Объяснение понятий экситона и поляритона

Экситон (от лат. excito — возбуждаю) – это квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы.

Для объяснения природы экситона рассмотри вопрос о том, как устроены твердые тела. В физике строение твердого тела обычно представляют с точки зрения зонной теории, согласно которой в его электронной структуре можно выделить валентные зоны и зоны проводимости - некоторые интервалы энергии, которым соответствуют те или иные электронные состояния (рис.1). Разрешенные энергетические зоны разделяются запрещенными - набором энергетических состояний электронов, которые не реализуются в данной системе. Известно, что валентная зона всех проводников (металлов) полностью заполнена, а свободные электроны даже в невозбужденном состоянии находится в зоне проводимости, что объясняет высокую электропроводность таких материалов. В случае непроводников, находящихся в невозбужденном стационарном состоянии, все электроны строго локализованы вокруг определенных ядер, поэтому зона проводимости остается пустой. Однако если валентные электроны получат избыток энергии (например, при облучении вещества светом), они могут "перепрыгнуть" через запрещенную зону и оказаться в зоне проводимости, став свободными, но оставив за собой в валентной зоне вакантное место - дырку - с положительным элементарным зарядом. В зависимости от величины запрещенной зоны E g твердые тела разделяют на полупроводники и диэлектрики. Часто возникает ситуация, когда электрон поглотил квант света, но его энергии оказалось недостаточно, чтобы перейти в зону проводимости. Если в веществе есть небольшое количество атомов примеси, они обеспечивают дополнительные уровни энергии в запрещенной зоне (рис.1), за которые электрон может зацепиться и остаться в запрещенной зоне, взаимодействуя с дыркой посредством электростатических сил. Такое связанное состояние "электрон-дырка" называется экситоном. Этот электрон, словно отбившийся турист, которой хотя и потерял свою группу под воздействием толпы, но помнит о ней, и имеет возможность ее найти. Также и у электрона есть возможность испустить квант света и вернуться на свое исходное положение в валентной зоне (экситонный переход). При этом соседний атом может поглотить выделяющийся квант энергии, в результате чего возникнет новая экситонная пара, которая затем тоже исчезнет, а электронное возбуждение будет передаваться дальше от атома к атому, мигрируя по кристаллу. Но есть у него и другая возможность - проходит какое-то время и оказывается, что экскурсовод уже увел группу с площади, и потерявшийся турист остался один - теперь ему не остается ничего другого как осматривать достопримечательности самостоятельно. Аналогично электрон может дополнительно поглотить энергию и все-таки, стать свободным, допрыгнув до зоны проводимости и обеспечив вклад в плотность свободных носителей заряда данного материала.

Таким образом, экситон в твердом теле можно считать элементарной квазичастицей в тех случаях, когда он выступает как целое образование, не подвергаясь воздействиям, способным его разрушить. Энергия связи дырки и электрона определяет радиус экситона, который является характеристической величиной для каждого вещества. Как показывает практика, в полупроводниках энергия связи экситона мала (не превышает 10 мэВ), а наибольшим Боровским радиусом экситона обладают полупроводники типа A IV B VI . Например, для сульфида и селенида свинца эта величина составляет 2 и 4,6 нм соответственно, в то время как, для сравнения, у сульфида кадмия - не превышает 0,6 нм.

С образованием и уничтожением экситонов связывают особенности оптических спектров наноструктур, в которых резкие линейчатые компоненты, нехарактерные для макроскопических тел, наблюдаются вплоть до комнатных температур. Установлено, что величина энергии связи экситона зависит от размера наночастицы, если размер частицы сопоставим или меньше радиуса экситона. Поэтому, получая монодисперсные коллоидные растворы наночастиц различных размеров, можно управлять энергиями экситонных переходов в широком диапазоне оптического спектра.

Представление об экситоне было впервые введено в 1931 Я. И. Френкелем. Он объяснял отсутствие фотопроводимости у диэлектриков при поглощении света тем, что поглощённая энергия расходуется не на создание носителей тока, а на образование экситона. В молекулярных кристаллах экситон представляет собой элементарное возбуждение электронной системы отдельной молекулы, которое благодаря межмолекулярным взаимодействиям распространяется по кристаллу в виде волны (экситон Френкеля).

