Экситонное поглощение

В некоторых полупроводниках при поглощении фотонов образуются особые возбуждённые состояния электронов валентной зоны, называемые экситонами. Экситон – это система из взаимосвязанных собственными электростатическими полями электрона и оставленной им дырки. Он напоминает атом водорода, в котором роль ядра играет положительная дырка.

В полупроводнике с прямыми переходами экситону соответствует пик поглощения на краю фундаментального края полосы поглощения (рис. 4).

Энергетические уровни возбуждённого электрона, входящего в состав экситона и находящегося в центральном электростатическом поле дырки, лежат несколько ниже края зоны проводимости (рис. 7), благодаря энергии связи экситона, в котором электрон и дырка связаны слабым электростатическим взаимодействием.

Рис. 7. Экситонное поглощение в полупроводнике

Таким образом, энергия образования экситона меньше ширины запрещённой зоны, поскольку Δ Е_еx представляет собой минимальную энергию, требуемую для создания разделённой электрон - дырочной пары. В полупроводниках из-за относительно большой диэлектрической проницаемости кулоновское притяжение мало, поэтому энергия связи в экситоне составляет всего лишь около 4 мэВ, а экситонные орбиты охватывают несколько электронных ячеек кристалла (радиус орбиты до 15 нм).

Образование устойчивой системы электрона и дырки возможно лишь при достаточно низких температурах. В тех случаях, когда энергия связи экситона становится соизмеримой с энергией тепловых колебаний решетки, экситон разрушается и соответствующие линии в спектре поглощения исчезают. Напомним, что энергия тепловых колебаний составляет при 300 K 25.8 мэВ, при 77 K (температура жидкого азота) – 6.6 мэВ. Энергии связи экситона в некоторых кристаллах составляют: германий – 12 мэВ, кремний – 28 мэВ.

Экситон при столкновениях с примесными центрами может либо "разорваться" и образовать два носителя заряда, либо рекомбинировать и перевести атом в невозбуждённое состояние. Первое требует сообщения экситону тепловой энергии, необходимой для перевода электрона с экситонного уровня в зону проводимости; второе сопровождается либо излучением кванта энергии, либо чаще всего отдачей энергии экситона решётке полупроводника в виде теплоты.

2. Поглощение света наноразмерными полупроводниками

При переходе вещества от макроразмеров к размерам всего на один - два порядка больше молекулярных, резко меняются его свойства: увеличивается поверхностная энергия, изменяются поверхностное натяжение, температуры плавления и структурных переходов, электронные и оптические характеристики, может измениться и сама структура, т.е. весь спектр физико-химических свойств.

Полупроводниковые нанокристаллы, или квантовые точки, – яркий пример подобных объектов. В них наблюдается размерный эффект, выражающийся в зависимости электронных и оптических свойств, а именно, ширины запрещенной зоны и формы энергетического спектра, от линейных размеров наночастиц. Квантовые точки из-за своих уникальных свойств имеют большое значение как для науки, так и в практическом смысле.

Например, уже сейчас их применяют как эффективные метки в биохимии, есть работы по созданию электролюминесцентных дисплеев и лазеров на основе квантовых точек, также их используют как источники одиночных фотонов и элементы квантовой логики. Основная причина лавинообразного нарастания количества работ в этой области – появление уникальных методов химического синтеза наночастиц с чрезвычайно узким распределением по размерам, например, синтез в обращенных мицеллах, коллоидных нанореакторах, в полимерных матрицах и т.д.