Экситон

(от лат. excito — возбуждаю)

квазичастица (См. Квазичастицы), представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы. Представление об Э. было введено в 1931 Я. И. Френкелем (См. Френкель). Он объяснял отсутствие фотопроводимости (См. Фотопроводимость) у диэлектриков при поглощении света тем, что поглощённая энергия расходуется не на создание носителей тока, а на образование Э. В молекулярных кристаллах (См. Молекулярные кристаллы)Э. представляет собой элементарное возбуждение электронной системы отдельной молекулы, которое благодаря межмолекулярным взаимодействиям (См. Межмолекулярное взаимодействие) 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 несколько молекул, то межмолекулярное взаимодействие приводит к расщеплению экситонных линий. Этот эффект, называемый 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 (См. Полупроводники) Э. представляет собой водородоподобное связанное состояние электрона проводимости и дырки (экситон Ванье—Мотта). Энергии связи E* и эффективные радиусы a* Э. Ванье—Мотта можно оценить по формулам Н. Бора для атома водорода, учитывая, что эффективные массы (См. Эффективная масса) электронов проводимости m_э и дырок m_д отличаются от массы свободного электрона moи что кулоновское взаимодействие электрона и дырки в кристалле ослаблено диэлектрической проницаемостью среды ε:

E*=(1)

а* = см.

Здесь ħ ― 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 E* и а*. Для Ge, Si и полупроводников типов A^IIIB^V и A^II B^VI m* Экситон 0,1 т_о,εЭкситон 10, что приводит к значениям E* Экситон 10^―2эв,и а* Экситон 10^―6см. Т. 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 m* и E*. 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 E* Экситон 0,1—1 эв,а* Экситон10^―7—10^―8 см и образование Э. сопровождается деформацией элементарной ячейки.

Э. Ванье—Мотта отчётливо проявляются в спектрах поглощения полупроводников в виде узких линий, сдвинутых на величину E* ниже края оптического поглощения. Водородоподобный спектр Э. Ванье — Мотта впервые наблюдался в спектре поглощения Cu₂O, в дальнейшем в др. полупроводниках. Э. проявляются также в спектрах люминесценции (См. Люминесценция), в фотопроводимости, в Штарка эффекте и Зеемана эффекте. Время жизни Э. невелико: электрон и дырка, составляющие Э., могут рекомбинировать с излучением фотона, например в Ge время жизни Э. порядка 10^―5 сек. Э. может распадаться при столкновении с дефектами решётки.

При взаимодействии Э. с фотонами, имеющими частоты ω = , возникают новые квазичастицы — смешанные экситон-фотонные состояния, называемые поляритонами. Свойства поляритонов (например, 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 оптических 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 (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 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 энергетическом уровне). Бозе-конденсация Э. может привести к существованию в кристалле незатухающих потоков энергии. Однако, в отличие от сверхтекучего жидкого гелия (См. Гелий) или сверхпроводника (См. Сверхпроводники),сверхтекучий поток Э. может существовать не сколь угодно долго, а лишь в течение времени жизни Э.

Лит.: Гросс Е. Ф., Экситон и его движение в кристаллической решетке, «Успехи физических наук», 1962, т. 76, в. 3; Нокс Р., Теория экситонов, пер. с англ., М., 1966; Агранович В. М., Теория экситонов, М., 1968; Давыдов А. С., Теория молекулярных экситонов, М., 1968; Экситоны в полупроводниках, [Сб. статей], М., 1971; Осипьян Ю. А., Физика твердого тела выходит на передовые позиции, «Природа», 1975, № 10.

А. П. Силин.

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

ЭКСИТОН (от лат. excito - возбуждаю) - квазичастица, соответствующая электронному возбуждению, мигрирующему по кристаллу, но не связанному с переносом заряда и массы. Экситон может быть представлен в виде связанного состояния электрона проводимости и дырки, расположенных или в одном узле кристаллической решетки (экситон Френкеля), или на расстояниях, значительно больших междуатомных (экситон Ванье - Мотта). Понятие экситона используется при объяснении оптических и других свойств полупроводников и диэлектриков.

exciton

ЭКСИТОН

(от лат. excito — возбуждаю), квазичастица, соответствующая электронному возбуждению в кристалле диэлектрика или ПП, мигрирующему по кристаллу, но не связанному с переносом электрич. заряда и массы. Представление об Э. введено в 1931 Я. И. Френкелем. В мол. кристаллах (где вз-ствие между отд. молекулами значительно слабее, чем вз-ствие между атомами и эл-нами внутри молекулы) Э.— возбуждение электронной системы отд. молекулы. Благодаря межмолекулярным взаимодействиям оно распространяется по кристаллу в виде волны (Э. Френкеля).

Э. Ванье — Мотта представляет собой водородоподобное связанное состояние эл-на проводимости и дырки в полупроводнике. Энергии связи?* и эфф. радиусы а* Э. Ванье — Мотта можно оценить по ф-лам Бора для атома водорода, учитывая, что эффективные массы эл-нов проводимости m*э и дырок m*д отличаются от массы свободного эл-на m0 и что кулоновское притяжение эл-на и дырки ослаблено диэлектрич. проницаемостью e:

m* =mэmд/(mэ+mд) — приведённая масса Э., е — заряд эл-на.

