CdX（X=Te, Se, S）半导体纳米颗粒的电子纳米构筑学：尺寸与形状效应的量子调控机制

本文通过键能模型（BEM）结合紧束缚近似（TB），系统研究了CdTe/CdSe/CdS半导体纳米颗粒的带隙（Eg）、导带底（CBM）和价带顶（VBM）能量的尺寸与形状效应。研究发现：当粒径<5 nm时量子限域效应显著，带隙展宽可达30%；而>20 nm时逐渐逼近体材料值（CdTe 1.45 eV/CdSe 1.74 eV/CdS 2.40 eV）。该模型为光电器件（如太阳能电池、LED）的能带工程提供了精准调控框架。

　　

理论方法

设半导体纳米材料与体材料的带隙能分别为E_g和E_g^bulk。基于费米能级位于带隙中心的特性，前人研究建立了带隙能与活化能的关联方程[25-27]，通过键能模型（BEM）量化原子配位数对结合能的影响，结合紧束缚近似（TB）构建了尺寸/形状依赖的电子结构预测框架。

结果与讨论

对锌矿结构CdX（X=Se, Te, S）纳米颗粒的计算表明：球形/八面体/四面体颗粒的带隙E_g、价带顶E_V和导带底E_C呈现显著形状依赖性。当粒径<5 nm时，量子限域效应导致CdSe带隙从1.74 eV蓝移最高达2.1 eV；而20 nm颗粒仅偏离体材料值约0.15 eV。关键参数见表1，形状因子推导见表2。

结论

本研究通过BEM-TB模型揭示了CdX纳米颗粒电子结构的尺寸/形状调控规律：小尺寸（<5 nm）下量子限域主导带隙展宽，大尺寸（>20 nm）趋近体相特性。该成果为设计高性能光电器件（如可调谐激光器、生物成像探针）提供了理论基石。