загрузка...
загрузка...
На головну

Пояснення понять екситона і поляритону

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Ексітон (Від лат. Excito - збуджую) - це квазічастинки, що представляє собою електронне збудження в діелектрику або напівпровіднику, мігруюче по кристалу і не пов'язане з перенесенням електричного заряду і маси.

Для пояснення природи екситона розглянемо питання про те, як влаштовані тверді тіла. У фізиці будова твердого тіла зазвичай представляють з точки зору зонної теорії, згідно з якою в його електронній структурі можна виділити валентні зони і зони провідності - деякі інтервали енергії, яким відповідають ті чи інші електронні стану (рис.1). Дозволені енергетичні зони поділяються забороненими - набором енергетичних станів електронів, які не реалізуються в даній системі. Відомо, що валентна зона всіх провідників (металів) повністю заповнена, а вільні електрони навіть в збудженому стані знаходиться в зоні провідності, що пояснює високу електропровідність таких матеріалів. У разі ізолятор, що знаходяться в збудженому стаціонарному стані, всі електрони строго локалізовані навколо певних ядер, тому зона провідності залишається порожньою. Однак якщо валентні електрони отримають надлишок енергії (наприклад, при опроміненні речовини світлом), вони можуть "перестрибнути" через заборонену зону і опинитися в зоні провідності, ставши вільними, але залишивши за собою в валентної зоні вакантне місце - дірку - з позитивним елементарним зарядом. Залежно від величини забороненої зони E g тверді тіла поділяють на напівпровідники і діелектрики. Часто виникає ситуація, коли електрон поглинув квант світла, але його енергії виявилося недостатньо, щоб перейти в зону провідності. Якщо в речовині є невелика кількість атомів домішки, вони забезпечують додаткові рівні енергії в забороненій зоні (рис.1), за які електрон може зачепитися і залишитися в забороненій зоні, взаємодіючи з діркою за допомогою електростатичних сил. Таке зв'язаний стан "електрон-дірка" називається екситоном. Цей електрон, немов відбився турист, якої хоча і втратив свою групу під впливом натовпу, але пам'ятає про неї, і має можливість її знайти. Також і у електрона є можливість випустити квант світла і повернутися на своє початкове положення в валентної зоні (екситонні перехід). При цьому сусідній атом може поглинути виділяється квант енергії, в результаті чого виникне нова Ексітоном пара, яка потім теж зникне, а електронне збудження буде передаватися далі від атома до атома, мігруючи по кристалу. Але є у нього і інша можливість - проходить якийсь час і виявляється, що екскурсовод вже забрав групу з площі, і загубився турист залишився один - тепер йому не залишається нічого іншого як оглядати визначні пам'ятки самостійно. Аналогічно електрон може додатково поглинути енергію і все-таки, стати вільним, допригнув до зони провідності і забезпечивши внесок в щільність вільних носіїв заряду даного матеріалу.

Таким чином, екситон в твердому тілі можна вважати елементарної квазічастинкою в тих випадках, коли він виступає як ціле освіту, не піддаючись впливам, здатним його зруйнувати. Енергія зв'язку дірки і електрона визначає радіус екситона, який є характеристичною величиною для кожної речовини. Як показує практика, в напівпровідниках енергія зв'язку екситона мала (не перевищує 10 МеВ), а найбільшим Боровським радіусом екситону володіють напівпровідники типу A IV B VI. Наприклад, для сульфіду і селеніду свинцю ця величина складає 2 і 4,6 нм відповідно, в той час як, для порівняння, у сульфіду кадмію - не перевищує 0,6 нм.

З утворенням і знищенням екситонів пов'язують особливості оптичних спектрів наноструктур, в яких різкі лінійчатих компоненти, нехарактерні для макроскопічних тіл, спостерігаються аж до кімнатних температур. Встановлено, що величина енергії зв'язку екситона залежить від розміру наночастинки, якщо розмір частки можна порівняти або менше радіуса екситону. Тому, отримуючи монодисперсні колоїдні розчини наночастинок різних розмірів, можна управляти енергіями екситонних переходів в широкому діапазоні оптичного спектру.

Подання про екситон було вперше введено в 1931 Я. І. Френкелем. Він пояснював відсутність фотопровідності в діелектриків при поглинанні світла тим, що поглинена енергія витрачається не на створення носіїв струму, а на утворення екситона. У молекулярних кристалах екситон являє собою елементарне порушення електронної системи окремої молекули, яке завдяки міжмолекулярним взаємодій поширюється по кристалу у вигляді хвилі (екситон Френкеля).

