Recepción: 17 Agosto 2018
Aprobación: 29 Septiembre 2018
DOI: https://doi.org/doi.org/10.24050/reia.v15i30.1257
Resumen: Los estados electrónicos confinados en un punto cuántico de GaAs, de forma piramidal y cónica, se han investigado a través del enfoque cuasi analítico válido para ángulos pequeños y el método exacto de elementos finitos para incluir todos los ángulos y alturas. Se han reportado los resultados de la energía de confinamiento en función de la forma y el tamaño de ambas estructuras y finalmente se han comparado los valores aproximados con los exactos provenientes del método de elementos finitos.
Palabras clave: Puntos cuánticos piramidales, Puntos cuánticos cónicos, Aproximación cuasianalítica, GaAs, Elementos finitos.
Abstract: The electronic states confined in a quantum dot, of GaAs, of pyramidal and conical shape have been investigated through the quasi-analytical approach, valid for small angles, and the finite element method to include all angles and heights. The results of the confinement energy have been reported according to the shape and size of both structures and finally the approximate values have been compared with the exact values obtained from the finite element method.
Keywords: Pyramidal quantum dot, Conical quantum dot, Quasi-analytical aproximation, GaAs, Finite elements.
Resumo: Os estados eletrônicos confinados em um ponto quântico, de GaAs, de forma piramidal e cônica foram investigados através da abordagem quase-analítica, válida para pequenos ângulos, e o método dos elementos finitos para incluir todos os ângulos e alturas. Os resultados da energia de confinamento foram relatados de acordo com a forma e tamanho de ambas estruturas e, finalmente, os valores aproximados foram comparados com os valores exatos obtidos pelo método dos elementos finitos.
Palavras-chave: Pontos quânticos da piramidal, Pontos quânticos cónicos, Abordagem quase analítica, GaAs, Elementos finitos.
1. INTRODUCCIÓN
Los puntos cuánticos (QDs) son nano estructuras que cada día toman más importancia en diversas áreas como la medicina, la ingeniería, la industria y las ciencias en general, debido a que sus características particulares de confinamiento del electrón y/o del hueco son de gran importancia para aplicaciones optoelectrónicas y atractivas para el desarrollo de nuevas tecnologías. Debido principalmente al avance experimental en las técnicas de crecimiento de heteroestructuras semiconductoras, se ha vuelto una necesidad la comprensión y el estudio de las propiedades ópticas de los sistemas de confinamiento cuántico, en nano estructuras como pozos cuánticos, hilos cuánticos o puntos cuánticos.
Las nano estructuras de QDs son particularmente importantes en la medicina y la biología. Se han utilizado como sondas fluorescentes para el estudio de los cambios en glicoproteínas del cáncer (Cunha et al. (2018), Andrade et al. (2013) y Pavel et al. (2009)). El ligado de partículas nanométricas con moléculas de bioreconocimiento como péptidos, anticuerpos, etc. (Bailey, Smith y Nie (2004)) permite detectar, por medio del espectro de emisión, diferentes anomalías en sistemas biológicos, este fenómeno constituye una de las primeras y más importantes aplicaciones de los QDs a los sistemas de biodetección basados en dispositivos de análisis (Ponnusamy et al. (2007) y referencias anteriores). Además, los puntos cuánticos también están presentes en aplicaciones industriales tales como sensores de temperatura, celdas solares, y aplicaciones optoelectrónicas en moduladores, láseres (Sagadevan y Dakshanamoorthy (2012), Manoj, Hofsass y Vetter (2016), Safeera et al. (2018) y Luhluh (2018)).
Actualmente hay un creciente estudio de las nano estructuras semiconductoras piramidales (PQD). Para estas estructuras es posible obtener los niveles de energía electrónicos (o de hueco) (Duque C.A. et al. (2017) a), hallar los niveles excitonicos y principalmente las transiciones intersubbanda permitidas para obtener las energías de enlace del sistema que son objeto de aplicaciones en el campo del procesamiento cuántico de la información (Hayrapetyan et al. (2016) y Jarlov et al. (2012)). En aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos como el diodo emisor de luz, se han realizado estudios experimentales de la electroluminiscencia de puntos cuánticos piramidales en una forma individual para potenciales aplicaciones en la fabricación de QD LED de un tamaño micrométrico y se ha llegado a controlar la posición, el número y la densidad de emisores (Baier et al. (2004)).
De igual forma, debido principalmente a sus potenciales aplicaciones en diversos campos son objeto de estudios prominentes las estructuras semiconductoras en forma de cono (Jadupati et al. (2018), Huggenberger et al. (2011) y Pickering et al. (2012)). En este tipo de estructuras se han investigado efectos debidos a la presencia de campos eléctricos y a la posición de alguna impureza interna, generando cambios en las propiedades ópticas del sistema; como por ejemplo, en la rectificación no lineal donde se genera un corrimiento al rojo o al azul dependiendo de la intensidad del campo eléctrico aplicado para un sistema doble de puntos cuánticos cónicos (Bahramiyan (2018), Yamaguchi, Asano, y Noda (2008)). Así mismo, se han realizado análisis en cuanto a la generación de segundo y tercer armónico, para un sistema de punto cuántico cónico, encontrándose una reducción en las energías de transición entre subbandas y un incremento en el solapamiento de los estados cuando se aumentan las dimensiones del sistema (Khordad y Bahramiyan (2014)).
En este trabajo se han llevado a cabo los cálculos exactos de los niveles de energía para los puntos cuánticos piramidal y cónico, por medio de la implementación numérica del método de elementos finitos (FEM), usando el paquete computacional Comsol (COMSOL Multiphysics, v. 5.2a. (2018)). Este método ha sido empleado en trabajos recientes para el estudio de impurezas (Duque C.A. et al. (2017) b), energía de enlace y en el análisis de las propiedades ópticas de puntos cuánticos con forma de lentes para obtener resultados más precisos (Khordad, Bahramiyan y Mohammadi (2016)).
Para este propósito, se han solucionado las ecuaciones de Schrödinger haciendo uso de la aproximación de masa efectiva tanto para el sistema piramidal como para el sistema cónico de GaAs. De igual forma, se han solucionado estas ecuaciones en una aproximación cuasi analítica, utilizando un código fortran desarrollado para este fin, teniendo en cuenta solo ángulos pequeños del vértice para ambos sistemas. Se ha llevado a cabo una comparación entre estos dos métodos, para de esta manera determinar el grado de exactitud de la aproximación cuasi analítica.
2. MODELO TEÓRICO
El primer sistema a considerar corresponde a un electrón confinado en una estructura piramidal de GaAs con base cuadrada como lo muestra la figura 1, el potencial de confinamiento es cero en el interior de la estructura e infinito en el exterior de esta.

Esquema del punto cuántico piramidal de GaAs, la pirámide tiene una base cuadrada y está caracterizada por la altura (h) y el ángulo del vértice (θ).
La ecuación de Schrödinger, para un electrón confinado en el PQD, aplicada a este sistema en la aproximación de masa efectiva toma la forma:
(1)Donde se ha usado la
aproximación de masa efectiva en el término
, el cual toma el valor
de
(GaAs),
es la masa del electrón
libre, el término
corresponde al potencial
de confinamiento de la estructura. El origen de coordenadas se ha tomado en el
vértice de la pirámide y las direcciones están definidas como se indica en la
figura 1. Teniendo en cuenta lo anterior, las condiciones de frontera para el
problema toman la forma:
para
,
para
,
para
y
para
,
para
, donde
.
Con estas condiciones de frontera, el problema no puede ser solucionado analíticamente, por esta razón se propone una solución cuasianalítica (tomando como base el trabajo de Lozovski V. y Piatnytsia V. (2011)) que es válida para ángulos apicales no superiores a 90°. Es conveniente realizar una transformación de coordenadas de la forma:
,
y
, que conllevan a las transformaciones inversas:
,
y
, el dominio para estas nuevas variables se obtiene por medio de las condiciones de frontera iniciales y está dado por:
y
. Recordando que la estructura no posee ángulos demasiado grandes debe cumplirse que
. Con estas consideraciones, la ecuación (1) puede desarrollarse en el nuevo sistema de coordenadas para obtener un conjunto de tres ecuaciones no acopladas,
(2)
(3)
(4)Los autovalores de la energía
del sistema pueden ser obtenidos como:
. Las ecuaciones (2)
y (3) pueden simplificarse teniendo en cuenta que el sistema solo
trata ángulos pequeños (
) y por lo tanto se
cumplirá que
y
, despreciando los
términos correspondientes en ambas ecuaciones se obtienen las autofunciones
que corresponden a una solución cuasianalítica del problema
(5)y
(6)Es sencillo demostrar que la ecuación (4) posee soluciones proporcionales a las funciones de Bessel de la forma
(7)Donde
. Se ha tenido en cuenta
el confinamiento infinito de la estructura lo que conlleva a que la función de
onda se anule en todas las fronteras del punto cuántico. Adicionalmente, es
posible escribir la función de onda completa del sistema, en la aproximación cuasi
analítica, en las variables originales
como
(8) Donde
es la constante de normalización del sistema y
corresponde al l-ésimo cero de la función de Bessel, las constantes
y
son los números cuánticos del problema.
El segundo sistema considerado es el de un electrón confinado es una estructura de GaAs de forma cónica, como lo muestra la figura 2.

Esquema del punto cuántico cónico de GaAs, el cual está caracterizado por la
altura (
) y el ángulo del vértice
(
). El potencial de confinamiento
es cero en el interior de la estructura e infinito en el exterior.
La ecuación de autovalores del sistema es nuevamente la ecuación (1), donde solo se presentan variaciones en la forma del potencial de confinamiento, teniendo en cuenta el mismo valor para la constante
en las ecuaciones anteriores para la pirámide, el dominio para el sistema cónico está dado por
donde
. Es conveniente nuevamente realizar una transformación de coordenadas de la forma
,
y
, posteriormente y aprovechando la simetría de la estructura cónica es posible reescribir el problema por medio de coordenadas cilíndricas como:
,
con 
y . Considerando nuevamente ángulos del vértice inferiores a 90°, es posible luego de un desarrollo sencillo de la ecuación (1) despreciar ciertos términos en la expresión del laplaciano, más concretamente términos con dependencia cuadrática de
, a partir de este punto se puede escribir la función de onda completa del sistema como un producto de funciones individuales en cada una de las nuevas variables,
(9)Teniendo en cuenta este resultado y las aproximaciones hechas en el párrafo anterior, es posible obtener un sistema de tres ecuaciones desacopladas para cada una de las funciones dependientes de cada coordenada,
(10)
(11)
(12)La ecuación (10) genera una autofunción,
(13)Donde
es la constante de
normalización correspondiente a la coordenada
,
es la unidad imaginaria
y
Es sencillo demostrar
que las autofunciones de las ecuaciones (11) y (12) son proporcionales a las
funciones de Bessel y tienen la forma:
(14)Donde
es la constante de
normalización correspondiente a la coordenada
,
(15) Con
,
es la constante de normalización correspondiente a la coordenada
, recordando que el potencial exterior es infinito, luego la función de onda debe anularse en la frontera de la estructura, lo cual conlleva a las dos ecuaciones
, y
cuyas soluciones dan los valores de
y
para cada
, donde
son los ceros de cada una de estas dos ecuaciones.
Nuevamente es posible escribir la función de onda del sistema completo en la aproximación cuasianalítica en las variables originales 
(16)Donde
es
la constante de normalización y
son los números cuánticos
del sistema. Finalmente, los autovalores de energía pueden ser obtenidos ahora
como:
(17)Donde
es la masa efectiva
electrónica para el sistema cónico de GaAs.
En la figura (3) se observa la malla usada para resolver la ecuación de Schrödinger para el sistema piramidal y el sistema cónico, por medio de la implementación del método de elementos finitos.
Los elementos interiores, que conforman la malla, para cada una de las estructuras son de tipo tetraedro, el tamaño y la cantidad de estos se ajusta a medida que se realizan variaciones en el tamaño de las estructuras. Como ilustración, para una altura de 15nm y un ángulo del vértice de 30°, la malla es construida para la pirámide con 133066 elementos tetraédricos y con 6590 elementos de contorno que corresponden a elementos triangulares como se observa en la figura (3). Para las mismas dimensiones de altura y ángulo apical, la malla correspondiente para el cono contiene 108634 elementos tetraédricos y 6178 elementos triangulares para el contorno.

Malla usada para la implementacion del método de elementos finitos para el sistema piramidal y el sistema cónico.
Se han impuesto condiciones de frontera de Dirichlet tanto para el cono como para la pirámide, es decir, que las funciones de onda se anulen en los bordes.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los parámetros para GaAS usados
para el desarrollo numérico (método de elementos finitos y aproximación cuasi
analítica) tanto de la pirámide como del cono fueron los siguientes: constante
dieléctrica
, permitividad del vacio
F/m, la masa efectiva del
electrón
,
es la masa del electrón
libre. En la figura 4 se presentan los primeros seis niveles de energía de un
electrón confinado en un punto cuántico piramidal (a) y cónico (b) como función
del ángulo del vértice. Los resultados presentados son exactos y se han
obtenido por medio de la implementación del método de elementos finitos,
manteniendo fija la altura de ambas estructuras en
nm.

