Физическая энциклопедия

ЭКСИТОН

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1983.

ЭКСИТОН

(от лат. excito - возбуждать)-мигрирующее в кристалле электронное возбуждение, не связанное с переносом электрич. заряда и массы. Представление об Э. введено в 1931 Я. И. Френкелем для объяснения отсутствия фотопроводимости нек-рых кристаллов: при поглощении света поглощённая энергия расходуется не на создание носителей заряда, а на образование Э. (см.Френкеля экситон).Френкель теоретически обосновал возможность перехода одного из атомов (или молекул) кристалла в возбуждённое состояние и последовательную передачу этого возбуждения от одного атома к другому, т. е. перенос квантового возбуждения на макроскопич. расстояния.

В 1937-38 Дж. Ванье (G. Wannier) и H. Мотт (N. Mott) ввели представление об Э. как о перемещающихся по кристаллу связанных состояниях электрона и дырки, к-рые могут находиться на разл. узлах кристаллич. решётки (Э. большого радиуса), экситон Френкеля можно представить как предельный случай, когда связанные электрон и дырка сидят на одном и том же узле (Э. малого радиуса).Ванье-Momma экситончаще всего наблюдается в полупроводниках и диэлектриках. Вмолекулярных кристаллах,в к-рых силы взаимодействия между отд. молекулами значительно меньше взаимодействия между атомами и электронами внутри молекулы, Э. представляет собой элементарное возбуждение электронной системы отд. молекулы, к-рое распространяется по кристаллу в виде волны.Молекулярные экситоныопределяют спектр поглощения и излучения молекулярных кристаллов.

Экситон Ванье - Мотта представляет собой водородо-подобное связанное состояние электрона и дырки. Энергии связи и эфф. радиусыаэкситона Ванье - Мотта можно оценить по ф-лам Бора для атома водорода. Учитывая, что эфф. массы электронат_эи дыркит_дотличаются от массы свободного электронат₀и что кулоновское взаимодействие электрона и дырки в кристалле ослаблено в e²раз наличиемдиэлектрической проницаемостисреды e, эти ф-лы можно представить в виде
Здесье-заряд электрона. -эфф. масса Э.

Ф-лы (1) следует рассматривать как оценочные, т. к. они не учитывают таких факторов, как, напр., влияние сложной зонной структуры кристалла (см.Зонная теория),взаимодействие электронов и дырок с фононами и до. Для полупроводников типа Ge и Si и групп (см.Полупроводниковые материалы)типичны значения , что приводит к значениям эВ,а~10^-6см. Т. а означают, что экситон Ванье - Мотта по существу есть макроскопич. образование в кристалле и структура кристалла лишь определяет параметры e ит.

Поэтому экситон Ванье - Мотта можно рассматривать как квазиатом, движущийся в вакууме (см.Квазияастица).Искажение структуры кристалла присутствием Э. или даже большого числа Э. пренебрежимо мало.

Э. отчётливо проявляются в спектрах оптич. поглощения полупроводников в виде узких линий, сдвинутых на величину от края сплошного поглощения в сторону меньших энергий фотона (экситонный резонанс). Экспериментально водородоподобная структура энерге-тич. спектра экситона Ванье - Мотта (исключая уровеньn=1), впервые наблюдавшаяся Е. 2O (рис. 1), получена в дальнейшем для целого ряда

Рис. 1. Спектр поглощения кристаллической закиси меди; пики соответствуют энергетическим уровням экситонов, возникающих при поглощении фотонов резонансной энергии. полупроводников. Э. проявляют себя также в спектрахлюминесценции(рис. 2).

Рис. 2. Спектр люминесценции оксида меди; экситоны рекомбинируют из основного состояния; энергия рекомбинации равна сумме энергии основного состояния и кинетической энергии экситонов.

Ширина спектра уменьшается при понижении температуры.

