recombination rate k ₀) នោះ សញ្ញាវិសាលគមបណ្តោះអាសន្ននៃចំណុច quantum state រំភើប (រួមទាំងការ bleaching ស្ថានភាពដី ការស្រូបយករដ្ឋរំភើប។ ល។ ) នឹងថយចុះយ៉ាងឆាប់រហ័ស។ ដោយសារការផ្ទេរថាមពលពាក់ព័ន្ធនឹងចលនារួមនៃអេឡិចត្រុង និងរន្ធ សញ្ញាវិសាលគមអន្តរកាលនៃចំនុចកង់ទិចនឹងមិនបង្ហាញការរួមចំណែកនៃអេឡិចត្រុង ឬរន្ធដែលនៅសេសសល់ ដូចដែលបានសង្កេតឃើញនៅក្នុងការផ្ទេរបន្ទុកនោះទេ។ ប្រសិនបើការស្រូបយកស្ថានភាពស្ថិរភាពនៃអ្នកទទួលយក A ធ្លាក់ក្នុងជួរការរកឃើញវិសាលគម A នឹងប្តូរទៅស្ថានភាពរំភើប A* បន្ទាប់ពីការផ្ទេរថាមពល ដែលនាំទៅដល់ការបង្កើតសញ្ញាដូចជាការ bleaching របស់ដី និងការស្រូបយករដ្ឋរំភើប (រូបភាព 10a) ។ ស្ថានភាពរំភើប A* រលួយតាមអត្រានៃការបំបែកខាងក្នុងរបស់វា (k ₀(A)) ។ ប្រសិនបើ A គឺជាវត្ថុធាតុ fluorescent ឬម៉ូលេគុល វានឹងបញ្ចេញ fluorescence (PL) ។ ដំណើរការថាមវន្តដែលត្រូវគ្នាទៅនឹងការវិវត្តន៍វិសាលគមបណ្តោះអាសន្នដែលបានពិពណ៌នាខាងលើត្រូវបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 10 ខ។ កំឡុងពេលផ្ទេរថាមពល ឌីណាមិក bleaching state ដីនៃ quantum dot នឹងពន្លឿនការរលួយរបស់វា (k ₀ + k _EnT )។ នេះត្រូវបានអមដោយជំនាន់ (k _EnT ) នៃសញ្ញា bleaching state ដីដែលត្រូវគ្នានឹង A* និងឌីណាមិកនៃការបំបែកជាបន្តបន្ទាប់។ លើសពីនេះទៅទៀត ប្រសិនបើអ្នកទទួល A បង្ហាញសញ្ញា fluorescence នោះ ខ្សែកោង PL (TRPL) ដែលដោះស្រាយពេលវេលានៃ A ក៏អាចប្រមូលបានដែរ (ការដោះស្រាយពេលវេលារបស់ TRPL ត្រូវការលឿនជាងដំណើរការផ្ទេរថាមពល) ។ តាមរយៈការកើនឡើងរបស់វា (ដែលឆ្លុះបញ្ចាំងពីដំណើរការបង្កើត A*) ដំណើរការ kinetic នៃការផ្ទេរថាមពលអាចត្រូវបានចាប់យកដោយផ្ទាល់ (រូបភាព 10b) ។

រូបភាពទី 10. លក្ខណៈនៃការវិវត្តនៃវិសាលគមស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្ន កំឡុងពេលផ្ទេរថាមពលនៃចំនុចកង់ទិច (a) និងខ្សែកោង kinetic ដែលទាក់ទងគ្នា (b)

រូបភាព (a) រួមបញ្ចូលនូវវិសាលគមស្រូបទាញ និងការបញ្ចេញនៃស្ថានភាពស្ថិរភាពរបស់អ្នកបរិច្ចាគ និងអ្នកទទួល A ដែលបំពេញតាមតម្រូវការសម្រាប់ដំណើរការផ្ទេរថាមពល resonance ដែលនឹងកើតឡើង។

