Экситон - Exciton

эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью от добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Экситон»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Октябрь 2014 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Экситон Френкеля, связанная электронно-дырочная пара, где дырка локализована в позиции в кристалле, представленной черными точками

Экситон Ванье – Мотта, связанная электронно-дырочная пара, не локализованная в кристалле. На этом рисунке схематично показана диффузия экситона по решетке.

Физика конденсированного состояния
Фазы  · Фаза перехода  · QCP
состояния вещества Твердый  · Жидкость  · Газ  · Плазма  · Конденсат Бозе – Эйнштейна  · Бозе-газ  · Фермионный конденсат  · Ферми газ  · Ферми жидкость  · Сверхтвердый  · Сверхтекучесть  · Жидкость Латтинжера  · Кристалл времени
Фазовые явления Параметр заказа  · Фаза перехода  · QCP
Электронные фазы Электронная зонная структура  · Плазма  · Изолятор  · Изолятор Мотта  · Полупроводник  · Полуметалл  · Дирижер  · Сверхпроводник  · Термоэлектрический  · Пьезоэлектрический  · Сегнетоэлектрик  · Топологический изолятор  · Спиновый бесщелевой полупроводник
Электронные явления Квантовый эффект Холла  · Эффект спин-холла  · Кондо эффект
Магнитные фазы Диамагнетик  · Супердиамагнетик Парамагнетик  · Суперпарамагнетик Ферромагнетик  · Антиферромагнетик Метамагнетик  · Спин-стакан
Квазичастицы Фонон  · Экситон  · Плазмон Поляритон  · Полярон  · Магнон
Мягкая материя Аморфное твердое тело  · Коллоидный  · Гранулированный материал  · Жидкокристаллический  · Полимер
Ученые Ван дер Ваальс  · Оннес  · фон Лауэ  · Брэгг  · Дебай  · Блох  · Онсагер  · Мотт  · Пайерлс  · Ландо  · Латтинджер  · Андерсон  · Ван Влек  · Хаббард  · Шокли  · Бардин  · Купер  · Шриффер  · Джозефсон  · Луи Неэль  · Esaki  · Giaever  · Кон  · Каданов  · Фишер  · Уилсон  · фон Клитцинг  · Бинниг  · Рорер  · Беднорз  · Мюллер  · Лафлин  · Störmer  · Ян  · Цуй  · Абрикосов  · Гинзбург  · Леггетт

An экситон это связанное состояние из электрон и электронная дыра которые притягиваются друг к другу электростатическим Кулоновская сила. Это электрически нейтральный квазичастица что существует в изоляторы, полупроводники и некоторые жидкости. Экситон рассматривается как элементарное возбуждение конденсированное вещество которые могут передавать энергию без транспортировки чистого электрического заряда.^[1][2][3]

Экситон может образоваться, когда материал поглощает фотон энергии выше, чем его запрещенная зона.^[4] Это возбуждает электрон из валентная полоса в зона проводимости. В свою очередь, это оставляет положительно заряженный электронная дыра (абстракция для местоположения, из которого был перемещен электрон). Электрон в зоне проводимости в меньшей степени притягивается к этой локализованной дыре из-за отталкивания. Кулоновские силы от большого количества электронов, окружающих дырку и возбужденный электрон. Эти силы отталкивания обеспечивают стабилизирующий энергетический баланс. Следовательно, экситон имеет немного меньшую энергию, чем несвязанные электрон и дырка. В волновая функция связанного состояния называется гидрогенный, экзотический атом состояние сродни положению водород атом. Однако энергия связи намного меньше, а размер частицы намного больше атома водорода. Это происходит из-за экранирования кулоновской силы другими электронами в полупроводнике (т.е. относительная диэлектрическая проницаемость ), а маленький эффективные массы возбужденного электрона и дырки. Рекомбинация электрона и дырки, то есть распад экситона, ограничивается стабилизацией резонанса из-за перекрытия волновых функций электрона и дырки, что приводит к увеличению времени жизни экситона.

Электрон и дырка могут иметь параллельные или антипараллельные спины. Спины связаны обменное взаимодействие, вызывая экситон тонкая структура. В периодических решетках свойства экситона проявляют импульс (k-векторная) зависимость.

Концепция экситонов была впервые предложена Яков Френкель в 1931 г.,^[5] когда он описал возбуждение атомов в решетке изоляторов. Он предположил, что это возбужденное состояние могло бы перемещаться подобно частице через решетку без чистой передачи заряда.

Экситоны часто рассматриваются в двух предельных случаях малых диэлектрическая постоянная от большой диэлектрической проницаемости; соответствующие экситону Френкеля и экситону Ванье – Мотта соответственно.

Экситон Френкеля

В материалах с относительно небольшой диэлектрическая постоянная кулоновское взаимодействие между электроном и дыркой может быть сильным, и экситоны, таким образом, имеют тенденцию быть маленькими, порядка размера элементарной ячейки. Молекулярные экситоны могут даже целиком находиться на одной и той же молекуле, как в фуллерены. Эта Экситон Френкеля, названный в честь Яков Френкель, имеет типичную энергию связи порядка от 0,1 до 1 эВ. Экситоны Френкеля обычно встречаются в кристаллах галогенидов щелочных металлов и в органических молекулярных кристаллах, состоящих из ароматических молекул, таких как антрацен и тетрацен. Другой пример экситона Френкеля включает в себя d-d возбуждения в соединениях переходных металлов с частично заполненными d-оболочек. В то время как d-d переходы в принципе запрещены по симметрии, они становятся слабо разрешенными в кристалле, когда симметрия нарушается структурными релаксациями или другими эффектами. Поглощение фотона, резонансного d-d переход приводит к созданию пары электрон-дырка на одном узле атома, которую можно рассматривать как экситон Френкеля.

Экситон Ванье – Мотта

В полупроводниках обычно большая диэлектрическая проницаемость. Вследствие этого, экранирование электрического поля стремится уменьшить кулоновское взаимодействие между электронами и дырками. В результате Экситон Ванье – Мотта,^[6] который имеет радиус больше, чем шаг решетки. Малая эффективная масса электронов, характерная для полупроводников, также способствует большим радиусам экситонов. В результате влияние потенциала решетки может быть включено в эффективные массы электрона и дырки. Точно так же из-за более низких масс и экранированного кулоновского взаимодействия энергия связи обычно намного меньше, чем у атома водорода, обычно порядка 0.01эВ. Этот тип экситона был назван в честь Грегори Ванье и Невилл Фрэнсис Мотт. Экситоны Ванье-Мотта обычно встречаются в полупроводниковых кристаллах с малыми энергетическими зазорами и высокими диэлектрическими постоянными, но также обнаруживаются в жидкостях, таких как жидкость. ксенон. Они также известны как большие экситоны.

В одностенной углеродные нанотрубки, экситоны имеют характер Ванье – Мотта и Френкеля. Это связано с характером кулоновского взаимодействия электронов и дырок в одномерном пространстве. Диэлектрическая функция самой нанотрубки достаточно велика, чтобы учесть пространственную протяженность волновая функция простираться на расстояние от нескольких до нескольких нанометров вдоль оси трубки, в то время как плохое экранирование в вакууме или диэлектрической среде за пределами нанотрубки позволяет использовать большие (от 0,4 до 1.0эВ) энергии связи.

Часто более одной полосы можно выбрать в качестве источника для электрона и дырки, что приводит к различным типам экситонов в одном и том же материале. Даже высоко расположенные ленты могут быть эффективны как фемтосекунда двухфотонные эксперименты показали. При криогенных температурах можно наблюдать много более высоких экситонных уровней, приближающихся к краю зоны,^[7] формируя серию спектральных линий поглощения, которые в принципе похожи на спектральная серия водорода.

Уравнения для 3D-полупроводников

В массивном полупроводнике экситон Ванье имеет связанные с ним энергию и радиус, называемые экситонная ридберговская энергия и экситонный боровский радиус соответственно.^[8] Что касается энергии, мы имеем

${ displaystyle E (n) = - { frac { left ({ frac { mu} {m_ {0} varepsilon _ {r} ^ {2}}} R _ { text {y}} right) )} {n ^ {2}}} Equiv - { frac {R _ { text {X}}} {n ^ {2}}}}$

где ${ displaystyle R _ { text {y}}}$ - ридберговская единица энергии (Постоянная Ридберга ), ${ displaystyle varepsilon _ {r}}$ - (статическая) относительная диэлектрическая проницаемость, ${ displaystyle mu = (m_ {e} ^ {*} m_ {h} ^ {*}) / (m_ {e} ^ {*} + m_ {h} ^ {*})}$ - приведенная масса электрона и дырки, а ${ displaystyle m_ {0}}$ - масса электрона. Что касается радиуса, мы имеем

${ displaystyle r_ {n} = left ({ frac {m_ {0} varepsilon _ {r} a _ { text {H}}} { mu}} right) n ^ {2} Equiv a_ { text {X}} п ^ {2}}$

где ${ displaystyle a _ { text {H}}}$ это Радиус Бора.

Так, например, в GaAs, мы имеем относительную диэлектрическую проницаемость 12,8 и эффективные массы электронов и дырок 0,067м₀ и 0,2м₀ соответственно; и это дает нам ${ Displaystyle R _ { текст {X}} = 4,2}$ мэВ и ${ displaystyle a _ { text {X}} = 13}$ нм.

Уравнения для 2D-полупроводников

В двумерные (2D) материалы, система квантово-ограниченный в направлении, перпендикулярном плоскости материала. Уменьшение размерности системы влияет на энергии связи и радиусы экситонов Ванье. Фактически в таких системах усиливаются экситонные эффекты.^[9]

Для простого экранированного кулоновского потенциала энергии связи имеют вид двумерного атома водорода^[10]

${ displaystyle E (n) = - { frac {R _ { text {X}}} { left (n - { tfrac {1} {2}} right) ^ {2}}}}$.

В большинстве 2D-полупроводников форма Рытова – Келдыша является более точным приближением экситонного взаимодействия.^[11][12][13]

${ displaystyle V (r) = - { frac { pi} {2r_ {0}}} left [{ text {H}} _ {0} left ({ frac { kappa r} {r_ {0}}} right) -Y_ {0} left ({ frac { kappa r} {r_ {0}}} right) right],}$

где ${ displaystyle r_ {0}}$ это так называемая длина экрана, ${ displaystyle kappa}$ средняя диэлектрическая проницаемость окружающей среды, и ${ displaystyle r}$ радиус экситона. Для этого потенциала нельзя найти общего выражения для энергий экситонов. Вместо этого следует обратиться к численным процедурам, и именно этот потенциал порождает неводородные ридберговские ряды энергий в 2D-полупроводниках.^[9]

Экситон с переносом заряда

Промежуточным случаем между экситонами Френкеля и Ванье является экситон с переносом заряда (CT). В молекулярной физике экситоны CT образуются, когда электрон и дырка занимают соседние молекулы.^[14] Они встречаются в основном в органических и молекулярных кристаллах;^[15] в этом случае, в отличие от экситонов Френкеля и Ванье, CT-экситоны обладают статическим электрический дипольный момент. Экситоны CT могут также встречаться в оксидах переходных металлов, где они включают электрон в переходном металле 3.d орбитали и дыра в кислороде 2п орбитали. Известные примеры включают экситоны с наименьшей энергией в коррелированных купратах.^[16] или двумерный экситон TiO₂.^[17] Независимо от происхождения, концепция CT-экситона всегда связана с переносом заряда от одного атомного узла к другому, таким образом распределяя волновую функцию по нескольким узлам решетки.

Поверхностный экситон

На поверхностях возможно так называемое состояния изображения происходить, когда дырка находится внутри твердого тела, а электрон - в вакууме. Эти электронно-дырочные пары могут двигаться только по поверхности.

Атомные и молекулярные экситоны

В качестве альтернативы экситон можно описать как возбужденное состояние атома, ион, или молекула, если возбуждение блуждает от одной ячейки решетки к другой.