Э. имеют конечное время жизни: электрон и дырка, составляющие Э., могут рекомбинировать с излучением фотона, Э. также может рекомбинировать безызлучатель-HO при столкновении сдефектамикристаллич. решётки. На рис. 3 показан спектр экситонного излучения кристалла Ge при темп-ре 4,2 К, соответствующий распаду Э. с испусканием продольных и поперечных оптических (LO, ТО) иакустических (LA, ТА)фононов (см.Колебания кристаллической решётки).

Рис. 3. Спектр люминесценции кристалла Ge при 4,2 К; Э-эк-ситонные линии, Эд-линии электронно-дырочной жидкости
Форма полос люминесценции определяется тепловым движением Э. и отражает распределение их по энергиям, к-рое хорошо соответствует распределению частиц по энергиям в идеальномферми-газе(см.Ферми-Дирака распределение).На этом основании совокупность Э. можно рассматривать как идеальный газ, пока их концентрация невелика, и можно пренебречь их взаимодействием. Э. диффундируют в кристалле, но коэф. диффузииDдля экситонного газа много больше, чем для атомарного газа. В оксиде меди при 1,2 КD=10³см²с (для водорода в воздухе 0,2 см²с). "Сжижение" экситонного газа. При больших концентрациях Э. и понижении темп-ры становится существенным их взаимодействие и возникает ряд новых явлений. При достижении нек-рой концентрации Э. (зависящей от темп-рыT)взаимодействие электронов и дырок приводит к "сжижению" экситонного газа и образованию относительно плотной электронно-дырочной фазы -электронно-дырочной жидкости.

Для электронно-дырочной жидкости характерно наличие определ. равновесной плотности и устойчивой резкой границы, отделяющей её от газовой фазы Э. с плотностью В отличие от обычной электронно-дырочной плазмы (см.Плазма твёрдых тел)или экситонного газа, электронно-дырочная жидкость не расплывается по всему образцу, а занимает лишь ограниченный объём.

Существование электронно-дырочной жидкости было предсказано в 1968 Л. В. Келдышем, её эксперим. исследование началось в СССР в 1969. Переход газ - жидкость является фазовым переходом первого рода и характеризуется наличием критич. концентрации носителей, как свободных, так и связанных в Э., и критич. темп-рыT_к.В условиях, когда возбуждённых носителей заряда в полупроводнике не хватает для заполнения всего образца жидкостью, электронно-дырочная жидкость существует в виде капель, форма к-рых благодаря поверхностному натяжению близка к сферической. Электронно-дырочная жидкость может течь по кристаллу, её капли легко ускоряются внеш. воздействиями. При приложении давления удаётся доводить размер капель электронно-дырочной жидкости до 0,1 - 1 мм и достичь рекордных времён жизни капель (~ 1 мс в Ge, ~ 1 мкс в Si).

Экситонные комплексы. При больших концентрацияхnЭ. (na³~ 1), когда становится существенным их взаимодействие, кроме образования электронно-дырочной жидкости в полупроводниках могут образовываться свободные многочастичные комплексы, более сложные, чем Э.,- нейтральные экситонные молекулы (биэкситоны)и экситонные ионы (связанное состояние Э. и дырки или электрона). Однако энергия диссоциации биэкситона (наиб. стабильного из этих комплексов) существенно меньше, чем энергия связи Э., в отличие от молекулы водорода, у к-рой энергия диссоциации порядка энергии связи атома водорода. Это обусловлено тем, что эфф. массы электронов и дырок в полупроводниках одного порядка. Существование биэкситонов обнаруживается по возникновению новой линии люминесценции, сдвинутой в сторону меньших энергий, чем у Э., на величину, равную энергии связи биэкситонов. Широкий максимум при самых низких темп-pax свидетельствует об образовании электронно-дырочной жидкости (рис. 4).

