《Mental Health & Prevention》：Concentric Square and Circular Patch Metamaterial Absorber for Solar Absorber and Optical Wavelength Applications
编辑推荐：
量子点BGaN/AlGaN的应变与光学特性研究表明，湿层厚度、间隔层及Al/B成分显著影响应变分布和极化场，发射波长对成分敏感，尺寸分散导致非均匀展宽，多层结构增强量子约束Stark效应，BGaN在BN衬底上应变松弛更优，222nm紫外发射具有杀菌应用潜力。
Mouna Bennour|Noureddine Chaaben
莫纳斯提尔大学，莫纳斯提尔理学院，异质外延与应用研究实验室（LRHEA）-LR20ES07，环境大道，莫纳斯提尔，5019，突尼斯
摘要
在这项研究中，我们通过数值模拟理论研究了BGN和AlGaN量子点（QDs）的应变和光学性质。分析了润湿层厚度、间隔层以及Al或B成分对应变、压电场和光学响应的影响。尽管我们采用了在孤立量子点的强限制范围内通常有效的有效质量单粒子方法，但研究结果揭示了从单个量子点的强限制到垂直耦合量子点的中等和弱限制的转变。这一趋势强调了电子-空穴关联在这些配置中的重要性，并突出了为了准确模拟堆叠或弱耦合量子点而明确包含激子效应的必要性。发现发射波长对量子点成分非常敏感，而对势垒成分或润湿层厚度的依赖性很小。高斯模型下的尺寸分散（高度20%，直径50%）会导致显著的非均匀展宽，而垂直尺寸梯度（ΔR = 1–1.5 nm）会改变发射能量并轻微地使电子波函数离域，但不会影响压电势。单个量子点表现出约1.45 V的局部压电场峰值，而多层堆叠的量子点则显示出随层变化的振荡场，峰值达到2.1 V，增强了量子限制的斯塔克效应。此外，与AlN相比，BGN量子点在BN基底上的应变松弛性能更优。这些发现突显了B0.94Ga0.06N/BN量子点在222 nm波长下发射光的潜力，这一波长具有杀菌应用价值。
引言
量子点（QDs）由于其尺寸依赖的光学和电子性质，在光电子学和光子学领域成为关键的纳米材料[[1], [2], [3], [4]]。在各种材料体系中，基于氮化物的异质结构（如GaN、AlN及其合金）具有宽带隙、高热稳定性和优异的电子迁移率，使其适用于高频和高功率设备[5]。不同氮化物材料在异质结构中的组合（如AlGaN/GaN [[6], [7], [8], [9], [10]]）使得能够设计出高效设备，例如高电子迁移率晶体管（HEMTs）、发光二极管（LEDs）和激光二极管[11,12]。氮化物异质结构的最新进展还包括在量子点（QDs）和量子阱（QWs）方面的创新，这些创新利用了这些材料内的量子限制效应来开发下一代量子设备[13]。例如，基于氮化物的量子点（如使用BGN或AlN合金的量子点）因其可调的发射特性而被研究，这些特性在紫外（UV）发光二极管（UV-LEDs）、激光二极管和高效率光电探测器[[14], [15], [16]]中特别有用。紫外（UV）光长期以来因其杀菌特性而被认可，成为各种应用中强有力的消毒工具。在各种UV光波长中，UV-C（100 nm–280 nm），尤其是在222 nm波长，因其对包括细菌、病毒和真菌在内的多种病原体的高效灭活作用而受到广泛关注[17]。222 nm波长属于远UV-C范围，显示出安全高效的消毒潜力，相比传统的254 nm UV-C波长具有多个优势。222 nm的UV光可用于医院房间、手术室和其他关键区域的表面、医疗仪器和空气的消毒。
AlGaN和BGN合金具有可调的带隙，可以设计出能够发出从深紫外到可见光范围内的光的量子点。这种灵活性对于开发具有定制光学特性的设备至关重要。Zaiter等人[18]表明，AlGaN量子点在室温下的发射波长位于275 nm至280 nm之间，表现出相对较高的积分光致发光（PL）强度，表明了强烈的三维载流子限制。此外，将硼引入GaN基质中进一步提供了工程化带结构和提高这些量子点性能的机会。尽管AlGaN和BGN量子点具有巨大的潜力，但它们的外延生长和优化仍面临重大挑战[19]。合金成分、量子点尺寸和应变效应等因素对其稳定性和光学性质有重要影响[20]。因此，计算模拟已成为设计和分析这些纳米结构不可或缺的工具。通过模拟，我们可以预测量子点在各种条件下的行为，指导实验工作，并加速高性能光电子设备的发展。
本研究详细理论研究了在极性基底上生长的BGN和AlGaN量子点的电子和光学性质，特别关注应变分布、压电效应以及深紫外范围内的发射可调性。通过建立量子点成分、堆叠配置和发射特性之间的明确关联，我们的结果为设计针对UV-C光源的纳米结构提供了宝贵的设计指南。能够在精确控制量子点参数的情况下实现222 nm的发射，这对于灭菌、水净化和UV光电探测器应用特别有前景。这些见解直接有助于优化基于III族氮化物量子点的光电子设备，从而为下一代紧凑型、高效深紫外发射器铺平了道路。为此，我们采用了有效质量单粒子框架来计算III族氮化物量子点中的限制态，这种方法在能级间距超过激子结合能的强限制范围内仍然有效。然而，当电子-空穴关联变得显著时，其适用性有限，而对这些范围的全面描述需要多体计算方法，包括配置相互作用或自洽的Poisson-Schr?dinger-Coulomb求解器，这超出了本研究的范围。
计算细节
在这项研究中，我们使用COMSOL Multiphysics模拟了量子点（QDs）的多层结构。模拟旨在研究量子限制效应、应变、压电场分布以及三元氮化物量子点的垂直耦合。正如表1中所列，本研究检验了许多氮化物量子点。
类似的方法已成功应用于我们之前的工作[21,22]中的InAs/GaAs单层量子点。
尺寸分散对能级的影响
在我们的计算模型中，为了简化计算，假设AlGaN和BGN量子点是完美的圆锥形且单分散的。然而，真实的量子点系统通常存在尺寸分散、界面粗糙度和缺陷态等非理想因素，这些都会显著影响应变分布和光学性质[38]。
为了考虑尺寸分散的影响（它偏离了理想的单分散几何形状），我们进行了基于高斯的后处理
结论
我们研究了生长特性对AlGaN和BGN量子点结构应变的影响。研究发现，量子点之间的空间层显著影响应变和压电分布。我们的结果表明，发射波长对量子点成分非常敏感，而势垒成分或润湿层厚度的影响较小。高斯模型下的尺寸分散会导致相当大的非均匀展宽，而
CRediT作者贡献声明
Mouna Bennour：撰写——原始草稿、软件、方法论、研究、形式分析、概念化。Noureddine Chaaben：验证、监督、项目管理。