Primeros seis niveles de energía de un electrón confinado en un punto cuántico
piramidal (a) y cónico (b), como función del ángulo apical. En los recuadros se
muestra la variación respectiva del volumen con el ángulo y la altura para
ambos sistemas. Funciones de onda de los 3 primeros estados excitados para el
sistema piramidal. El panel (c) corresponde a
nm
y
, El panel (d) a nm
y , la figura de izquierda
a derecha corresponde a las proyecciones en los planos
,
y
respectivamente.
los planos se han tomado en el centro de gravedad de la estructura.
Es posible observar un claro comportamiento decreciente de las curvas de energía para ángulos grandes, esto se debe a que el volumen de la estructura es cada vez mayor y por lo tanto se presenta una pérdida de confinamiento electrónico. Este comportamiento decreciente es un poco más significativo en el sistema piramidal que en el sistema cónico y se debe principalmente a que el volumen del sistema piramidal aumenta más rápidamente que el volumen del sistema cónico cuando se hace la variación del ángulo del vértice, esto puede verse claramente en los recuadros de cada figura. Los números que se presentan junto a cada una de las curvas indica el orden de degeneración de cada uno de los estados. Es de resaltar que debido a la forma cónica del punto cuántico se presenta un mayor confinamiento para un mismo ángulo del vértice que para el punto cuántico piramidal, esto se observa claramente ya que las curvas del cono están desplazadas hacia energías superiores con respecto a las curvas piramidales. Como es de esperarse, debido a que el sistema cónico presenta un mayor orden de simetría, luego se debe esperar un mayor número de estados degenerados por simetría que para el sistema piramidal.
Tanto para la pirámide
como para el cono se presentan cruces de los niveles que corresponden a degeneración
accidental. Para la pirámide, en
° los dos primeros
estados excitados con números cuánticos
y
, este ultimo presenta
una doble degeneración con el estado
. Hay que resaltar que
este cruce se presenta entre estados tipo p. De forma similar para el
sistema cónico se presenta el cruce para
entre
los estados
y
,
nuevamene ambos estados corresponden a estados tipo p. Para el sistema
piramidal igualmente se presenta un cruce de los estados tipo d
y
en aproximadamente
°,
para el sistema cónico, este cruce se da en alrededor de
°
de forma similar para estados tipo d. En los recuadros de la figura 4 se
ha presentado la variación del volumen de cada sistema a medida que se aumenta
el ángulo de cada estructura, los puntos negros ubicados sobre la curva indican
los puntos donde se presentan cruces en los estados electrónicos y por lo tanto
corresponden a puntos de degeneración accidental del sistema. Este tipo de
degeneración resulta de la forma funcional del potencial que se considera o de
características particulares del sistema y son evidenciados experimentalmente
en un acuerdo con los resultados teóricos (Norris D. J. y Bawendi M. G. 1996).
Hay que tener en cuenta que el espectro de energía presenta una evolución
fuerte con el régimen de confinamiento del sistema. Note que el orden de los estados
depende directamente del ángulo del vértice de la estructura. Los restantes
estados excitados igualmente presentan cruces que son importantes para un
estudio detallado de las propiedades ópticas de los sistemas.
En la figura 4 (c) y (d) se
observan las funciones de onda del sistema piramidal correspondientes a los
tres primeros estados excitados del sistema. Las figuras (c) y (d) conciernen a
ángulos de
y
respectivamente,
manteniendo la misma altura de
nm. Como lo indica el
panel (a), el tercer y cuarto estado excitado corresponde a un estado
doblemente degenerado. Se puede apreciar cómo se presenta un intercambio de los
estados cuando se aumenta el sistema en los ángulos señalados. El primer estado
excitado pasa a ocupar la posición del tercer estado excitado, este
comportamiento está en perfecto acuerdo con la figura 4 donde se puede apreciar
un cruce entre estos estados para un ángulo de
°
para el sistema piramidal. El sistema cónico presenta un comportamiento
similar, presentándose el intercambio de los estados en este caso para
.