Когда молекула поглощает квант энергии, соответствующий переходу от одного молекулярная орбиталь на другую молекулярную орбиталь, результирующее электронное возбужденное состояние также правильно описывается как экситон. An электрон говорят, что находится в нижняя незанятая орбиталь и электронная дыра в самая высокая занятая молекулярная орбиталь, и поскольку они находятся в одном и том же многообразии молекулярных орбиталей, электронно-дырочное состояние называется связанным. Молекулярные экситоны обычно имеют характерные времена жизни порядка наносекунды, после чего основное электронное состояние восстанавливается и молекула испытывает фотон или фонон эмиссия. Молекулярные экситоны обладают несколькими интересными свойствами, одним из которых является перенос энергии (см. Фёрстеровский резонансный перенос энергии ), посредством чего, если молекулярный экситон имеет надлежащее энергетическое соответствие со спектральным поглощением второй молекулы, то экситон может передавать (хмель) от одной молекулы к другой. Этот процесс сильно зависит от межмолекулярного расстояния между видами в растворе, поэтому он нашел применение в зондировании и молекулярные правители.

Отличительной чертой молекулярных экситонов в органических молекулярных кристаллах являются дублеты и / или триплеты экситонных полос поглощения, сильно поляризованных вдоль кристаллографических осей. В этих кристаллах элементарная ячейка включает несколько молекул, находящихся в симметрично идентичных положениях, что приводит к вырождению уровней, которое снимается межмолекулярным взаимодействием. В результате полосы поглощения поляризованы вдоль осей симметрии кристалла. Такие мультиплеты были открыты Антонина Прихотько^[18][19] а их генезис предложил Александр Давыдов. Он известен как «Давыдовский раскол».^[20][21]

Гигантский осциллятор силы связанных экситонов

Экситоны - это низшие возбужденные состояния электронной подсистемы чистых кристаллов. Примеси могут связывать экситоны, и когда связанное состояние неглубоко, сила осциллятора для создания связанных экситонов настолько высока, что примесное поглощение может конкурировать с собственным экситонным поглощением даже при довольно низких концентрациях примесей. Это явление является общим и применимо как к экситонам большого радиуса (Ванье – Мотта), так и к молекулярным (Френкелевским) экситонам. Следовательно, экситоны, связанные с примесями и дефектами, обладают гигантская сила осциллятора.^[22]

Самозахват экситонов

В кристаллах экситоны взаимодействуют с фононами, колебаниями решетки. Если эта связь слабая, как в типичных полупроводниках, таких как GaAs или Si, экситоны рассеиваются на фононах. Однако при сильной связи экситоны могут быть самозахваченными.^[23][24] Самозахват приводит к наложению на экситоны плотного облака виртуальных фононов, которое сильно подавляет способность экситонов перемещаться по кристаллу. Проще говоря, это означает локальную деформацию кристаллической решетки вокруг экситона. Самозахват может быть достигнут только в том случае, если энергия этой деформации может конкурировать с шириной экситонной полосы. Следовательно, он должен быть атомного масштаба, примерно электрон-вольт.

Самозахват экситонов аналогичен образованию сильной связи. поляроны но с тремя существенными отличиями. Во-первых, автолокализованные экситонные состояния всегда имеют малый радиус, порядка постоянной решетки, из-за их электронейтральности. Во-вторых, существует самоулавливающийся барьер разделяющие свободные и автолокализованные состояния, следовательно, свободные экситоны метастабильны. В-третьих, этот барьер позволяет сосуществование свободных и автолокализованных состояний экситонов.^[25][26][27] Это означает, что спектральные линии свободных экситонов и широкие полосы автолокализованных экситонов можно наблюдать одновременно в спектрах поглощения и люминесценции. Хотя автолокализованные состояния имеют масштаб решетки, барьер обычно имеет гораздо больший масштаб. Действительно, его пространственный масштаб составляет около ${ displaystyle r_ {b} sim m gamma ^ {2} / omega ^ {2}}$ где ${ displaystyle m}$ эффективная масса экситона, ${ displaystyle gamma}$ - константа экситон-фононного взаимодействия, ${ displaystyle omega}$ - характерная частота оптических фононов. Экситоны самозахватываются, когда ${ displaystyle m}$ и ${ displaystyle gamma}$ велики, и тогда пространственный размер барьера велик по сравнению с шагом решетки. Преобразование свободного экситонного состояния в автолокализованное происходит как коллективное туннелирование связанной системы экситон-решетка ( Немедленное включение ). Потому что ${ displaystyle r_ {b}}$ велико, туннелирование можно описать континуальной теорией.^[28] Высота преграды ${ Displaystyle W sim omega ^ {4} / м ^ {3} gamma ^ {4}}$. Потому что оба ${ displaystyle m}$ и ${ displaystyle gamma}$ появляются в знаменателе ${ displaystyle W}$, барьеры в основном низкие. Поэтому свободные экситоны в кристаллах с сильным экситон-фононным взаимодействием можно увидеть только в чистых образцах и при низких температурах. Сосуществование свободных и автолокализованных экситонов наблюдалось в твердых телах инертных газов.^[29][30] галогениды щелочных металлов,^[31] и в молекулярном кристалле пирена.^[32]