វាអាចត្រូវបានគេសង្កេតឃើញថាការផ្លាស់ប្តូរនៅក្នុងវិសាលគមស្រូបយកបណ្តោះអាសន្នដែលជាលទ្ធផលនៃដំណើរការផ្ទេរថាមពលនៃចំនុចកង់ទិចគឺប្រហាក់ប្រហែលនឹងអ្វីដែលបណ្តាលមកពីដំណើរការផ្ទេរបន្ទុក។ ភាពខុសគ្នាសំខាន់គឺស្ថិតនៅក្នុងការពិតដែលថាការផ្ទេរថាមពលពាក់ព័ន្ធនឹងចលនាដំណាលគ្នានៃអេឡិចត្រុង និងរន្ធ ចំណែកការផ្ទេរបន្ទុកតំណាងឱ្យឥរិយាបទឯករាជ្យនៃអេឡិចត្រុង ឬរន្ធ។ ជាងនេះទៅទៀត ប្រសិនបើទាំងអ្នកបរិច្ចាគ quantum dot និងអ្នកទទួល A មានការរំភើបនៅរលកពន្លឺជាក់លាក់មួយ នោះសញ្ញាវិសាលគមអន្តរកាលកាន់តែស្មុគស្មាញ ដែលទាមទារឱ្យមានការវិភាគ និងការបកស្រាយយ៉ាងប្រុងប្រយ័ត្ន។

07 ការផ្សំ Auger

នៅពេលដែលអាំងតង់ស៊ីតេនៃការរំភើបគឺខ្ពស់ អេឡិចត្រុងជាច្រើន (អេឡិចត្រុង - គូរន្ធ) ត្រូវបានបង្កើតក្នុងពេលដំណាលគ្នានៅក្នុងចំនុចកង់ទិច។ នៅចំណុចនេះ ដោយសារតែឥទ្ធិពលនៃការបង្ខាំងលំហរនៅក្នុងចំនុច quantum ការភ្ជាប់គ្នាដ៏ខ្លាំងរវាង excitons នឹងកើតឡើង ដែលនាំទៅដល់ដំណើរការផ្សំឡើងវិញនៃ Auger ដែលមិនមានវិទ្យុសកម្មយ៉ាងឆាប់រហ័សនៃ excitons ច្រើន។ ជាពិសេស ការបញ្ចូលគ្នាយ៉ាងឆាប់រហ័សនៃ exciton មួយផ្ទេរថាមពលទៅអេឡិចត្រុង ឬរន្ធនៃ exciton ផ្សេងទៀត។ ក្រោយមក ក្រោយមកទៀតមានការរំភើប ផ្លាស់ប្តូរទៅកាន់គន្លងថាមពលខ្ពស់ជាងនៅក្នុងគម្លាតក្រុមរបស់វា មុនពេលដែលឆាប់រលាយត្រឡប់ទៅគែមក្រុម ធ្វើឱ្យចំនុចកង់ទិចត្រឡប់ទៅស្ថានភាពរំភើបនៃ exciton តែមួយ (រូបភាព 11a) ។ វាជាភស្តុតាងដែលថាដំណើរការ Auger ពាក់ព័ន្ធនឹងការរំសាយថាមពល ហើយកិច្ចខិតខំប្រឹងប្រែងគួរតែត្រូវបានធ្វើឡើងដើម្បីកាត់បន្ថយការកើតឡើងរបស់វាឱ្យបានច្រើនតាមដែលអាចធ្វើទៅបាននៅក្នុងកម្មវិធីដូចជា photocatalysis, photoelectric conversion និង luminescence ។ ការសិក្សាក៏បានផ្តោតទៅលើការបន្ថយល្បឿននៃដំណើរការ Auger និងកាត់បន្ថយ ឬជៀសវាងការបាត់បង់ថាមពល ដោយការផ្លាស់ប្តូររចនាសម្ព័ន្ធគីមី និងរូបវន្តនៃចំនុច quantum ។ លើសពីនេះទៀត ប្រសិនបើចំនុច quantum ខ្លួនវាផ្ទុកបន្ទុកវិជ្ជមាន ឬអវិជ្ជមានមួយ ឬច្រើន (ឧទាហរណ៍ ចំណុចកង់ទិចដែលមាននៅក្នុងស្ថានភាពខូច ឬ doped ជាមួយអ៊ីយ៉ុង) ស្ថានភាព trion (ដែល exciton មានបន្ទុកវិជ្ជមាន ឬអវិជ្ជមាន) ដែលបង្កើតឡើងបន្ទាប់ពីការរំភើបក៏នឹងបង្កឱ្យមានដំណើរការរលួយយ៉ាងឆាប់រហ័សនៃ exciton (ដូចរូបភាពទី 11b) ។