Primeros seis niveles de energía de un electrón confinado en un punto cuántico piramidal (a) y cónico (b), como función de la altura. En los recuadros se muestra la variación respectiva del volumen con el ángulo y la altura para ambos sistemas.
En la figura 5 se
observan los primeros seis niveles de energía para un punto cuántico piramidal
(a) y cónico (b) como función de la altura de la estructura, manteniendo fijo
el ángulo del vértice en
. Los resultados son
obtenidos al igual que en la figura 4 por medio del método numérico de
elementos finitos usando las mallas presentadas en la figura 3. Nuevamente se
presenta un comportamiento decreciente de los niveles energéticos a medida que
se aumenta la altura de las estructuras. Note que en la figura 5a, el estado de
mayor energía es doblemente degenerado. Este decaimiento es más pronunciado en el
caso mostrado en la figura 4, esto se debe a que el volumen de ambos puntos
cuánticos aumenta más rápidamente con la variación del ángulo que con la
variación de la altura, lo cual genera una pérdida de confinamiento mayor
cuando se varia el ángulo y por lo tanto las energías tienden a bajar más
rápidamente en la figura 4 que en la figura 5. Esto puede verse claramente
comparando los recuadros de las figuras 4 y 5. Es importante resaltar que para
este caso no se presenta degeneración accidental para ninguno de los estados
presentados, sin embargo, sí se dan estados excitados degenerados por simetría.
Al igual que en el caso de la altura fija, las curvas correspondientes al cono
presentan un desplazamiento hacia energías superiores con respecto a las mismas
para la pirámide, debido a que la forma cónica presenta un confinamiento mayor
para una misma altura manteniendo el ángulo apical fijo.
Los resultados obtenidos en las figuras 4 y 5 están en total acuerdo con los resultados reportados en la literatura que indican un comportamiento decreciente de los niveles de energía con el aumento del volumen de las estructuras, igualmente se han obtenido degeneraciones accidentales para algunos niveles excitados cuando se varia el ángulo del vértice que están de acuerdo con trabajos anteriores.

Primeros seis niveles de energía de un electrón confinado en un punto cuántico
piramidal (a) y cónico (b), como función del ángulo apical. Los cálculos son
exactos y realizados manteniendo fijo el volumen de la estructura para
y
nm.
En la figura 6 se
presentan los primeros seis niveles de energía de un punto cuántico piramidal
(a) y cónico (b) como función del ángulo del vértice, manteniendo el volumen de
la estructura fijo para
nm y
.
Los niveles de energía tanto para el cono como para la pirámide presentan una fuerte
dependencia con el ángulo del vértice de la estructura. Igualmente se dan
degeneraciones para ciertos ángulos particulares, para
y
se degeneran los dos
primeros estados excitados para la pirámide y el cono respectivamente, lo mismo
ocurre para el tercer y cuarto estados excitados que se degeneran para cada
estructura en
y para
.
Hay que resaltar que todos los estados presentan una tendencia a aumentar su
energía a medida que se aumenta el ángulo del vértice, esto es una consecuencia
únicamente debida al cambio en la forma del punto cuántico ya que el volumen
permanece constante. Este aumento de energía se debe a que, al aumentar el
ángulo de la estructura, debe disminuir la altura de esta para mantener así el
volumen fijo, luego el confinamiento es mucho más significativo con la base de
la estructura que con las paredes de esta.

Primeros seis niveles de energía de un electrón confinado en un punto cuántico
piramidal (a) y cónico (b), como función de la altura. Los cálculos son exactos
y realizados manteniendo fijo el volumen de la estructura para
y
nm.
En la figura 7 se presentan igualmente los primeros seis niveles de energía para los dos sistemas estudiados, piramidal (a) y cónico (b). En este caso se realizan variaciones en la altura de las estructuras, manteniendo el mismo volumen fijo que se ha usado en la figura 6, con
nm y
. Es de resaltar que los niveles de energía presentan un comportamiento creciente para ángulos muy grandes en la figura 6, mientras que en esta figura los niveles de energía son todos decrecientes, lo cual es consecuencia de que el confinamiento en la coordenada z es mucho más significativo que en el plano xy.

Comparación de
los primeros seis niveles de energía para el punto cuántico piramidal, como
función del ángulo del vértice, manteniendo el volumen constante con
nm
y
.