Взаимодействие

Экситоны - основной механизм световое излучение в полупроводниках при низких температура (когда характерная тепловая энергия k Т меньше экситона энергия связи ), заменяя рекомбинацию свободных электронов и дырок при более высоких температурах.

О существовании экситонных состояний можно судить по поглощению света, связанному с их возбуждением. Обычно экситоны наблюдаются чуть ниже запрещенная зона.

При взаимодействии экситонов с фотонами возникает так называемая поляритон (или более конкретно экситон-поляритон ) сформирован. Эти экситоны иногда называют одетые экситоны.

Если взаимодействие является привлекательным, экситон может связываться с другими экситонами с образованием биэкситон, аналогично дигидрогену молекула. Если в материале создается большая плотность экситонов, они могут взаимодействовать друг с другом, образуя электронно-дырочный жидкость, состояние, наблюдаемое в непрямых полупроводниках k-пространства.

Кроме того, экситоны представляют собой частицы с целым спином, подчиняющиеся Bose статистика в пределе низкой плотности. В некоторых системах, где взаимодействия являются отталкивающими, Конденсированное состояние Бозе – Эйнштейна., называемое экситонием, считается основным состоянием. Некоторые признаки экситония существуют с 1970-х годов, но их часто трудно отличить от фазы Пайерлса.^[33] Конденсаты экситонов якобы наблюдались в системах с двойной квантовой ямой.^[34] В 2017 году Когар и др. нашли «неопровержимые доказательства» наблюдаемой конденсации экситонов в трехмерном полуметалле 1T-TiSe2.^[35]

Пространственно прямые и непрямые экситоны

Обычно экситоны в полупроводнике имеют очень короткое время жизни из-за близкого расположения электрона и дырки. Однако, помещая электрон и дырку в пространственно разделенные квантовые ямы с изолирующим барьерным слоем между ними, могут быть созданы так называемые «пространственно непрямые» экситоны. В отличие от обычных (пространственно прямых) эти пространственно непрямые экситоны могут иметь большое пространственное разделение между электроном и дыркой и, таким образом, иметь гораздо более длительное время жизни.^[36] Это часто используется для охлаждения экситонов до очень низких температур, чтобы изучить конденсацию Бозе – Эйнштейна (или, скорее, ее двумерный аналог).^[37]

Экситоны в наночастицах

В полупроводниковом кристаллите наночастицы которые проявляют эффекты квантового ограничения и, следовательно, ведут себя как квантовые точки, экситонные радиусы задаются выражением^[38][39]

${ displaystyle a _ { text {X}} = { frac { varepsilon _ {r}} { mu / m_ {0}}} a_ {0}}$

где ${ displaystyle varepsilon _ {r}}$ это относительная диэлектрическая проницаемость, ${ Displaystyle му эквив (м_ {е} ^ {*} м_ {ч} ^ {*}) / (м_ {е} ^ {*} + м_ {ч} ^ {*})}$ - приведенная масса электронно-дырочной системы, ${ displaystyle m_ {0}}$ - масса электрона, а ${ displaystyle a_ {0}}$ это Радиус Бора.

Смотрите также

• Орбитон
• Осциллятор силы
• Плазмон
• Поляритон сверхтекучий
• Трион

использованная литература