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量子点光致漂白与HfO?封装层抑制效应研究。通过薛定谔方程与密度矩阵法，数值模拟了ZnS/CdS核壳圆柱量子点（CCS-QD）的量子限域效应。实验表明HfO?封装层可有效缓解高光强（0.3 MW/cm2）下量子限域效率随尺寸增大（d=1.5→2.5 nm）的衰减，在R?/R?=0.8时能量偏移达32.97 meV，较未封装结构提升1.68倍吸收系数。
A. Naifar|K. Hasanirokh
凯鲁万工程研究预备学院，凯鲁万大学（I.P.E.I.K），突尼斯凯鲁万
摘要
光漂白仍然是在高强度光照下保持量子点光子操作能力的一个重大障碍。在这项研究中，我们仔细评估了HfO2介电层在减轻圆柱形ZnS/CdS核壳量子点的光漂白方面的有效性。通过使用薛定谔方程和密度矩阵形式主义，我们数值确定了量子化能级及其相应的电子本征向量。我们的结果表明，由于高度“d”和核壳半径比“RI/RII”的同时增加而导致的量子限制效率显著下降，可以通过使用介电常数超过活性结构的封装层来有效缓解。此外，对于核壳比为0.8且圆柱高度为1.5纳米的情况，使用HfO2封装后，能量发生了32.97毫电子伏的位移，超过了未涂层量子点预测的14.82毫电子伏的位移。对于固定的几何配置（RI/RII =0.4；d=1.5纳米），在HfO2封装层存在的情况下，过渡矩阵元素的平方值达到48.15纳米2，相对于均匀配置提高了大约1.68倍。当圆柱高度d增加到2.5纳米时，总吸收系数向较低能量方向移动了大约35.2毫电子伏，其峰值幅度从5.31 × 105米-1增加到6.45 × 105米-1。此外，根据RI/RII的值，在0.3 MW/cm2的辐照度下，HfO2封装的存在使总吸收系数表现出更好的稳定性，而未涂层结构在0.1 MW/cm2的辐照度下就显示出明显的光谱分裂。
考虑到介电不匹配以及HfO2封装引入的能量边缘效应，我们的模型为下一代纳米光子和光电器件中的光-物质相互作用提供了预测框架。
引言
核壳量子点（CS-QDs）有多种形状，每种形状都具有独特的性质和优势，适用于特定的应用[1]。最常研究和使用的量子点是球形的，因为它们相对容易合成，并且其光学和电子行为已经得到了很好的理解[2],[3]。然而，多年来，研究人员探索了其他几何形状，如棒状、四面体和盘状量子点，每种形状都提供了不同的限制效应和可调性质[4]。其中，圆柱形核壳量子点（CCS-QDs）最近被证明是纳米技术中的一个有前景的新趋势[5]。与球形量子点不同，圆柱形量子点引入了一个额外的高度参数，从而可以更精细地控制载流子的限制[6]。这个额外的维度增强了电子和光学行为的可调性，并支持高效光电器件和光伏器件的发展[7]。
在实际应用或实验设置中，CCS-QDs很少作为孤立系统进行研究。在合成过程中，这些纳米系统通常被制备或嵌入到复杂的环境中，如胶体溶液、聚合物基质或介电封装层中[8],[9]。这些周围介质对于纳米系统的稳定性至关重要，影响它们的辐射和导电行为，并提高其集成到器件中的可加工性。因此，无论是理论建模还是实验表征量子点，都需要考虑周围的宿主介质，其介电和结构性质可以显著改变限制、载流子传输和界面相互作用[10]。在微电子学中，使用高k介电材料（如二氧化铪（HfO2）的集成变得越来越重要[11],[12]。作为封装层，HfO2不仅提供了环境稳定性和改进的绝缘性，还显著影响了封装纳米结构内载流子的行为[13]。根据氧化层的性质（如厚度、均匀性和介电常数），载流子的空间限制和光子跃迁可能会得到增强或阻碍[14],[15]。这些变化直接影响性能参数，如能量效率、载流子迁移率和光稳定性，因此仔细设计HfO2封装对于满足未来高性能纳米电子器件的工业期望至关重要[16]。
从早期的学术工作中，许多研究量子点与封装层的属性的报告主要集中在自极化项的影响上，这涉及所有介电常数[17],[18],[19],[20],[21],[22]。例如，Amin等人[17]研究了几何参数、松弛时间、杂质位置和电场强度对嵌入三种介电基质（SiO2、CFM和2M2P）中的CdSe/ZnS核壳量子点（CSQDs）的杂质结合能的影响。他们的结果表明，周围的介电介质强烈调节了非线性光学行为，其中SiO2提供了最高的第三阶极化率。Ed-Dahmouny等人[18]研究了由GaAs核心和AlGaAs壳组成的核壳纳米点在三种不同基质（PVA、PMMA和SiO2）中产生的第三谐波生成（THG）相关的第三阶极化率。他们的结果表明，根据介电环境的不同，THG响应的实部和虚部峰值以及模量可以显著增强，并显示出明显的红移或蓝移。Yahyaoui等人[19]计算了嵌入各种宿主基质（BZT、PVA和PI）中的CdSe/ZnSe球形量子点中电子的能级和相应的波函数。