Kvantbrunnar

Kvantbrunnar är ett kvantmekaniskt nanostrukturelement där ett tunt skikt med lägre bandgap ligger mellan material med högre bandgap. Konfinering i en riktning gör att elektroners och hålens energier blir kvantiserade i denna riktning medan rörelse tillåts i de två återstående riktningarna. Detta ger en tvådimensionell elektronisk gas och förändrade optoelektroniska egenskaper jämfört med bulkmaterial.

I halvledare realiseras kvantbrunnar genom heterostrukturer som GaAs/AlGaAs eller InGaAs/GaAs. Kvantbrunnens bredd är vanligtvis några nanometer och konfineringen uppnås genom bandoffset mellan lagren. Genom epitaxsikt tillväxttekniker som molekylär stråleepitaxi (MBE) eller tillväxt av vätskefas (MOVPE) kan schablonernas tjocklek och sammansättning kontrolleras noggrant.

Energi- och tillståndsstrukturen i kvantbrunnar uppvisar subband (kvantiserade nivåer) i konfinemteringsriktningen. Energinivåerna kan approximativt beräknas med modeller som den oändligt djupa brunnens formel, där energin ökar med n^2 och föremålet beroende av effektiv massa m_eff och brunnens bredd L. Densiteten av tillstånd i en kvantbrunn har en tvådimensionell karaktär, vilket påverkar optiska övergångar och excitonens beteende.

Tillämpningar av kvantbrunnar är centrala inom optoelektronik och fotonik. De används i kvantbrunslasorer och modulatorer, högeffekt- och lågvärme-LED, infraröda detektorer samt kvantbrunna fotodetektorer (QWIPs). Vridbarhet av emissionens våglängd genom välbreddning och materialval gör kvantbrunnar viktiga för anpassning av prestanda och spektrala respons. Utmaningar inkluderar gränssnittsråhet, strain och temperaturberoende som påverkar konfinement och stabilitet.