БСЭ. Экситон
Начало Вверх

ЭКСИТОН (от лат. excito - возбуждаю), квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрич. заряда и массы. Представление об Э. было 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 Э. В молекулярных кристаллах Э. представляет собой элементарное возбуждение электронной системы отдельной молекулы, к-рое благодаря межмолекулярным взаимодействиям распространяется по кристаллу в виде волны (экситон Френкеля). Э. Френкеля проявляются в спектрах поглощения и излучения молекулярных кристаллов (см. Спектроскопия кристаллов). Если в элементарной ячейке молекулярного кристалла содержится неск. молекул, то межмолекулярное взаимодействие приводит к расщеплению экситонных линий. Этот эффект, наз. давыдовским расщеплением, связан с возможностью перехода Э. 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 Э. представляет собой водородоподобное связанное состояние электрона проводимости и дырки (экситон Ванье - Мотта). Энергии связи Е* и эффективные радиусы а* Э. Ванье-Мотта можно оценить по формулам H. Бора для атома водорода, учитывая, что эффективные массы электронов проводимости тЭи дырок mд отличаются от массы свободного электрона та я что кулоновское взаимодействие электрона и дырки в кристалле ослаблено диэлектрической проницаемостью среды e:
2931-1.jpg

Здесь
2931-2.jpg

- Планка постоянная, е - заряд электрона. Формулы (1) не учитывают влияния сложной зонной структуры кристалла, взаимодействия электронов и дырок с фононами. Однако учёт этих факторов не меняет порядок величин Е* и а *. Для Ge, Si и полупроводников типов AIIIBV и AII BVI т * ~ 0,1 то, e ~ 10, что приводит к значениям Е* ~ 10-2эв, и а * ~ 10-6 см. T. о., энергии связи Э. Ванье - Мотта во много раз меньше, чем энергия связи электрона с протоном в атоме водорода, а радиусы Э. во много раз больше межатомных расстояний в кристалле. Большие значения а * означают, что Э. в полупроводниковых кристаллах - макроскопическое образование, причём структура кристалла определяет лишь параметры т * и Е*. Поэтому Э. Ванье - Мотта можно рассматривать как квазиатом, движущийся в вакууме. Искажения структуры кристалла, вносимые Э. или даже большим числом Э., пренебрежимо мало. В кристаллах галогенидов щелочных металлов и инертных газов Е* ~ 0,1-1 эв, а* ~ 10-7- 10-8см и образование Э. сопровождается деформацией элементарной ячейки.

Э. Ванье-Мотта отчётливо проявляются в спектрах поглощения полупроводников в виде узких линий, сдвинутых на величину Е* ниже края оптич. поглощения. Водородоподобный спектр Э. Ванье - Мотта впервые наблюдался в спектре поглощения СизО, в дальнейшем в др. полупроводниках. Э. проявляются также в спектрах люминесценции, в фотопроводимости, в Штарка эффекте и Зеемана эффекте. Время жизни Э. невелико: электрон и дырка, составляющие Э., могут рекомбинировать с излучением фотона, напр, в Ge время жизни Э. порядка 10-5 сек. Э. может распадаться при столкновении с дефектами решётки.

При взаимодействии Э. с фотонами, имеющими частоты w = Е*/h, возникают новые квазичастицы - смешанные экситон-фотонные состояния, наз. поляритонами. Свойства поляритонов (напр., их закон дисперсии) существенно отличаются от свойств как Э., так и фотонов. Поляритоны играют существ, роль в процессах переноса энергии электронного возбуждения в кристалле, они обусловливают особенности оптич. спектров полупроводников в области экситонных полос и др.

При малых концентрациях Э. ведут себя в кристалле подобно газу квазичастиц. При больших концентрациях становится существенным их взаимодействие. Возможно образование связанного состояния двух Э.- экситонной молекулы (б и э к с и т о н а). Однако, в отличие от молекулы водорода, энергия диссоциации биэкситона значительно меньше, чем его энергия связи (эффективные массы электронов и дырок в полупроводниках одного порядка).

Инфракрасная фотография электронно -дырочной капли в Ge: 1 - образец германия; 2 - электронно-дырочная капля.

При повышении концентрации Э. расстояние между ними может стать порядка их радиуса, что приводит к разрушению Э. Это может сопровождаться возникновением "капель" электронно-дырочной плазмы (см. Электронно-дырочная жидкость). 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 Э., состоящий из двух фермионов (электрона проводимости и дырки), можно рассматривать как бозон. Это означает, что возможна бозе-конденсация Э. (накопление большого числа Э. на наинизшем энергетич. уровне). Бозе-конденсация Э. может привести к существованию в кристалле незатухающих потоков энергии. Однако, в отличие от сверхтекучего жидкого гелия или сверхпроводника, сверхтекучий поток Э. может существовать не сколь угодно долго, а лишь в течение времени жизни Э.

Лит.: Гросс E. Ф., Экситон и его движение в кристаллической решетке, "Успехи физических наук", 1962, т. 76, в. 3; H о к с Р., Теория экситонов, пер. с англ., M., 1966; Агранович В. M., Теория экситонов, M., 1968; Давыдов А. С., Теория молекулярных экситонов, M., 1968; Экситоны в полупроводниках, [Сб. статей], M., 1971; О с и р ь я н Ю. А., Физика твердого тела выходит на передовые позиции, "Природа", 1975, № 10.

А. П. Силин.

Яндекс.Метрика

© (составление) libelli.ru 2003-2018