纳米半导体中多重激子效应研究进展.doc

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1、物 理 学 报 ， （ ） 综 述 纳 米 半 导 体 中 多 重 激 子 效 应 研 究 进 展 刘 长 菊 卢 敏 苏 未 安 董 太 源 沈 文 忠 ￥ ） （ 江 西理 工 大 学理 学 院 ， 赣 州 ） ） （ 上 海 交通 大 学 太 阳 能 研 宄 所 ， 物 理 与 天 文 学 院 凝 聚 态 光 谱 与光 电 子 物 理 实 验 室 上 海 ， ） （ 年 月 日 收 到 一 ； 年 月 日 收 到 修 改 稿 ） 多 重 激 子 效 应 是 指 纳 米 半 导 体 吸 收 个 高 能 光 子 后 产 生 两 个 甚至 多 个 电 子 空 穴对 的 物理 过 程 ， 不 仅

2、 具 有 重 要 的 基础 研 宄 意 义 ， 而 且 在新 型 太 阳 电 池 及 高 性 能 光 电 子 器 件 领 域具 有 潜 在应 用 价 值 综述 了 多 重 激 子 效 应 的 发展 历 程 ； 总 结 了 纳 米 半 导 体 的 材 料 组 分 、 体 系 结 构 甚至 表 面 质 量 对 多 重 激 子效 应 的 影 响 ； 介 绍 了 多 重 激 子 效 应 的 实 验 测 试 分析 方 法 以 及 解释 多 重 激 子 效 应 的 理 论 方 法 ； 概括 了 目 前 多 重 激 子效 应 在 器 件 中 的 应 用 并 对其 应 用 前 景 进 行 展 望 关 键 词

3、： 多 重 激 子 效 应 ， 量 子 效率 ， 阈 值 能量 ， 纳 米 半 导 体 ： ， ， ： 极 限 光 伏应 用 的 推 广 与 普 一 及 有 赖 于 引 言 太 阳 电 池 转 换 效 率 的 进 步 提 高 和 源 日 益 严 和 色 理 低 尽 管 目 前 己 提 出 了 多 结 叠 ， 层 太 阳 电 池 、 逐 随 着 能 危 机 的 阳 峻 绿 范 发 展 念 的 了 重 上 转 换 太 阳 电 池 以 及 热 载 流 子 太 阳 电 池 等 步 推 广 ， 太 能 的 利 用 在 世 界 围 内 受 到 方案 来 提 高 太 阳 电 池 的 转 换 效率 ， 但 纳

4、 米 太 一 阳 电 池 视 ， 太 阳 电 池 得 到 一 了 广 泛而 深 入 一 的 研 究 生 一 当 的 研 一 究 才 刚 刚 起 步 ， 与 实 际 应 有 还 有 定 的 距 离 半 导 体 一 材 料 吸 收 个 光 子 时 ， 般 会 产 对 具 另 方 面 ， 近 年 发现 的 因 纳 米 半 导 体 吸 收单个 光 子 有 碰 定 动 能 的 热 载 流 子 而 热 载 流 子 与 晶 格 发 生 而 产 生 多 个 电 子 空 穴 对 的 多 重 激 子 效 应 丨 撞 辐 射 声 子 ， 在 皮 秒 时 间 尺 度 内 驰 豫 到 带 边 是 近 红 区 ， ） 能

5、 够 有 效 地 利 用 热 耗 散 （ 图 丨 ？ 太 阳 光 谱 个 从 紫 外 到 外 这 部 分 能 量 ， 有 望 提 高 太 阳 电 池 等 光 电 子 器 件 的 性 域 的 宽 光 谱 ， 这 限 制 了 太 阳 电 池 的 转 换 效 率 在 能 ， 因 而 得 到 了 广泛 的 关注 ， ， ， 且 其 实 验 检 太 阳 电 池 的 各 种 能 量 损 耗 中 ， 光子 能 量 丨 为 测 与 理 论研 究 均 取 得 了 进 展 本 文 综 述 了 纳 米 半 普 朗 克 常 数 ， 幼 为 光 波 频 率 ） 超 过禁 带 宽 度 部 分 导 体 的 材 料 组 分