Экситоны Френкеля проявляются в спектрах поглощения и излучения молекулярных кристаллов. Если в элементарной ячейке молекулярного кристалла содержится несколько молекул, то межмолекулярное взаимодействие приводит к расщеплению экситонных линий. Этот эффект, называемый давыдовским расщеплением, связан с возможностью перехода экситона Френкеля из одной группы молекул в другую в пределах элементарной ячейки. Давыдовское расщепление экспериментально обнаружено в ряде молекулярных кристаллов (нафталине, антрацене, бензоле и др.).

В полупроводниках экситон представляет собой водородоподобное связанное состояние электрона проводимости и дырки (экситон Ванье—Мотта). Энергии связи и эффективные радиусы экситона Ванье—Мотта можно оценить по формулам Н. Бора для атома водорода, учитывая, что эффективные массы электронов проводимости и дырок отличаются от массы свободного электрона и что кулоновское взаимодействие электрона и дырки в кристалле ослаблено диэлектрической проницаемостью среды.

Энергии связи экситона Ванье — Мотта во много раз меньше, чем энергия связи электрона с протоном в атоме водорода, а радиусы экситона во много раз больше межатомных расстояний в кристалле. Большие значения радиуса экситон означают, что экситон в полупроводниковых кристаллах представляет собой макроскопическое образование, причём структура кристалла определяет лишь параметры массы и энергии экситона. Поэтому экситон Ванье — Мотта можно рассматривать как квазиатом, движущийся в вакууме. Искажения структуры кристалла, вносимые экситоном или даже большим числом экситонов, пренебрежимо мало.

Экситон Ванье—Мотта отчётливо проявляются в спектрах поглощения полупроводников в виде узких линий. Ээкситон проявляются также в спектрах люминесценции, в фотопроводимости, в эффекте Штарка и Зеемана. Время жизни экситона невелико: электрон и дырка, составляющие экситон, могут рекомбинировать с излучением фотона.

Экситон может распадаться при столкновении с дефектами решётки.

При взаимодействии экситона с фотонами возникают новые квазичастицы — смешанные экситон-фотонные состояния, называемые поляритонами. Свойства поляритонов (например, их закон дисперсии) существенно отличаются от свойств как экситонов, так и фотонов. Поляритоны играют существенную роль в процессах переноса энергии электронного возбуждения в кристалле, они обусловливают особенности оптических спектров полупроводников в области экситонных полос и др.

При малых концентрациях экситоны ведут себя в кристалле подобно газу квазичастиц. При больших концентрациях становится существенным их взаимодействие. Возможно образование связанного состояния двух экситонов — экситонной молекулы (биэкситона). Однако, в отличие от молекулы водорода, энергия диссоциации биэкситона значительно меньше, чем его энергия связи (эффективные массы электронов и дырок в полупроводниках одного порядка).

При повышении концентрации экситонов расстояние между ними может стать порядка их радиуса, что приводит к разрушению экситонов. Это может сопровождаться возникновением "капель" электронно-дырочной плазмы. Образование электронно-дырочных капель в таких полупроводниках, как Ge и Si, сказывается в появлении новой широкой линии люминесценции, сдвинутой в сторону уменьшения энергии фотона. Электронно-дырочные капли обладают рядом интересных свойств: высокой плотностью электронов и дырок при малой (средней по объёму) концентрации, большой подвижностью в неоднородных полях и т.п.

При малых концентрациях экситонов, состоящий из двух фермионов (электрона проводимости и дырки), можно рассматривать как бозон. Это означает, что возможна бозе-конденсация экситонов (накопление большого числа Э. на наинизшем энергетическом уровне). Бозе-конденсация экситонов может привести к существованию в кристалле незатухающих потоков энергии. Однако, в отличие от сверхтекучего жидкого гелия или сверхпроводника, сверхтекучий поток экситонов может существовать не сколь угодно долго, а лишь в течение времени жизни экситонов.

Примеры создания и область применения микро- и нанодатчиков

Эмиссионная электроника

Использование наночастиц для исследования биообъектов

Измерительная часть СКВИДа

Вернуться в оглавление: Физические явления