【摘要】 深度解析准一维/二维半导体中三子与双激子结合能计算方法，涵盖碳纳米管、量子异质结等纳米结构的激子复合体特性、维格纳晶体形成机制及在光电子器件中的应用前景。

纳米结构中的激子复合体特性

在半导体量子井、纳米线和量子点中，三子（带电激子）与双激子的结合能呈现独特规律。实验研究表明，小直径碳纳米管（如(7,5)和(6,5)型）中三子结合能可达63meV，而双激子结合能则达到92meV（图1）。值得注意的是，随着纳米结构横向尺寸变化，两类激子复合体的稳定性呈现交叉现象，这为光电器件设计提供了关键理论依据。

不同直径碳纳米管中三子与双激子结合能对比图

图1. 单个CdSe量子点在多个激发强度下的时间积分光致发光光谱的示例。[1]

 

组态空间方法核心原理

BondarevIV提出的组态空间计算方法，通过构建二维电子-空穴运动坐标系（图2），可精确模拟准一维/二维半导体中的激子束缚态。该方法揭示：

  • 强受限结构中（还原质量<0.1m₀）三子结合能占优
  • 弱受限体系下双激子稳定性显著提升
  • 维格纳晶体形成与激子隧穿速率直接相关

准一维半导体激子络合物能级分布示意图

图2. 在唯象模型、未屏蔽模型和屏蔽模型中得到的三子和双激子结合能之间的差。[1]

 

关键技术突破与应用前景

该计算方法成功解释了碳纳米管中反常结合能现象：当直径<1nm时，三子结合能超越双激子达30%以上。在范德华异质结（如MoS₂/WS₂双层结构）中，该方法可预测：

1.间接激子复合体寿命延长机制

2.维格纳晶体稳定阈值参数

3.自旋极化载流子的输运特性

 

产业应用与挑战

当前研究证实，通过调控量子限域效应可实现：

  • 光伏器件中激子解离效率提升
  • 低维材料激光器的阈值控制
  • 量子信息存储的稳定性增强
    但实际应用中仍需解决激子扩散长度限制（<10μm）和温度敏感性问题（室温稳定性<50%）。

 

参考文献：[1] Bondarev I V. Configuration space method for calculating binding energies of exciton complexes in quasi-1D/2D semiconductors[J]. Modern Physics Letters B, 2016, 30(24): 1630006.

 

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