6、和 形 态 结 构 对 的 影 响 ， 介 绍 （ ） 的 热 耗散 约 占 图 （ ） 所 示 为 了 多 重 激 子 效 应 的 实 验 测 试分 析 方 法 以 及 当 前 解 光子 能 量 低 于 禁 带 宽 度 不 能 被 吸 收 、 电 子 空 穴 对 的 释 的 理 论 方法 ， 并 总 结 了 多 重 激 子 效 应 在 器 复 合 及 结 电 势 差 与 接触 电 势 差 等 损 耗 因 素 单 结 太 件 上 的 应 用 ， 对 其应 用 前 景 及 下 一 步 发展 方 向 进 行 阳 电 池 的 极 限 效 率 仅 为 ， 此 即 展 望 国 冢 自 然 科 学 成 本

7、 的 有 效 降 一 通 信 作 者 ： ？ 中 囯 物理 学 会 ： 通 信 作 者 ？ ： 物 理 学 报 ， ， （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） ！ ： 能 激 ； 爾 学 罄 株 笼職 输 顧 纖 耗 ： （ 传 绿 熱 窗 过 賴 顯 （ 的 參 鐘 激 子 魏 ） 菌 ； （ ） 标 推 龙 池 中 的 麗 量 过 藝 避 子 予 不 焦 被 喊 收 晶 格 的 热 损 耗 ？ 结 电 势 差 损 耗 ， 接 触 电 一 势 差 损 耗 、 ？ 复 合损 耗 （ 辐 射 复 含 的 过 不 可 龟 的 ） ） 单 态 分 裂 过 程 示 意 图 （？ 初 始 激 发到 刼

8、态 ， 激 发 电 子 通 过 激 发 另 个 电 子 而 魏 愈 到 ） 類 ：的 单 态 分 製 不 同 阶 段 坊 传 鐵 龙 和 ） 長 豪 難 拍 崎￥ （ 舞 國 为 雜 的 极 腸 ？ ； （ ） ； （ ） （ （ ） ， ？ ， ？ ， ， ？ （ ） ） ； （ ） （ （ ） ， ？ ） （ ； ） 生 ： ； （ ） （ ） （ ） 电 空 发 展 历 史 倍 増 效 应 热 载 流 子 通 过激 发 新 的 子 穴 对 即 激 子 ） 而 弛 豫 到 带 边 ， 这 对 提 高 太 阳 电 池 的 世 纪 年 代 ， 在 半 导 体 材 料 中 发 现 了 因 吸 效

9、 率 以 及 提 升 光 电 器 件 的 性 能 具 有 重 要 的 作 收 单 个 入 射 光 子 而 产 生 多 个 电 空 穴 对 的 载 流 子 用 ， 因 而 拫 快 得到 了 广 泛 而 深 入 的 研 究 物 理 学 报 ， （ ） 一 并 发展 了 碰 撞 电 离 理 论 阐 释其 物 ， 理 机 理 但 却 速 率 而 量 子 点 中 惟 与 多 重 激 子 效 应 竞 争 的 有 后 来 的 量 研 究 结 果 表 明 和 量 ， 由 于 光 激 发 要 同 时 遵 效 机 理 就 是 俄 歇 冷 却 重 ， 因 此 ， 量 子 点 中 可 能 存 从 动 守 恒 能 守

10、恒 定 律 ， 载 流 子 倍 増 效 率 较 在高 效 的 多 激 子 效 应 ！ 低 高 ， 随 其 实 着 对 纳 应 用 价 值 受 到 米 材料 即 量 子 怀 疑 点 研 究 的 深入 阳 ， 态吸 收 光谱 的 实 验 方法 在 纳 米 重 生 中 观 测 到 了 高 美 国 科 学 家 在 丨 ） 年 曾 预 言 纳 米 半 效 率 的 多 激 子 产 现 象 ， 首 次 在 实 验 中 证 实 了 导 体 中 存 在 高 效 率 的 载 流 子 倍 増 效 应 ， 纳 的 预 言 量 图 （ ） 图 （ 量 ） 表 明 不 同 带 隙 米 半 导 体 具 有 类 似 原 子

