Carrier Multiplication (CM) is a Coulomb-driven non-radiative recombination mechanism which leads to the generation of multiple electron-hole pairs after absorption of a single high-energy photon. Recently a new CM process, termed space separated quantum cutting, was introduced to explain a set of new experiments conducted in dense arrays of silicon nanocrystals. The occurrence of this effect was hypothesized to generate the formation of Auger unaffected multiexciton configurations constituted by single electron-hole pairs distributed on different interacting naocrystals. In this work we discuss ab-initio results obtained by our group in the study of CM effects in systems of strongly interacting silicon nanocrystals. By solving a set of rate equations, we simulate the time evolution of the number of electron-hole pairs generated in dense arrays of silicon nanocrystals after absorption of high energy photons, by describing the circumstances under which CM dynamics can lead to the generation of Auger unaffected multiexciton configurations.

1.
W.
Shockley
and
H. J.
Queisser
,
Appl. Phys. Lett.
32
,
510
519
(
1961
).
2.
R. J.
Ellingson
,
M. C.
Beard
,
J. C.
Johnson
,
P.
Yu
,
O. I.
Micic
,
A. J.
Nozik
,
A.
Shabaev
, and
A. L.
Efros
,
Nano Lett.
5
,
865
871
(
2005
).
3.
O. E.
Semonin
,
J. M.
Luther
,
S.
Choi
,
H.-Y.
Chen
,
J.
Gao
,
A. J.
Nozik
, and
M. C.
Beard
,
Science
334
,
1530
1533
(
2011
).
4.
R. D.
Schaller
,
M. A.
Petruska
, and
V. I.
Klimov
,
Appl. Phys. Lett.
87
, p.
253102
(
2005
).
5.
M. T.
Trinh
,
A. J.
Houtepen
,
J. M.
Schins
,
T.
Hanrath
,
J.
Piris
,
W.
Knulst
,
A. P. L. M.
Goossens
, and
L. D. A.
Siebbeles
,
Nano Lett.
8
,
1713
1718
(
2008
).
6.
G.
Nair
,
S. M.
Geyer
,
L.-Y.
Chang
, and
M. G.
Bawendi
,
Phys. Rev. B
78
, p.
125325
(
2008
).
7.
R. D.
Schaller
,
M.
Sykora
,
J. M.
Pietryga
, and
V. I.
Klimov
,
Nano Lett.
6
,
424
429
(
2006
).
8.
R. D.
Schaller
,
M.
Sykora
,
S.
Jeong
, and
V. I.
Klimov
,
J. Phys. Chem. B
110
,
25332
25338
(
2006
).
9.
D.
Gachet
,
A.
Avidan
,
I.
Pinkas
, and
D.
Oron
,
Nano Lett.
10
,
164
170
(
2010
).
10.
J. E.
Murphy
,
M. C.
Beard
,
A. G.
Norman
,
S. P.
Ahrenkiel
,
J. C.
Johnson
,
P.
Yu
,
O. I.
Mićić
,
R. J.
Ellingson
, and
A. J.
Nozik
,
J. Am. Chem. Soc.
128
,
3241
3247
(
2006
).
11.
R. D.
Schaller
,
J. M.
Pietryga
, and
V. I.
Klimov
,
Nano Lett.
7
,
3469
3476
(
2007
).
12.
M. C.
Beard
,
K. P.
Knutsen
,
P.
Yu
,
J. M.
Luther
,
Q.
Song
,
W. K.
Metzger
,
R. J.
Ellingson
, and
A. J.
Nozik
,
Nano Lett.
7
,
2506
2512
(
2007
).
13.
S.
Saeed
,
P.
Stallinga
,
F. C.
Spoor
,
A. J.
Houtepen
,
L. D.
Siebbeles
, and
T.
Gregorkiewicz
,
Ligh-Sci. Appl.
4
(
2015
).
14.
D.
Timmerman
,
I.
Izeddin
,
P. Stallinga
,
Y. I. N.
, and
T.
Gregorkiewicz
,
Nat. Photonics
2
,
105
109
(
2008
).
15.
D.
Timmerman
,
I.
Izeddin
, and
T.
Gregorkiewicz
,
Phys. Status Solidi (a)
207
,
183
187
(
2010
).
16.
D.
Timmerman
,
J.
Valenta
,
K.
Dohnalova
,
W. D. A. M.
de Boer
, and
T.
Gregorkiewicz
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
710
713
(
2011
).
17.
M. T.
Trinh
,
R.
Limpens
,
W. D. A. M.
de Boer
,
J. M.
Schins
,
L. D. A.
Siebbeles
, and
T.
Gregorkiewicz
,
Nat. Photonics
6
,
316
321
(
2012
).
18.
A.
Iacomino
,
G.
Cantele
,
D.
Ninno
,
I.
Marri
, and
S.
Ossicini
,
Phys. Rev. B
78
, p.
075405
(
2008
).
19.
F.
Iori
,
E.
Degoli
,
R.
Magri
,
I.
Marri
,
G.
Cantele
,
D.
Ninno
,
F.
Trani
,
O.
Pulci
, and
S.
Ossicini
,
Phys. Rev. B
76
, p.
085302
(
2007
).
20.
M.
Govoni
,
I.
Marri
, and
S.
Ossicini
,
Phys. Rev. B
84
, p.
075215
(
2011
).
21.
R.
Guerra
,
I.
Marri
,
R.
Magri
,
L.
Martin-Samos
,
O.
Pulci
,
E.
Degoli
, and
S.
Ossicini
,
Phys. Rev. B
79
, p.
155320
(
2009
).
22.
R.
Guerra
,
I.
Marri
,
R.
Magri
,
L.
Martin-Samos
,
O.
Pulci
,
E.