Екситони Френкеля виявляються в спектрах поглинання і випромінювання молекулярних кристалів. Якщо в елементарній комірці молекулярного кристала міститься декілька молекул, то міжмолекулярної взаємодії призводить до розщеплення екситонних ліній. Цей ефект, званий Давидовським розщепленням, пов'язаний з можливістю переходу екситона Френкеля з однієї групи молекул в іншу в межах елементарного осередку. Давидівське розщеплення експериментально виявлено в ряді молекулярних кристалів (нафталіні, антраценом, бензолі і ін.).

У напівпровідниках екситон являє собою водородоподобном зв'язаний стан електрона провідності і дірки (екситон Ваньє-Мотта). Енергії зв'язку та ефективні радіуси екситона Ваньє-Мотта можна оцінити за формулами Н. Бора для атома водню, враховуючи, що ефективні маси електронів провідності і дірок відрізняються від маси вільного електрона і що кулонівської взаємодії електрона і дірки в кристалі ослаблена діелектричною проникністю середовища.

Енергії зв'язку екситона Ваньє - Мотта у багато разів менше, ніж енергія зв'язку електрона з протоном в атомі водню, а радіуси екситона у багато разів більше міжатомних відстаней в кристалі. Великі значення радіуса екситон означають, що екситон в напівпровідникових кристалах є макроскопічне освіту, причому структура кристала визначає лише параметри маси і енергії екситона. Тому екситон Ваньє - Мотта можна розглядати як квазіатом, що рухається у вакуумі. Спотворення структури кристала, що вносяться екситоном або навіть великим числом екситонів, дуже малий.

Ексітон Ваньє-Мотта виразно проявляються в спектрах поглинання напівпровідників у вигляді вузьких ліній. Еексітон проявляються також в спектрах люмінесценції, в фотопровідності, в ефекті Штарка і Зеемана. Час життя екситона невелика: електрон і дірка, складові екситон, можуть рекомбінувати з випромінюванням фотона.

Ексітон може розпадатися при зіткненні з дефектами решітки.

При взаємодії екситона з фотонами виникають нові квазічастинки - змішані екситон-фотонні стану, звані поляритону. Властивості поляритонов (наприклад, їх закон дисперсії) істотно відрізняються від властивостей як екситонів, так і фотонів. Поляритони грають істотну роль в процесах перенесення енергії електронного збудження в кристалі, вони обумовлюють особливості оптичних спектрів напівпровідників в області екситонних смуг та ін.

При малих концентраціях екситон поводяться в кристалі подібно до газу квазічастинок. При великих концентраціях стає істотною їх взаємодія. Можливе утворення зв'язаного стану двох екситонів - екситон- молекули (біекситона). Однак, на відміну від молекули водню, енергія дисоціації біекситона значно менше, ніж його енергія зв'язку (ефективні маси електронів і дірок в напівпровідниках одного порядку).

При підвищенні концентрації екситонів відстань між ними може стати порядку їх радіусу, що призводить до руйнування екситонів. Це може супроводжуватися виникненням "крапель" електронно-доречний плазми. Освіта електронно-доручених крапель в таких напівпровідниках, як Ge і Si, позначається в появі нової широкої лінії люмінесценції, зрушеної у бік зменшення енергії фотона. Електронно-діркові краплі володіють рядом цікавих властивостей: високою щільністю електронів і дірок при малій (середньою за обсягом) концентрації, великою рухливістю в неоднорідних полях і т. П.

При малих концентраціях екситонів, що складається з двох ферміонів (електрона провідності і дірки), можна розглядати як бозон. Це означає, що можлива бозе-конденсація екситонів (накопичення великого числа Е. на найнижчому енергетичному рівні). Бозе-конденсація екситонів може привести до існування в кристалі незгасаючих потоків енергії. Однак, на відміну від сверхтекучего рідкого гелію або надпровідника, надплинний потік екситонів може існувати не скільки завгодно довго, а лише протягом часу життя екситонів.

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Читайте також:

фулерени

латеральне гальмування

амперометричний аналізатор

MEMS-джерела живлення для портативних пристроїв

MEMS-дисплеї

Ядерний магнітний резонанс

Електронно і іонно-стимульовані процеси на поверхні твердих тіл

Скануючий СКВІД-мікроскоп (ССМ-77)

Пробій Зинера. автоелектронна емісія

Глава 5. Ефекти взаємодії електромагнітного поля з речовиною

Приклади застосувань ССМ-77

ефект Зеемана

Повернутися в зміст: фізичні явища

Всі підручники

© om.net.ua