11、的 离 散 能 级 丨 之 的 吸 收信 子 点 在抽 运 光子 能 号 随 时 间 推 移 缓慢 下 降 ， 而 在 时 的 最 高 占 据 能 态 与 最 低 未 占 据 能 态 调 间 的 时 的 吸 收信 号 随 时 间 推 移 急 剧 下 降 考 虑 到 瞬 差 值 受 其 尺 度 的 而 电 控 ） 使 得声 子辐 射 概 地 了 态 吸 收 光 谱 信 号 的 强 度 与 量 子 点 中 的 空 穴 电 子 率 降 低 ， 从 导 致 ， 子 的 驰 豫 变 慢 ， 一 有 效 抑 制 对 数 目 相 关 ， 因 而 时 的 吸 收 信 号 俄 歇 复 合 效 应 电 电 另 方

12、面 ， 纳 米 半 导 体 的 表 面 因 而 仑 表 明 在 该 量 子 点 中 产 生 了 多 个 电 子 空 穴 对 ， 即 子 増 多 ， 了 子 间 的 相 互 作 用 増 强 ， 此 由 于 库 相 互 出现 了 多 重 激 子 效 应 图 所 示 为碰 撞 电 离 效 作 用 得 到 増 强 空 区 外 ， 限 纳 米 半 导 体 的 尺 度 量 率 随 入 射 光 子 能 量 的 变 化 情 况 ， 当 入 射 光 子 能 量 很 小 ， 因 此 载 流 子 的 间 吸 域 受 一 ， 动 不 再 守 恒 生 电 时 ， 随 着 的 増 加 碰 撞 效 率 由 零 显 著 増

13、， 纳 米 半 导 体 收 个 高 能 光子 产 仑 个 热 大， 到 时 碰 撞 效率甚 至 超 过 了 ， 即 子 后 ， 由 于 俄 歇 复 合 的 有 效 抑 制 和 库 相 互 作 用 多 重 激子 效 率 甚 至 超过 多 重 激 子 效 率 的 増 强 ， 热 电 子 不 再 以 辐 射 声 子 的 形 式 冷 却 ， 而 是 与 入射 光子 的 能量 有关 （ 图 （ ） ） 该 研 究 结 果 立 即 通过 激 发 基 态 电 子 而 驰 豫 到 导 带 底 ， 如 图 所 引起 了 广 泛 的 关注 在 此 后 的 几 年 中 ， 多 种 测 试 手 示 该 过 程 中 ，

14、 当 光子 能 量 高 于 能 量 阈 值 段 和 计算 方 法 被 用 于 研 究 纳 米 半 导 体 中 的 多 重 激 ） 时 空 ， 纳 米 半 导 体 就 重 能 够 产 生 生 两 个 甚 至 多 子 效 应 ， 在 个 电 子 穴 对 ， 其 多 激 子 产 效率 由 量 生 子 效 率 空 ， ， ， ， ， ， ， ， （ 即 吸 收 单 个 光 子 而 在 其 内 部 产 的 电 子 穴 对 数 目 一 ） 来 表 征 生 电 传 统 光吸 收 过 程 吸 收 单 个 空 量 光 子 般 只 产 一 个 直 子 穴 对 ， 其 量 子 效 率 在 限 以 及 一 维 纳 米

15、 棒 中 相 继 发 现 了 多 重 激 子 时 为 条 线 （ 图 ） ， 能 转 换 的 极 效应 甚 至 在 二 维 量 子 薄 膜 、 石 墨 烯 薄 效 率 在 时 达 到 最 大 值 ， 为 而 多 膜 内 以及 约 的 与 单 晶 薄 膜 重 激 子 效 应 过 程 产生 的 电 子 空 穴 对 数 目 与 入 射 光 中 也 发 现 了 有 效 的 多 重 激 子 效 应 此 外 ， 不 仅 最 子 的 能 示 量 有 关 ， 其 效 率 （ 量 随 的 变 化 如 图 限 （ ） 近 在 量 子 点 制 备 的 光 电 探 测 器 和 由 碳 纳 米 所 趋 于 的 台 阶