Degoli
, and
S.
Ossicini
,
Superlattice Microst.
46
,
246
252
(
2009
).
23.
S.
Ossicini
,
O.
Bisi
,
E.
Degoli
,
I.
Marri
,
F.
Iori
,
E.
Luppi
,
R.
Magri
,
R.
Poli
,
G.
Cantele
,
D.
Ninno
,
F.
Trani
,
M.
Marsili
,
O.
Pulci
,
V.
Olevano
,
M.
Gatti
,
K.
Gaal-Nagy
,
A.
Incze
, and
G.
Onida
,
J.
Nanosci
.
Nanotechno.
8
,
479
492
(
2008
).
24.
E.
Degoli
,
R.
Guerra
,
F.
Iori
,
R.
Magri
,
I.
Marri
,
O.
Pulci
,
O.
Bisi
, and
S.
Ossicini
,
C. R. Phys.
10
,
575
586
(
2009
).
25.
F.
Iori
,
E.
Degoli
,
E.
Luppi
,
R.
Magri
,
I.
Marri
,
G.
Cantele
,
D.
Ninno
,
F.
Trani
, and
S.
Ossicini
,
J. Lumin.
121
,
335
339
(
2006
).
26.
R.
Guerra
,
I.
Marri
,
R.
Magri
,
L.
Martin-Samos
,
O.
Pulci
,
E.
Degoli
, and
S.
Ossicini
,
Phys. Rev. B
79
, p.
155320
(
2009
).
27.
I.
Marri
and
S.
Ossicini
,
Solid State Commun.
147
,
205
207
(
2008
).
28.
M.
Bertocchi
,
M.
Amato
,
I.
Marri
, and
S.
Ossicini
,
Phys. Status Solidi (c)
14
, p.
1700193
(2017).
29.
I.
Marri
,
E.
Degoli
, and
S.
Ossicini
,
Phys. Status Solidi (a)
215
, p.
1700414
(
2018
).
30.
I.
Marri
,
M.
Amato
,
R.
Guerra
, and
S.
Ossicini
,
Phys. Status Solidi (b)
p.
1700627
(
2018
).
31.
G.
Allan
and
C.
Delerue
,
Phys. Rev. B
79
, p.
195324
(
2009
).
32.
G.
Allan
and
C.
Delerue
,
Phys. Rev. B
73
, p.
205423
(
2006
).
33.
G.
Allan
and
C.
Delerue
,
Phys. Rev. B
77
, p.
125340
(
2008
).
34.
E.
Rabani
and
R.
Baer
,
Nano Lett.
8
,
4488
4492
(
2008
).
35.
M.
Califano
,
A.
Zunger
, and
A.
Franceschetti
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
2409
2411
(
2004
).
36.
M.
Califano
,
A.
Zunger
, and
A.
Franceschetti
,
Nano Lett.
4
,
525
531
(
2004
).
37.
A.
Franceschetti
and
Y.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
100
, p.
136805
(
2008
).
38.
A.
Franceschetti
,
J. M.
An
, and
A.
Zunger
,
Nano Lett.
6
,
2191
2195
(
2006
).
39.
M.
Govoni
,
I.
Marri
, and
S.
Ossicini
,
Nat. Photonics
6
,
672
679
(
2012
).
40.
A.
Marini
,
C.
Hogan
,
M.
Grüning
, and
D.
Varsano
,
Comput. Phys. Commun.
180
,
1392
1403
(
2009
).
41.
C. A.
Rozzi
,
D.
Varsano
,
A.
Marini
,
E. K. U.
Gross
, and
A.
Rubio
,
Phys. Rev. B
73
, p.
205119
(
2006
).
42.
I.
Marri
,
M.
Govoni
, and
S.
Ossicini
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
13257
13266
(
2014
).
43.
I.
Marri
,
M.
Govoni
, and
S.
Ossicini
,
Beilstein J. Nanotech.
6
,
343
352
(
2015
).
44.
I.
Marri
,
M.
Govoni
, and
S.
Ossicini
,
Sol. Energ. Mat. Sol. C.
145
,
162
169
(
2016
).
45.
I.
Marri
,
M.
Govoni
, and
S.
Ossicini
,
Phys. Status Solidi (c)
14
, p.
1700198
(
2017
).
46.
D.
Navarro-Urrios
,
A.
Pitanti
,
N.
Daldosso
,
F.
Gourbilleau
,
R.
Rizk
,
B.
Garrido
, and
L.
Pavesi
,
Phys. Rev. B
79
, p.
193312
(
2009
).
47.
A.
Pitanti
,
D.
Navarro-Urrios
,
N.
Prtljaga
,
N.
Daldosso
,
F.
Gourbilleau
,
R.
Rizk
,
B.
Garrido
, and
L.
Pavesi
,
J. Appl. Phys.
108
, p.
053518
(
2010
).
48.
In our scheme the biexciton decay process has to be interpreted as a complicated procedure that occurs thank to the combination of recycling and thermalization procedures, and therefore the exciton recycling time has to be smaller than the biexciton lifetime.
49.
V. I.
Klimov
,
A. A.
Mikhailovsky
,
D. W.
McBranch
,
C. A.
Leatherdale
, and
M. G.
Bawendi
,
Science
287
, p.
1011
(
2000
).
50.
A.
Othonos
,
E.
Lioudakis
, and
A.
Nassiopoulou
,
Nanoscale Res. Lett.
3
, p.
315
(
2008
).
51.
W. D. A. M.
de Boer
,
D.
Timmerman
,
K.
Dohnalova
,
I. N.
Yassievich
,
H.
Zhang
,
W. J.
Buma
, and
T.
Gregorkiewicz
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
878
884
(
2010
).
This content is only available via PDF.