En la figura 8 se
presenta una comparación de los primeros seis niveles de energía para el punto
cuántico piramidal como función del ángulo del vértice, manteniendo fijo el
volumen de la estructura con los parámetros
nm
y
. Las
líneas continuas corresponden a los resultados cuasi analíticos y los puntos
corresponden a los resultados exactos. Para ángulos pequeños la aproximación se
cumple en gran medida principalmente para estados de baja energía (a pesar que
se ha tomado como punto de partida para el volumen fijo un ángulo muy superior
a lo aceptado en los cálculos aproximados). Hay que resaltar que el sistema se encuentra
a un volumen suficientemente grande y por lo tanto en un régimen de bajas
energías (en el rango de 0.03eV a 0.12eV), esto puede verse revisando la figura
4 y el recuadro del volumen como función del ángulo del vértice, donde se puede
apreciar que se está en el rango máximo del volumen y mínimo en la energía.

Comparación
de los primeros seis niveles de energía para el punto cuántico piramidal (a) y
cónico (b), como función del ángulo del vértice, para
nm.
Las líneas continuas corresponden a los resultados cuasi analíticos, los puntos
corresponden a los resultados exactos. La flecha indica el orden de los estados
caracterizados por sus números cuánticos de acuerdo a los cálculos analíticos.
En la figura 9 se
presenta una comparación de los primeros seis niveles de energía para el punto
cuántico piramidal (a) y cónico (b) como función del ángulo del vértice,
manteniendo la altura fija en
nm. Las líneas continuas
corresponden a los resultados cuasi analíticos, es decir, son aproximados y son
válidos para ángulos pequeños, los puntos corresponden a los resultados
numéricos obtenidos por medio del método de elementos finitos. La flecha en la
figura indica el orden de cada uno de los estados. Los puntos caen de forma
precisa sobre las curvas, especialmente para los estados más bajos, los cuales
prácticamente no se ven afectados por el aumento en el ángulo del vértice tanto
para la pirámide como para el cono, esto indica que la aproximación cuasi
analítica usada para resolver el sistema de ecuaciones (2), (3) y (4) concuerda
en gran medida con los resultados exactos y en efecto es una muy buena
aproximación para resolver este sistema para ángulos pequeños. Los estados que
se alejan más de los resultados exactos son los de energía superior, sin embargo,
presentan un muy buen comportamiento en el rango de ángulos en los cuales es
válida la aproximación. Es importante notar que los números cuánticos que se
presentan para algunos estados excitados pueden variar ya que se presentan
degeneraciones en el sistema y por lo tanto existen configuraciones distintas
con igual energía, igualmente, el sistema cónico puede tomar el cero para el
primer número cuántico, mientras que el sistema piramidal solo puede empezar en
uno.

Comparación de los primeros seis niveles de energía para el punto cuántico
piramidal (a) y cónico (b), como función de la altura, para
.
Las líneas continuas corresponden a los resultados cuasi analíticos, los puntos
corresponden a los resultados exactos. La flecha indica el orden de los estados
caracterizados por sus números cuánticos de acuerdo con los cálculos analíticos.
En la figura 10 se
presenta una comparación de los primeros seis niveles de energía para el punto
cuántico piramidal como función de la altura, manteniendo el ángulo del vértice
fijo en . Nuevamente las líneas
continuas corresponden a los resultados cuasi analíticos, mientras que los
puntos presentan los resultados usando el método de elementos finitos. Para el
punto cuántico piramidal prácticamente no se dan variaciones con respecto a
ambas soluciones para todos los estados a medida que se aumenta la altura de la
estructura, esto se debe a que la aproximación cuasi analítica tiene en cuenta
solamente ángulos pequeños y no hay aproximación sobre la altura del sistema.
Como lo indica la flecha a la izquierda se han ordenado los estados por sus
números cuánticos que corresponden a
y
para
los sistemas piramidal y cónico respectivamente.

Densidad
de probabilidad de los primeros 10 estados para el sistema piramidal, la figura
de arriba hacia abajo corresponde a las proyecciones en los planos
,
y
respectivamente.
La figura se ha realizado con
nm y
,
los planos se han tomado en el centro de gravedad de la estructura.

Figura 12:
Densidad de probabilidad de los primeros 10 estados para el sistema cónico, la
figura de arriba hacia abajo corresponde a las proyecciones en los planos
,
y
respectivamente.
La figura se ha realizado con
nm y
,
los planos se han tomado en el centro de gravedad de la estructura.