16、状 结 构 ， 零 时 接 其 能 转 换 的 极 效 率 在 管 构 建 的 光 电 二 极 管 中 观 测 到 了 明 显 的 多 重 激 年 ， 等 ！ 使 用 半 经 验 非 局 域 赝 子 产 生 ， 在 染 料 敏 化 太 阳 电 池 和 量 子 点 太 阳 电 势 方 法 计 算 了 量 子 点 中 多 重 激 子 产 生 速 率 与 池 關 中 也 观 测 到 了 超 过 的 量 子 效 率 一 这 些 热 电 子 俄 歇 冷 却 速 率 ， 结 果 表 明 当 光 激发 的 热 电 子 研 究 结 果 揭 电 器 示 了 多 重 激 子 效 应 在 制 备 下 代 高 性 重

17、 且 其 带 隙 一 一 的 动 生 能 大 于 带 宽 时 ， 量 子 点 中 的 多 重 激 子 能 光 效 应 成 件 方面 具 有 潜 在 应 用 价 值 ， 领 并 使 多 为 了 区 激 子 分 体 材 产 效 率 比 晶 体 内 的 效 率 高 很 多 ， 电 从 理 论 上 量 与 纳 米 半 导 体 中 的 类 似 效 应 ， 强 调量 子 效 应对 多 重 证 实 了 一 的 预 言 和 图 丨 直 ） 所示 为 热 重 子 能 生 高 电 子 空 穴 对 即 激 子 产 生 的 影 响 ， 当 前 科 学 界 一 于 第 和 能 级 第 八 能 级 时 接 多 激 子 产

18、 过 程 般 都 采 用 “ 多 丨 重 激 子 ） 效 应 ” 描 述 纳 米 半 导 体 中 的 多 俄 歇 冷 却 过 程 的 激 子 寿 命 量 量 ， 图 丨 直 ） 所 示 为 光 子 重 重 激 子 产 生 过 程 ， ， ， 但 也 有 部 分科 学 家 仍 能 生 时 子 点 中 由 接 多 激 子 产 采 用 “ 载 流 子 倍 増 ” 丨 叫叫 仏 叫 叫 叫 如 丨 叫 这 一 术 语 范 与 俄 歇 冷 却 过 程 的 激 子 寿 命 直 重 生 图 可 见 可 ， 在 局 部 比 因 此 ， 文 献 中 的 “ 多 重 激 子 效 应 ” 与 “ 载 流 子 倍 増

19、 ” 围 内 ， 接 多 激 子产 重 的 激 子 寿 命 生 速 以 俄 歇 这 个 术 语几 乎 为 义 词 冷 却 过 程 小 ， 因 而 其 多 激 子产 率 高于 俄 歇 冷 两 同 物 理 学 报 ， （ ） ？ ） 来 識 謂 贿 細 ； 与 寥 麟 纖 麵 的 興 爾 纳 轉 ： 果 （ 螬 痛 ， 徽 ？ （ 鮮 中 俄 驗 讓 产生 激 守寿命 丨 （ ￥ 不 ？ 宽 场 时 ；量 （ （ 线 是 褒 下 的 吸 收 谱 线 ； （ ） 截 議 隹 亀 载 率 驢 入 射 光 子 龜 肇 变 化 ； ） 爾子 点 在 不 同 能 量 抽 垣 光 下 的 喊 收 儀 ： （

20、） ， （ ） （ ， （ ） ；（ ） （ ） （ ） （ ） ； （ ） 一 另 方 面 ， 在 如 世 纪 年 代 ， 人 们 发 现 四 光 子 产 生 两 个 甚 至 多 个 电 予 空 穴 对 ， 因 面 近 年 笨 晶 体 吸 收 一 个 高 能 光 子 后 激 发 到 一 个 单 线 也 采 用 多 重 激 子 效 应来 表 述 单 线 态 激 子 裂 变 效 态 激 单 线 态 激 子 再 分 裂 成 一 对 三 虞 态 激 子 应 （ 图 （ ， 该物 理 现 象 被 称 为 单 线 态 激 子 裂 变 效 应 是 有 机 半 导 体 材 料 中 的 多 重激 子 效 应 ， 从 而 拓 效 应 ， 图 所 示 为 该 物 理 过 程 不 同 展 ； ， 蓝 钱 和 阶 段 喪 空 间 上 的 行 为 表 现 尽 管 物 理 机 理 一 与 多 簠 阐 述 的 是无 机 纳 米 半