Учёт сложной зонной структуры и вз-ствия эл-нов и дырок с фононами меняет порядок величин?* и а*. Для Ge, Si и ПП типа АIIIВV и AIIBV обычно m* = 0,1m0, e=10; при этом? =10-2 эВ и а* =10-6 см. Т. о., энергия связи Э. Ванье — Мотта во много раз меньше, чем энергия связи эл-на с протоном в атоме водорода, а радиусы Э. во много раз больше межат. расстояний в кристалле.

Большие значения а* означают, что в ПП Э.— макроскопич. образование. Эффективная масса, соответствующая движению его (как целого): М=mэ+mд. Для щёлочно-галоидных кристаллов и кристаллов благородных газов?*=1 эВ, а*=10-7—10-8 см; такие Э. занимают промежуточное положение между Э. Френкеля и Э. Ванье — Мотта. Образование Э. сопровождается деформацией элем. ячейки. Время жизни т Э. невелико: эл-н и дырка рекомбинируют с излучением фотона, обычно за время t=10-5—10-7 с. Кроме того, Э. может погибнуть безызлучательно, напр. при захвате дефектами решётки.

При малых концентрациях Э. ведут себя в кристалле подобно газу. При больших концентрациях становится существенным их вз-ствие и возможно образование связанного состояния двух Э.— экситонной молекулы (биэкситона). При достижении нек-рой критич. концентрации (зависящей от темп-ры) в ПП происходит «сжижение» экситонного газа — образование относительно плотной электронно-дырочной фазы (электронно-дырочных капель), обладающей металлич. св-вами. При этом расстояние между ч-цами порядка радиуса Э. Электронно-дырочные капли обладают высокой плотностью (при малой средней по объёму концентрации Э.), большой подвижностью в неоднородных полях.

Э. состоит из двух фермионов, поэтому его можно рассматривать как бозон. Это означает, что в принципе возможна бозе-конденсация Э. (либо биэкситонов), приводящая к существованию в кристалле потоков энергии, не затухающих в течение времени жизни Э. Однако это явление пока не наблюдалось.

эксито́н

(от лат. excito — возбуждаю), квазичастица, соответствующая электронному возбуждению, мигрирующему по кристаллу, но не связанному с переносом заряда и массы. Экситон может быть представлен в виде связанного состояния электрона проводимости и дырки, расположенных или в одном узле кристаллической решётки (экситон Френкеля), или на расстояниях, значительно больших межатомных (экситон Ванье—Мотта). Понятие экситона используется при объяснении оптических и других свойств полупроводников и диэлектриков.

* * *

ЭКСИТО́Н (от лат. excito — возбуждаю), квазичастица(см. КВАЗИЧАСТИЦЫ), соответствующая электронному возбуждению, мигрирующему по кристаллу, но не связанному с переносом электрического заряда и массы.

Свойства экситона в 1931 предсказал Я. И. Френкель(см. ФРЕНКЕЛЬ Яков Ильич). Он предположил и подтвердил теоретическими расчетами, что в некоторых случаях при поглощении света или тепла кристаллической решеткой происходит возбуждение электрона, но не настолько сильное, чтобы он мог полностью оторвался от иона и перейти в зону проводимости; электрон возбуждается до уровня с несколько меньшей энергией, чем ширина запрещенной зоны(см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА). Это возбужденное состояние, названное экситоном, может перемещаться по кристаллу. Отсутствие фотопроводимости(см. ФОТОПРОВОДИМОСТЬ) у диэлектриков при поглощении света Я. И. Френкель объяснял тем, что поглощенная энергия расходуется не на создание носителей тока, а на образование экситонов.

Возбуждение электрона сопровождается образованием положительной дырки(см. ДЫРКА) в валентной зоне(см. ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА). Оба возбужденных носителя — электрон и дырка — оказываются связанными на одном из атомов кристалла. Атом может сохранять избыточную энергию какое-то время. Более того, атомы, образующие решетку кристалла, могут по цепочке передавать эту энергию друг другу: через некоторое время возбуждение на одном ионе исчезает за счет рекомбинации носителей, но возникает на другом ионе. Именно таким образом возбуждение (а не сами ионы) перемещается по кристаллу.

Экситоны можно трактовать и как ассоциат, состоящий из связанных возбужденных электрона и дырки. Если они находятся на одном ионе, то их именуют экситоном Френкеля.

При взаимодействии экситона с фотонами возникают новые квазичастицы — смешанные экситон-фотонные состояния, называемые поляритонами. Свойства поляритонов 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.

Поскольку экситон представляет пару противоположных зарядов, то его движение не создает тока и не влияет на электропроводность кристалла.

Экситоны проявляются в оптических спектрах поглощения кристаллов в виде ряда узких линий, вызванных тем, что энергетический уровень электрона в экситоне меньше ширины запрещенной зоны и для его выброса в зону проводимости требуется дополнительная энергия. Если в элементарной ячейке молекулярного кристалла содержится несколько молекул, то межмолекулярное взаимодействие приводит к расщеплению экситонных линий.

При малых концентрациях экситоны ведут себя в кристалле подобно газу квазичастиц. При больших концентрациях они могут взаимодействовать. 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 соизмеримым с их радиусом, что приведет к разрушению экситонов.

— состояние возбуждения атомов, которое может перемещаться в кристалле подобно элементарной частице. Предполагается, что в глубинных зонах Земли значительная доля теплоты переносится экситонами.

Термин

экситон

ЭКСИТОН — элементарное электрически нейтральное возбуждение в полупроводниках и диэлектриках, квазичастица (см.), образованная парой электрон — дырка.