រូបភាពទី 11. Fast Auger recombination នៅក្នុងសមា្ភារៈ quantum dot

(a) ការផ្សំឡើងវិញលឿន Auger នៅក្នុងរដ្ឋ biexciton

(b) ការរួមបញ្ចូលគ្នានៃ Auger លឿននៅក្នុងរដ្ឋ trion ។

ដំណើរការផ្សំឡើងវិញរបស់ Auger នៅក្នុងចំនុច quantum អាចត្រូវបានស៊ើបអង្កេតដោយប្រើ spectroscopy ស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្នជ្រុល។ ដោយការប្រមូលការស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្នដែលរំភើបដល់ខ្សែកោង kinetic របស់រដ្ឋនៅថាមពលរំភើបផ្សេងគ្នា វាត្រូវបានគេសង្កេតឃើញថានៅពេលដែលថាមពលរំភើបឈានដល់កម្រិតជាក់លាក់មួយ សមាសធាតុដែលរលួយយ៉ាងឆាប់រហ័សលេចឡើងនៅក្នុងខ្សែកោង kinetic (រូបភាព 12b) ។ លើសពីនេះទៅទៀត ទាំងទំហំ និងអត្រាពុកផុយនៃសមាសធាតុនេះកើនឡើងជាមួយនឹងការកើនឡើងនៃថាមពលរំភើប ដែលបង្ហាញពីដំណើរការផ្សំឡើងវិញនៃ excitons ច្រើន។ និយាយជាទូទៅ ថាមពលរំភើបកាន់តែខ្លាំង នោះចំនួន excitons កាន់តែច្រើនដែលបង្កើតក្នុង quantum dot តែមួយ ដែលនាំឱ្យដំណើរការ Auger recombination លឿនជាងមុន។ យើងអាចធ្វើឱ្យមានលក្ខណៈធម្មតា និងប្រៀបធៀបខ្សែកោងឌីណាមិកនៃរដ្ឋរំភើបដែលស្ថិតនៅក្រោមអំណាចផ្សេងៗគ្នាតាមមាត្រដ្ឋានពេលវេលាពន្យាពេលយូរ។ ជាយថាហេតុ ខ្សែកោងទាំងនេះនៅក្រោមថាមពលផ្សេងគ្នានឹងបង្ហាញដំណើរការឌីណាមិកដូចគ្នាបេះបិទនៅលើមាត្រដ្ឋានពេលវេលាយូរជាងនេះ (រូបភាពទី 12a) ដែលបង្ហាញថាចំនុចកង់តាំ ដោយមិនគិតពីថាមពលរំភើប ទីបំផុតនឹងឈានដល់ស្ថានភាពតែមួយ និងឆ្លងកាត់ដំណើរការបំបែកដូចគ្នាសម្រាប់ exciton តែមួយ។ ដោយការប្រៀបធៀបខ្សែកោង kinetic ទាំងនេះ យើងក៏អាចគណនាអត្រានៃការផ្សំឡើងវិញរបស់ Auger ផងដែរ។ ដោយយកអត្រាការពុកផុយរបស់ Auger នៃ biexciton ជាឧទាហរណ៍មួយ (រូបភាពទី 12b) នៅពេលដែលដំណើរការ Auger (សមាសធាតុលឿនក្នុងឌីណាមិក) ទើបតែចាប់ផ្តើមលេចឡើង សមាសធាតុលឿននេះអាចត្រូវបានកំណត់គុណលក្ខណៈតែមួយគត់ចំពោះចំនុច quantum ជាមួយ biexcitons ។ បន្ទាប់មកដោយការដកខ្សែកោង kinetic ដែលទទួលបានក្រោមលក្ខខណ្ឌដោយគ្មានដំណើរការ Auger (ពោលគឺជាមួយនឹងការរំភើបថាមពលទាប) ពីខ្សែកោងនេះ ភាពខុសគ្នាជាលទ្ធផលនៅក្នុងឌីណាមិកអាចចាត់ទុកថាជាដំណើរការបំបែក Auger សម្រាប់ biexcitons ។ ដោយសមទៅនឹងភាពខុសគ្នានេះ យើងអាចកំណត់អត្រាការពុកផុយរបស់ Auger សម្រាប់ biexcitons ។ នៅពេលដែលមាន excitons កាន់តែច្រើន (ក្រោមថាមពលរំភើបខ្លាំង) ចំនួន excitons ក្នុង quantum dot នីមួយៗធ្វើតាមសមីការការចែកចាយ Poisson ។ ក្នុងករណីនេះ គំរូថាមវន្តស្មុគស្មាញគឺត្រូវការជាចាំបាច់ដើម្បីកំណត់អត្រានៃការពុកផុយរបស់ multi-exciton Auger ។

រូបភាពទី 12. ការរកឃើញនៃដំណើរការផ្សំឡើងវិញរបស់ Auger នៅក្នុងវត្ថុធាតុ quantum dot ច្រើនដោយ ថាមវន្ត spectroscopy ស្រូបយកអន្តរកាលជ្រុលលឿន។ 