En las figuras 11 y 12 se
observa la densidad de probabilidad electrónica dada por
para el sistema piramidal
y cónico respectivamente. Se han indicado los números cuánticos que determinan
cada uno de los estados que están de acuerdo según las ecuaciones (8) y (16)
para el sistema piramidal y cónico con las variables
y
respectivamente.
Los estados cuyos números cuánticos no se presentan corresponden a estados que
no tienen una dirección definida x o y, estos estados presentan
una rotación, por ejemplo, para el sistema cónico, el segundo y tercer estado
excitado son estados tipo p que presentan una rotación alrededor del eje
z. Para los resultados presentados se ha usado la
configuración
nm y
.
La fila superior en ambas figuras corresponde a la proyección en el plano
donde
se observa el sistema desde la parte superior, el plano observado está
localizado en el centro de gravedad de la estructura, tanto la pirámide como el
cono, esta es la razón por la cual el plano no llena completamente la forma
piramidal y cónica, la fila intermedia y la fila inferior corresponden a las
proyecciones en los planos
y
respectivamente.
Las columnas de izquierda a derecha corresponden a distintos estados del
sistema, estando el estado fundamental a la izquierda y los estados más altos
más hacia la derecha. Claramente el estado fundamental para ambas estructuras
se extiende sobre cada volumen tratando de llenarlo completamente y manteniendo
la simetría propia tanto para la pirámide como para el cono. El segundo y
tercer estado excitado para ambos sistemas presentan degeneración, lo cual puede
verse con facilidad observando la distribución espacial que se da en la
densidad de probabilidad para ambos estados. Lo mismo ocurre con los estados
sexto y séptimo excitados para el sistema piramidal. Hay que resaltar que
debido a que el punto cuántico cónico satisface un mayor número de grupos de
simetría, se presenta un mayor número de degeneraciones por simetría en este
sistema comparándolo con el sistema piramidal.
4. CONCLUSIONES
En este artículo se ha
realizado una comparación entre los resultados cuasianalíticos obtenidos
considerando ángulos pequeños para los puntos cuánticos piramidal y cónico de
GaAs y los resultados obtenidos por el método más preciso de elementos finitos.
Los estados electrónicos confinados, así como las funciones de onda correspondientes
se han obtenido por ambos procedimientos. Las figuras 8, 9 y 10 corroboran que
la aproximación cuasianalítica en efecto es una aproximación suficientemente válida
cuando se está interesado en realizar un estudio de estos sistemas para ángulos
no muy grandes (no superiores a
).
Agradecimientos
Esta investigación fue parcialmente respaldada por las agencias colombianas: CODI-Universidad de Antioquia (Estrategia de Sostenibilidad de la Universidad de Antioquia y proyectos: "Efectos ópticos intersubbanda, no lineales de segundo orden y dispersión Raman, en sistemas asimétricos de pozos cuánticos acoplados" y "Efectos de capas delta dopadas en pozos cuánticos como fotodetectores en el infrarrojo") y la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales-Universidad de Antioquia (CAD-proyecto de dedicación exclusive 2017-2018 y ALM-proyecto de dedicación exclusive 2018-2019).
6. REFERENCIAS
Andrade C. G, Cabral Filho P. E., Tenório D. PL, Santos B. S., Beltrao E. IC, Fontes A., Carvalho L. B. (2013). Evaluation of Glycophenotype in Breast Cancer by Quantum Dot-lectin Histochemistry. Int. J. Nanomed. 8, pp 4623 – 4629.
Bahramiyan H. (2018). Electric field y impurity effect on nonlinear optical rectification of a double cone like quantum dot. Opt. Mater 75, pp 187 - 195.
Baier M. H., C. Constantin, Pelucchi E., y Kapon E. (2004). Electroluminescence from a single pyramidal quantum dot in a light-emitting diode. Appl. Phys. Lett. 84, pp 1967 - 1969.
Bailey R. E., Smith A. M. y Shuming N. (2004). Quantum dots in biology and medicine. Physica E 25, pp 1 - 12.
COMSOL Multiphysics, v. 5.2a. COMSOL AB, Stockholm, Sweden.
Cunha C.R.A., Oliveira A.D.P.R., Firmino T.V.C., Tenório D.P.L.A., Pereira G., Carvalho L.B., Santos B.S., Correia M.T.S., Fontes A. (2018). Biomedical Applications fo Glyconanoparticles Based on Quantum Dots, Biochim. Biophys. Acta, 1862, pp 427 – 439.
