Понятия экситона, поляритона, плазмона

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.

Согласно теории строения твердого тела, если валентные электроны атома 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 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, за которые электрон может зацепиться и остаться в запрещенной зоне, взаимодействуя с дыркой посредством электростатических сил. Такое связанное состояние "электрон-дырка" называется экситоном. 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. 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. 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.

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.

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 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 экситонов 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.

Плазмон — квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа.

Магический блеск металлов обусловлен отражением света от поверхностных плазмонов — квазичастиц, возникающих за счёт квантования коллективных колебаний свободных электронов в металле. Наночастицы золота (резонаторы) имеют частоту плазмонного резонанса, сравнимую с пиком оптической плотности многих металлопротеинов. Происходит взаимодействие колебаний пдазмонов и колебательных процессов в белках, что обуславливает интенсивное поглощение квантов света определенной частоты, определяемой резонансными размерами металлаллических частиц, контактирующих с макромолекулами белков.

Плазмоны играет большую роль в оптических свойствах металлов. Свет с частотой ниже плазменной частоты отражается, потому что электроны в металле экранируют электрическое поле в световой электромагнитной волне. Свет с частотой выше плазменной частоты проходит, потому что электроны не могут достаточно быстро ответить, чтобы экранировать его. В большинстве металлов плазменная частота находится в ультрафиолетовой области спектра, делая их блестящими в видимом диапазоне (свет отражается). В легированных полупроводниках плазменная частота находится обычно в ультрафиолетовой области.

Энергию плазмона можно оценить в модели почти свободных электронов как:

, (1.16)

где n - плотность валентных электронов, e — элементарный заряд, m — масса электрона и — диэлектрическая проницаемость вакуума.

Длина волны полазмона, которую можно оценить, используя следуюшие соотношения:

, , . (1.17)

Из приведенных соотношений следует, что длина волны может составлять несколько нанометров. Поэтому плазмоны рассматриваются как средство передачи информации в компьютерных чипах, так как провода для плазмонов могут быть намного тоньше, чем обычные провода, и могут поддерживать намного более высокие частоты (в режиме 100 TГц, в то время как обычные провода обладают большими потерями уже при 10 ГГц).

Поверхностные плазмоны сильно взаимодействуют со светом, приводя к образованию поляритонов. Они играют роль в поверхностном усилении рамановского рассеяния света (плазмонный резонанс) и в объяснении аномалий в дифракции металлов. В частицах металла, выполняющих роль резонаторов, происходит накопление плазмонов. Это позволяет создавать на их основе чувствительные элементы для получения первичной измерительной информации. Поверхностный плазмонный резонанс используется в биохимии, чтобы определять присутствие молекул на поверхности.

Поляритоны были также предложены как средство для литографии и микроскопии высокого разрешения из-за их чрезвычайно маленьких длин волны. Оба из этих применений с успехом были продемонстрированы в лабораториях.

Ядерный магнитный резонанс

Теоретические основы построения и функционирования искусственных нейроноподобных устройств

Физические основы твердотельной наноэлектроники

Понятия экспертной системы и искусственной нейросети

Вернуться в оглавление: Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении