Екситон
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Екситон

Екситон (від латів.(латинський) excito — збуджую), квазічастинка, що є електронним збудженням в діелектриці або напівпровіднику, мігруюче по кристалу і не пов'язане з перенесенням електричного заряду і маси. Уявлення про Е. було 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 Е. У молекулярних кристалах Е . є елементарним збудженням електронної системи окремої молекули, яке завдяки міжмолекулярним взаємодіям поширюється по кристалу у вигляді хвилі (екситон Френкеля). Е. Френкеля виявляються в спектрах поглинання і випромінювання молекулярних кристалів (див. Спектроскопія кристалів ) . Якщо в елементарному вічку молекулярного кристала міститься декілька молекул, то міжмолекулярна взаємодія приводить до розщеплювання ліній екситонів. Цей ефект, званий давидовським розщеплюванням, пов'язаний з можливістю переходу Е. Френкеля з однієї групи молекул в іншу в межах елементарного вічка. Давидовськоє розщеплювання експериментально виявлене у ряді молекулярних кристалів (нафталіні, антрацені, бензолі і ін.).

загрузка...

  В напівпровідниках Е. є водородоподобноє зв'язаним станом електрона провідності і дірки (екситон Ванье—Мотта). Енергії зв'язку E * і ефективні радіуси а * Е. Ванье—Мотта можна оцінити по формулах Н. Бора для атома водню, враховуючи, що ефективні маси електронів провідності m е і дірок m д відрізняються від маси вільного електрона mo і що кулонівська взаємодія електрона і дірки в кристалі ослаблена діелектричною проникністю середовища e:

  E*= ев; (1)

  а * =   см .

  Тут   ¾ Планка постійна, е — заряд електрона. Формули (1) не враховують впливи складної зонної структури кристала, взаємодії електронів і дірок з фононами . Проте облік цих чинників не міняє порядок величин E * і а *. Для Ge, Si і напівпровідників типів A III B V і A II B VI m* ~ 0,1 т про , e ~ 10, що приводить до значень E * ~ 10 ¾2 ев , і а * ~ 10 ¾6 див.(дивися) Т. о., енергії зв'язку Е. Ванье — Мотта у багато разів менше, ніж енергія зв'язку електрона з протоном в атомі водню, а радіуси Е. у багато разів більше міжатомних відстаней в кристалі. Великі значення а* означають, що Е. у напівпровідникових кристалах — макроскопічна освіта, причому структура кристала визначає лише параметри m* і E *. Тому Е. Ванье — Мотта можна розглядати як квазіатом, рухомий у вакуумі. Спотворення структури кристала, Е, що вносяться. або навіть великим числом Е., нехтує мало. У кристалах галогенідів лужних металів і інертних газів E * ~ 0,1—1 ев , а* ~ 10 ¾7 10 ¾8 см і утворення Е. супроводиться деформацією елементарного вічка.

  Е. Ванье—Мотта виразно виявляються в спектрах поглинання напівпровідників у вигляді вузьких ліній, зрушених на величину E * нижче за край оптичного поглинання. Водородоподобний спектр Е. Ванье — Мотта вперше спостерігався в спектрі поглинання Cu 2 O, надалі в ін. напівпровідниках. Е. виявляються також в спектрах люмінесценції, у фотопровідності, в Штарка ефекті і Зеемана ефекті . Час життя Е. невелико: електрон і дірка, складові Е., можуть рекомбінувати з випромінюванням фотона, наприклад в Ge час життя Е. порядку 10 ¾5 сек. Е. може розпадатися при зіткненні з дефектами грат.

  При взаємодії Е. з фотонами, що мають частоти w = , виникають нові квазічастинки — змішані фотонні для екситона стани, звані полярітонамі. Властивості полярітонов (наприклад, їх закон дисперсії) істотно відрізняються від властивостей як Е., так і фотонів. Полярітони грають істот. роль в процесах перенесення енергії електронного збудження в кристалі, вони обумовлюють особливості оптичних спектрів напівпровідників в області смуг екситонів і ін.

  При малих концентраціях Е. поводяться в кристалі подібно до газу квазічастинок. При великих концентраціях стає істотною їх взаємодія. Можливе утворення зв'язаного стану два Е. — молекули екситона (біекситона). Проте, в відмінність від молекули водню, енергія дисоціації біекситона значно менша, ніж його енергія зв'язку (ефективні маси електронів і дірок в напівпровідниках одного порядку).

  При підвищенні концентрації Е. відстань між ними може стати порядку їх радіусу, що приводить до руйнування Е. Ето може супроводитися виникненням «крапель» електронно-діркової плазми (див. Електронно-діркова рідина ) . Утворення електронно-діркових 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 об'ємом) концентрації, великою рухливістю в неоднорідних полях і т.п.

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

  Літ.: Гросс Е. Ф., Екситон і його рух в кристалічній решітці, «Успіхи фізичних наук», 1962, т. 76, ст 3; Нокс Р., Теорія екситонів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1966; Аграновіч Ст М., Теорія екситонів, М., 1968; Давидов А. С., Теорія молекулярних екситонів, М., 1968; Екситони в напівпровідниках, [Сб. статей], М., 1971; Осипьян Ю. А., Фізика твердого тіла виходить на передові позиції, «Природа», 1975 № 10.

  А. П. Силін.

Інфрачервона фотографія електронно-діркової краплі в Ge: 1 — зразок германію; 2 — електронно-діркова крапля.