他们的发现表明，通过适当选择宿主介质，可以显著增强电子限制，当量子点嵌入介电常数最高的基质中时，复有效介电函数的虚部显著增加。作者[20]对各种介电周围基质（PVA、PVP、SiO2和PMMA）对InP/ZnS核壳量子点的光增益特性的影响进行了全面研究。他们的分析表明，光增益明显依赖于注入电流密度，PVA封装由于其有利的介电屏蔽和界面耦合特性而显著增强了增益幅度。Sadeghi及其同事[21]证明了QD/氧化铝电荷屏障可以引起量子点辐射寿命的显著变化，并有效调节电子的光喷射率。作者[22]通过磁控溅射制备了HfO2/SiGeSn QD/HfO2/p-Si多层电容器，并进行了快速热退火（RTA）实验。在这种结构中，HfO2作为有效的封装和介电介质，促进了结构稳定性，控制了Sn的扩散，并在SiGeSn量子点周围实现了高效的电荷限制。在520–530 °C下退火的优化结构显示出了结晶良好的量子点，具有频率独立的记忆窗口3–4伏和高电荷存储密度（约1013电子厘米-2），突显了HfO2封装在CMOS兼容的非易失性存储设备中的潜力。
在强辐照下，材料的光吸收系数（OACs）和折射率变化（RICs）会发生显著变化，影响它们的形状和强度[23],[24],[25],[26]。这些变化可能导致光物理属性的显著偏差，这种现象通常被称为“辐照引起的畸变”。这种修改会严重干扰各种光学和光电器件的性能，因为它们直接影响光-物质相互作用和能量传输过程。例如，作者[23]研究了In-fraction调谐对InN/InGaN多层量子点的光电特性的影响。他们的发现表明，当In含量增加时，会导致总吸收系数的分裂，并伴随光谱的明显红移。Fakkahi等人[24]在计算研究中清楚地表明，OACs和能级间能量间隙强烈依赖于Kratzer纳米尺度陷阱深度和内部尺寸的变化。他们还观察到，在更高的过渡能量下，特别是在I = 2 MW/cm2的辐照度下，光漂白现象变得更加明显。作者[25]研究了磁场和内核尺寸如何影响II-VI CS-QD内部缺陷的光电特性。他们的结果表明，在特定的中心尺寸和磁场强度条件下，可以有效地最小化光漂白效应。Ali等人[26]对自组装的截锥形量子点（QD）结构中的光吸收进行了建模，重点研究了几何参数和QD密度对光吸收过程的影响。他们的分析表明，吸收系数的形状和大小对点几何形状非常敏感。他们得出结论，在生长阶段精确控制QD的体积对于保持所需的吸收轮廓至关重要。
在光电设备（如光电探测器、太阳能电池和激光器）中，辐照引起的畸变会严重影响设备的功能，如[8],[10]中所指出的。这些畸变可能导致信号清晰度降低、能量转换效率降低以及活性材料的逐渐退化，最终影响长期稳定性[27]。因此，减轻与辐照相关的效应对于提高先进光子和电子系统的性能、可靠性和寿命至关重要。这些效应通常源于活性区域内过多的载流子积累、局部加热和缺陷的产生，这些因素共同改变了材料的电子带结构和光学响应[28]。因此，设计先进的架构和坚固的介电封装对于减少辐照引起的损伤并在强光照下保持设备性能的稳定性至关重要。
在这项全面的探索中，我们重新审视并改进了文献中关于CCS-QD涂层的几个普遍接受的假设。在精确定义了模型几何形状及其氧化壳后，我们系统地分析了嵌入基质的影响，并探讨了核/壳半径和高度的变化如何影响关键物理参数。这些参数包括限制能量、电子密度分布和总吸收系数。我们的工作如下所述：第1节提供了研究的介绍和动机；第2节概述了理论框架；第3节详细讨论和解释了结果；第4节总结了主要结论。
模型的理论构建
假设在ZnS/CdSe CC-SQD内部存在一个局域负电荷。如图1所示，这种情况定义了一个势垒-阱结构轮廓。符号定义了陷阱区域的空间范围，其中核心（壳）半径表示为RI（RII）。我们使用RI/RII比率来表征核与壳的比例，而纳米结构的高度由d表示。我们还假设这个研究的CC-SQD被嵌入到
数值结果和物理讨论
之前没有研究过嵌入HfO2氧化层中的ZnS/CdSe CCS-QD的确切导带偏移，因此通过涉及材料的电子亲和力和带隙能量来评估带偏移，这些在表1中进行了总结。导带偏移，即电子限制势（VC/S），是通过众所周知的公式计算的：对于ZnS/CdSe异质结。对于其他剩余的带，也采用了相同的程序
结论性评论
通过使用基于薛定谔方程和密度矩阵形式主义的综合理论框架，我们数值计算了HfO2封装的ZnS/CdS CCS-QD中的离散能级及其相应的电子波函数。高介电常数氧化层的引入有效地抵消了由于尺寸增加而导致的量子限制的退化。这种HfO2涂层提高了在高辐照水平下的光学吸收稳定性
CRediT作者贡献声明
A. Naifar：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，软件，方法论，研究，形式分析。K. Hasanirokh：研究
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
