Electronic and optical properties of semiconductor nanostructures

Abstract

The goal of this Thesis is to study the electronic and optical properties of semiconductor nanostructuresby employing different theories. The work present in this Thesis is divided into three parts.Part I is devoted to the effective-mass theory and its several applications. A general description of theeffective mass theory and several ways of solving the effective-mass Schrodinger equation with anemphasis on the potential morphing method are given in the first chapter. In the following few chapters,we apply these theories in many realistic systems for the study of many properties.They include: i) the binding energy of hydrogentic donor impurity in semiconductor quantum dots underthe influence of static electric field and/or magnetic field, ii) the linear and nonlinear optical propertiesassociated with intraband transitions in semiconductor quantum dots, core shell quantum dots andquantum-dot-quantum-ring systems.Part II is devoted to the pseudopotential theory and its several applications. The background theoriesprimarily regarding to the empirical pseudopotential method and configuration interaction approach aredescribed in the first chapter. In the following few chapters, we employ these theories for the study ofthe electronic and optical properties of many nanostructures of group II-VI materials. The opticalproperties studied herein include the band gap, Stokes shift, exciton fine structure, optical polarizationand absorption spectra.Part III is devoted to the appendix, where twelve published papers are presented.

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη των ηλεκτρονικών και οπτικών ιδιοτήτων νανοδομώνημιαγωγών κάνοντας χρήση κατάλληλων υπολογιστικών μεθόδων και τεχνικών. Η διατριβή χωρίζεταισε τρία μέρη.Το πρώτο μέρος εστιάζει στην θεωρία της ενεργούς μάζας (Effective-mass Theory) και τις εφαρμογέςτης. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο και δίνεται μίασυνοπτική περιγραφή των συνηθέστερων μεθόδων επίλυσης της μονοηλεκτρονιακής εξίσωσης τουSchrodinger, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην μέθοδο μορφοποίησης δυναμικού (Potential MorphingMethod). Στα επόμενα κεφάλαια του πρώτου μέρους οι τεχνικές και μέθοδοι που περιγράφηκανχρησιμοποιούνται για την μελέτη κρίσιμων ιδιοτήτων και παραμέτρων σε νανοσυστήματα ημιαγωγών.Μεταξύ αυτών είναι: i) η ενέργεια δέσμευσης υδρογονοειδών προσμίξεων τύπου δότη υπό τηνεπίδραση στατικού ηλεκτρικού ή/και μαγνητικού πεδίου, ii) γραμμικές και μη γραμμικές οπτικέςιδιότητες που συνδέονται με intraband μεταβάσεις εντός ζώνης σε κβαντικές τελείες ημιαγωγών,κβαντικές τελείες με δομή πυρήνα-φλοιού και σε μεικτά συστήματα κβαντικής τελείας – κβαντικούδακτυλίου.Το δεύτερο μέρος εστιάζει στην θεωρία των ψευδοδυνάμικών και τις εφαρμογές της. Αρχικάπαρουσιάζεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο της μεθόδου εμπειρικών ψευδοδυναμικών(Empirical Pseudopotential Method) καθώς επίσης και της μεθόδου αλληλεπίδρασης διαμορφώσεων(Configuration Interaction). Στην συνέχεια, οι προαναφερθείσες τεχνικές εφαρμόζονται στην μελέτη τωνηλεκτρονικών και οπτικών ιδιοτήτων σε μία πληθώρα νανοδομών ημιαγωγών II-VI. Μεταξύ τωνιδιοτήτων αυτών είναι: το ενεργειακό χάσμα, η μετατόπιση Stokes, η λεπτή δομή των εξιτονίων, ηοπτική πόλωση και τα φάσματα απορρόφησης.Το τρίτο μέρος της διατριβής περιλαμβάνει το παράρτημα, στο οποίο παρατίθενται οι δώδεκαδημοσιευμένες εργασίες.