Duque C.A., Gil-Corrales A., Morales A.L., Restrepo R.L., Mora-Ramos M.E. y Monsalve-Calderón K. (2017). Electron Raman Scattering and Raman Gain in Pyramidal Semiconductor Quantum Dots, J. Nanosci. Nanotechno. 17, pp 1140- 1148.
Duque C.A., Gil-Corrales A., Morales A.L., Restrepo R.L., Mora-Ramos M.E. (2017b). Donor-impurity-related optical response and electron Raman scattering in GaAs cone-like quantum dots, Physica B 507, pp 76-83.
Hayrapetyan D. B., Kazaryan E. M. y Sarkisyan H. A. (2016). Magneto-absorption in conical quantum dot ensemble: Possible applications for QD LED. Opt. Commun. 371, pp 138 - 143.
Huggenberger A., Schneider C., Drescher C., Heckelmann S., Heindel T., Reitzenstein S., Kamp M., Hofling S., Worschech L. y Forchel A. (2011). Site-controlled In(Ga)As/GaAs quantum dots for integration into optically and electrically operated devices J. Cryst. Grown 323, pp 194 - 197.
Jadupati Nag, Rawat K., Asokan K., Kanjilal D., Bohidar H.B. (2018). Zener diode behavior of nitrogen-doped graphene quantum dots. Physica E 17, pp 13181 - 13200.
Jarlov C., Gallo P., Calic M., Dwir B., Rudra A. (2012). Bound and anti-bound biexciton in site-controlled pyramidal GaInAs/GaAs quantum dots. Appl. Phys. Lett. 101, pp 191101-1 191101-4.
Khordad R. y Bahramiyan H. (2014). Optical Properties of a GaAs Cone-Like Quantum Dot: Second and Third Harmonic Generation. Opt. Spectrosc. 117, pp 447- 452.
Khordad R., Bahramiyan H. y Mohammadi S.A. (2016). Influence of impurity on binding energy and optical properties of lens shaped quantum dots: Finite element method and Arnoldi algorithm. Chinese J. Phys. 54, pp 20 – 32.
Lozovski V. y Piatnytsia V. (2011). The Analytical Study of Electronic and Optical Properties of Pyramid-Like and Cone-Like Quantum Dots. J. Comput. Theor. Nanos. 8, pp 1–9.
Luhluh K. J., Boda A., Shankar I. V., Raju Ch. N. y Chatterjee A. (2018). Magnetic field effect on the energy levels of an exciton in a GaAs quantum dot: Application for excitonic lasers. Sci. Rep-Uk 8, pp 5073 - 5086.
Manoj K. M., Hofsass H. C. y Vetter U. (2016). Photon-Upconverting Materials: Advances and Prospects for Various Emerging Applications. Intech., 298, pp 109 - 131.
Norris D. J. y Bawendi M. G. (1996). Measurement and assignment of the size-dependent optical spectrum in CdSe quantum dots. Phys. Rev. B, 53, pp 16338 – 16346.
Pickering S., Kshirsagar A., Ruzyllo J., and Xu J. (2012). Patterned mist deposition of tri- colour CdSe/ZnS quantum dot films toward RGB LED devices. Opto-Electron Rev. 20, pp 148 - 152.
Ponnusamy B., Sharmistha S., y Avadhesha S. (2007). Sugar-Quantum Dot Conjugates for a Selective and Sensitive Detection of Lectins. Bioconjugate Chem. 18, pp 146 – 151.
Safeera T.A., Khanal R., Medvedeva J. E., Martinez A. I., Vinitha G., Anila E.I. (2018). Low temperature synthesis and characterization of zinc gallate quantum dots for optoelectronic applications. J. Alloy Compd. 740, pp 567 - 589.
Sagadevan S. y Dakshanamoorthy A. (2012). Nanomaterials for Nonlinear Optical (NLO) Applications: A Review. Rev. Adv. Mater. Sci. 30, pp 243–253.
Yamaguchi M., Asano T., y Noda S. (2008). Photon emission by nanocavity-enhanced quantum anti-Zeno effect in solid-state cavity quantum-electrodynamics. Opt. Express. 16, pp 18067 - 18081.
Zrazhevskiy P. y Xiaohu G. (2009). Multifunctional quantum dots for personalized medicine. Nano Today. 4, pp 414 – 428.