(ក) ការស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្នដែលអាស្រ័យដោយថាមពលរំភើបរំភើប - ខ្សែកោងនៃឌីណាមិករដ្ឋដែលរំជើបរំជួល៖ នៅពេលដែលថាមពលរំភើបកើនឡើង សមាសធាតុបំបែកយ៉ាងលឿនលេចឡើងនៅក្នុងខ្សែកោងឌីណាមិក ដែលបង្ហាញពីការកើតឡើងនៃដំណើរការ Auger

(b) ការប៉ាន់ប្រមាណនៃអត្រានៃការផ្សំឡើងវិញរបស់ Auger នៅក្នុងករណី biexciton ដោយប្រើវិធីផ្សេងគ្នានៃខ្សែកោងថាមវន្ត។

08 សេចក្តីសន្និដ្ឋាន

នៅក្នុងអត្ថបទនេះ យើងបានណែនាំជាចម្បងនូវជួរនៃលក្ខណៈ spectroscopy បណ្តោះអាសន្នទាក់ទងនឹងក្រុមហ៊ុនដឹកជញ្ជូន និងដំណើរការថាមវន្តនៅក្នុងប្រព័ន្ធ semiconductor quantum dot ។ ទាំងនេះរួមមាន ស្ថានភាពរំភើប ស្ថានភាពពិការភាព ការផ្ទេរបន្ទុក ការផ្ទេរថាមពល អេឡិចត្រុងក្តៅ ឥទ្ធិពល Stark និង Auger recombination ។ រូបភាពទី 13 សង្ខេបដំណើរការថាមវន្តដែលអាចរកឃើញដោយការថតចម្លងបណ្តោះអាសន្ននៅក្នុងប្រព័ន្ធសម្ភារៈ quantum dot ។ មានភាពស្រដៀងគ្នាជាច្រើនរវាងវិសាលគមបណ្តោះអាសន្ននៃវត្ថុធាតុ semiconductor quantum dot និងប្រព័ន្ធសម្ភារៈម៉ូលេគុល។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ វាជាការសំខាន់ណាស់ដែលត្រូវបញ្ជាក់ថា ដោយសារយន្តការផ្សេងគ្នាដែលស្ថិតនៅក្រោមការបង្កើតសញ្ញាវិសាលគមបណ្តោះអាសន្ននៅក្នុងប្រព័ន្ធសម្ភារៈទាំងពីរប្រភេទនេះ ដំណើរការថាមវន្តជាក់លាក់នឹងបង្ហាញភាពខុសគ្នាយ៉ាងសំខាន់។ ជាឧទាហរណ៍ ដំណើរការផ្ទេរអេឡិចត្រុងជាធម្មតាបណ្តាលឱ្យមានការពុកផុយ (ការស្តារឡើងវិញ) នៃសញ្ញា bleaching state ដីនៅក្នុងវត្ថុធាតុ quantum dot ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដំណើរការដូចគ្នានេះ មិនចាំបាច់នាំទៅដល់ការពុកផុយនៃសញ្ញា bleaching state ដីនៅក្នុងវត្ថុធាតុម៉ូលេគុលនោះទេ។ ភាពខុសគ្នានេះកើតឡើងពីយន្តការផ្សេងៗគ្នា ដែលតាមរយៈនោះ សញ្ញា bleaching state ដីត្រូវបានបង្កើតនៅក្នុងម៉ូលេគុលសរីរាង្គ/អសរីរាង្គ និងសម្ភារៈ semiconductor ។ ដូច្នេះក្នុងការស្រាវជ្រាវ ការវិភាគជាក់លាក់ត្រូវតែធ្វើឡើងសម្រាប់ប្រព័ន្ធសម្ភារៈផ្សេងៗគ្នា ព្រោះថាការរកឃើញពីប្រព័ន្ធមួយមិនអាចអនុវត្តដោយផ្ទាល់ទៅប្រព័ន្ធមួយផ្សេងទៀតបានទេ។

រូបភាពទី 13. ដំណើរការឌីណាមិករបស់ក្រុមហ៊ុនដឹកជញ្ជូនសំខាន់អាចរកឃើញដោយវិសាលគមស្រូបទាញបណ្តោះអាសន្ននៅក្នុងវត្ថុធាតុ quantum dot

(រក្សាសិទ្ធិគ្រប់យ៉ាង សូមដកស្រង់ប្រភព)