Кратко: физические свойства квантовых точек (КТ) — квантово‑конфайнмент, дискретный набор уровней и сильная зависимость зоны проводимости от размера — дают возможность настраивать поглощение/излучение и реализовать механизмы, повышающие эффективность фотопреобразования и оптоэлектронных приборов; ограничения — неконкурентные рекомбинационные и тепловые потери, рассеяние энергии на фононы и нелинейные эффекты (Аугер и т.д.). Ниже — с объяснениями и формулами.
1) Почему КТ полезны
- Квантовый конфинмент изменяет ширину запрещённой зоны: для сферической КТ (упрощённая формула Бруса)
$$E_g(R)=E_{g,\text{bulk}}+\frac{{\hslash }^2{\pi }^2}{2R^2}(\frac{1}{m_e^{\ast }}+\frac{1}{m_h^{\ast }})-1.8\frac{e^2}{4\pi {\epsilon }_0{\epsilon }_{r}R}.$$ Это даёт управляемое смещение поглощающего/излучающего фотона путём изменения радиуса $R$.
- Высокий поглощающий коэффициент и сильная концентрация носителей в объёме КТ повышают вероятность поглощения и излучения; энергия фотона
$$E=h\nu =\frac{hc}{\lambda },$$ поэтому размер задаёт спектральное положение пиков поглощения/люминесценции.
- Возможности для повышения эффективности: многоквантовое возбуждение (MEG, carrier multiplication), создание «промежуточных зон» и спектральное раздельное поглощение в градиентных слоях.
2) Возможности (как именно повышают эффективность)
- Многоквантовый поглотитель (MEG / CM): при $h\nu$ существенно больше $E_g$ один фотон может давать более одного экситона. Практический порог часто близок к
$$E_{\text{th}}\approx 2E_g,$$ и идеальная отдача при полном CM теоретически увеличивает фототок (и КПД) по сравнению с предельным значением Шокли–Квир (однозонный: $\approx 33\%$ при стандартных условиях).
- Спектральная настройка: изменяя размер/состав, получают поглощение/излучение от видимого до ИК, что позволяет оптимизировать соответствие солнечному спектру или создавать узкополосные источники света/лазеры.
- Гетероструктуры (core/shell), градиенты размеров/энергий и селективные контакты позволяют уменьшить потери при разделении и сборе носителей (увеличивает внешнюю квантовую эффективность $\mathrm{EQE}$).
3) Основные ограничения и механизмы потерь
- Неколичественные рекомбинации (ловушки у поверхности): неконкурентная (нелюбимая) рекомбинация через поверхностные состояния снижает квантовый выход:
$${\eta }_{\text{PL}}=\frac{R_{\text{rad}}}{R_{\text{rad}}+R_{\text{nr}}}.$$ - Аугер‑рекомбинация (особенно для мульти‑экситонов) — быстрый неконкурентный канал, мощно возрастает с плотностью носителей и убирает дополнительный ток, генерируемый MEG.
- Термические (тепловые) потери: лишняя энергия фотона $\Delta E=h\nu -E_g$ теряется на фононы (тепло). Горячие носители термализуются за время ${\tau }_{\text{cool}}$ (обычно $\sim 10^2\text{fs}-10\text{ps}$ в нанокристаллах), поэтому извлечение горячих носителей требует ${\tau }_{\text{ext}}<{\tau }_{\text{cool}}$.
- Энергетическая неоднородность ансамбля (разброс размеров) расширяет спектр и уменьшает пиковую эффективность и согласованность (важно для лазеров/светодиодов).
- Промежуточная зона (IB) из уровней КТ может давать дополнительное поглощение низкоэнергетичных фотонов, но эти уровни часто служат центрами рекомбинации, что снижает напряжение источника.
4) Формализация скоростей рекомбинации (упрощённая)
- Радиативная: $R_{\text{rad}}=Bnp$.
- Аугер: $R_{\text{Auger}}=C{n}^{2}p$ (приближённо — сильная зависимость от плотности).
- Общая скорость: $R_{\text{tot}}=R_{\text{rad}}+R_{\text{Auger}}+R_{\text{trap}}$.
5) Практические инженерные приёмы для повышения эффективности
- Поверхностная пассивация и core/shell конструкции → снижают $R_{\text{nr}}$ и улучшают ${\eta }_{\text{PL}}$.
- Минимизация размерного разброса → сужение спектра поглощения/излучения.
- Управление плотностью носителей и применением энергетических барьеров → подавление Аугера и улучшение отбора мультиэкситонов.
- Разработка селективных и энергетически‑избирательных контактов (для горячих носителей и промежуточных зон).
- Комбинация КТ с многозонными (многосекционными) или концентрированными схемами для использования спектральной настройки и MEG.
6) Итог (сильные/слабые стороны)
- Сильные стороны: размерно‑управляемый $E_g$, высокая прапорция поглощения и потенциал MEG/спектрального управления → перспективы для повышения тока и целевого излучения.
- Слабые стороны: быстрые неконкурентные рекомбинации (поверхностные состояния, Аугер), тепловые потери при термализации, сложности с извлечением горячих носителей и проблемой разброса размеров. Повышение эффективности требует материаловой и инженерной оптимизации: пассивация, гетероструктуры, селективные контакты и контроль плотности носителей.
Если нужно, могу привести конкретные численные примеры (времена релаксации, константы Аугера, экспериментальные MEG‑квантовые выходы для материалов типа PbSe/PbS) или схему устройства с промежуточной зоной.