При низких темп-pax Э. в полупроводниках легко связываются с атомом примеси, образуя связанные комплексы, к-рые также проявляются в спектре люминесценции. Вмногодолинных полупроводниках,к-рые характеризуются наличием неск. экстремумов в зоне проводимости и в валентной зоне, образуются многочастичные экситонно-примесные комплексы-связанное состояние неск. Э. на одном примесном атоме. В непрямозонных полупроводниках (Ge, Si) возможно связывание на одном примесном центре до 4 Э. Причиной устойчивости многочастичных экситонно-примесных комплексов в непрямозонных полупроводниках (Ge, Si) является высокая степень вырождения зон.

Многочастичные экситонно-примесные комплексы могут служить центрами конденсации электронно-дырочной жидкости. Система неравновесных электронов и дырок в полупроводнике при низких темп-pax и достаточно малых концентрациях является диэлектрической благодаря образованию Э. и биэкситонов. С ростом плотности носителей заряда из-за экранирования кулоновского взаимодействия экситонный газ должен металлизоваться. При этомпереход металл-диэлектрикпроисходит в том же диапазоне концентраций, что и переход экситонный газ - электронно-дырочная жидкость (па³~1).

При учёте взаимодействия Э. с фотонами в области частот фотонов нельзя рассматривать раздельно Э. и фотоны - в этой области возникают новые квазичастицы в виде смешанных экситон-фотонных состояний - эк-ситонные поляритоны. Их свойства, напр. закон дисперсии, существенно отличаются от свойств как Э., так и фотонов. Возникновение поляритонов существенно при анализе оптич. спектров в области экситонных полос и др. (см.Поляритон).

Экситоны в двумерных и одномерных системах.В полупроводниковыхгетероструктурахналичие дополнит. разности потенциалов, вызванной разностью работ выхода в полупроводниках, составляющих гетероструктуру, приводит к тому, что движение носителей в них становится анизотропным, практически двумерным. В 3-м направлении, перпендикулярном слоям, создаётся потенц. барьер. Э. в таких полупроводниковых гетероструктурах (квантовых ямах) исверхрешёткаххарактеризуются существенно большими энергиями связи и меньшими бо-ровскими радиусамиа_2d,чем у массивных полупроводников:

Это позволяет наблюдать линии излучения и поглощения света свободными Э. в квантовых ямах, напр.: при комнатной темп-ре.

Пространственное ограничение волновых ф-ций носителей заряда размерами слоя (квантовой ямы GaAs) для толщин слоев играет гл. роль в процессах излучения и поглощения. Др. фактором, влияющим на спектры излучения и поглощения в гетероструктурах, является наличие резких границ раздела. Ширина линий излучения Э. коррелирует с совершенством поверхностей раздела - чем совершеннее поверхность раздела, тем уже линия.

Пространственное ограничение волновых ф-ций носителей оказывает влияние на электрооптич. явления в квантовых ямах и сверхрешётках.Шторка эффектздесь существенно отличается от эффекта Штарка в атомах и массивных полупроводниках. Экситонный резонанс для электрич. полей, перпендикулярных слоям гетероструктур, наблюдается, даже если штарковский сдвиг существенно больше, чем энергия связи Э. в отсутствие электрич. поля. Так, для гетероструктур экситонный резонанс наблюдается в электрич. полях В/см. Наличие экситонного резонанса в столь высоких электрич. полях объясняется тем. что при диссоциации Э. электрич. полем стенки квантовых ям препятствуют уходу носителей из квантовых ям. Малая ширина квантовых ям по сравнению с радиусом Э. в массивном полупроводнике приводит к тому, что электронно-дырочное взаимодействие, хотя и ослабляется сильным электрич. полем (электрон и дырка локализованы вблизи противоположных стенок ямы), однако остаётся достаточно сильным.

Наличие большого (~10 мэВ) штарковского сдвига Э. в сверхрешётках в электрич полях~10⁵В/см при комнатной темп-ре может использоваться в быстродействующих оптич. модуляторах.

В тонких плёнках полупроводников иполуметалловку-лоновское взаимодействие между зарядами возрастает с уменьшением толщины плёнкиd.Это связано с тем, что заметную роль начинает играть поле, создаваемое этими зарядами в окружающей плёнку среде. Если диэлектрич. проницаемость этой среды много меньше диэлектрич. проницаемости плёнки e, то взаимодействие оказывается значительно большим, чем в однородной среде с этой же диэлектрич. проницаемостью. При этом энергия связи Э. возрастает, а его радиус падает при уменьшении толщины плёнки.

Если полупроводниковая или полуметаллич. плёнка окружена слоями диэлектрика с диэлектрич. проницаемо-стями то при условии
кулоновское взаимодействие электрона и дырки, расположенных внутри плёнки в точках (r- радиус-вектор в плоскости плёнки), не зависит отzиz'. Потенциал этого взаимодействия имеет вид

Здесь -ф-ции Струве и Неймана (см.Специальные функции).Для плёнок, удовлетворяющих условиям эфф. радиусы основного и первых возбуждённых состояний Э. попадают в область расстояний, где потенциал кулоновского взаимодействия
Здесь С = 0,577, а энергия связи и эфф. радиуса_плЭ. в плёнке равны где

Ещё большее возрастание кулоновского взаимодействия между электронами и дырками происходит в тонких полупроводниковых и полуметаллич. нитях с диэлектрич. проницаемостью e при уменьшении их радиуса р, если они окружены диэлектриком с др. диэлектрич. проницаемостью Для нитей, удовлетворяющих условиям

эфф. радиусы основного и первых возбуждённых состояний Э. попадают в область расстояний, где кулоновское взаимодействие электрона и дырки, расположенных на оси нити в точках z= 0иz(ось z.совпадает с осью нити), определяется соотношением

При этом энергия связи и эфф. радиуса_нодномерного Э. в нити равны

Для любых двумерных или одномерных систем, состоящих изNэлектронно-дырочных пар, взаимодействие между к-рыми имеет вид (5) или (8), энергия основного состояния порядка Поэтому отличие между Э., биэкситонами и электронно-дырочной жидкостью в таких системах мало по сравнению с их энергией.

Отсутствие тяжёлых частиц (типа ионов в твёрдом теле) и связанной с ними кристаллизации, возможность в широких пределах менять все осн. параметры, сравнительно лёгкая достижимость экстремальных плотностейhи темп-р и сверхсильных магн. полей

а также возможность непосредственно по спектрам люминесценции получать энергетич. спектр Э. делают систему Э. полезной моделью для экспе-рим. и теоретич. исследования электронной квантовой жидкости. Э. состоит из двухфермиопов,поэтому при малых концентрациях,его можно рассматривать какбозон.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.

Лит.:Гросс E., Экситон и его движение в кристаллической решётке, "УФН", 1962, т. 76, с. 433; Но KC Р., Теория экситонов, пер. с англ., M., 1966; Агранович В. M., Теория экситонов, M., 1968; Давыдов А. С., Теория молекулярных экситонов, M., 1968; Келдыш Л. В., Электронно-дырочные капли в полупроводниках, "УФН", 1970, т. 100, с. 514; его же, Кулоновское взаимодействие в тонких пленках полупроводников и полуметаллов, "Письма в ЖЭТФ", 1979, т. 29, с. 716; Электронно-дырочная жидкость в полупроводниках, пер. с англ., M., 1980; Бабиченко В. С., Келдыш Л. В.. Силин А. П., Кулоновское взаимодействие в тонких полупроводниковых и полуметаллических нитях, "ФТТ", 1980, т. 22, с. 1238; Кулаковский В. Д., Пикус Г. E.. Тимофеев В. Б., Многоэкситонные комплексы в полупроводниках, "УФН", 1981, т. 135, с. 237; Силин А. П., Полупроводниковые сверхрешетки, "УФН", 1985, т. 147, с. 485; Электронно-дырочные капли в полупроводниках, под ред. К. Д. Джеффриса, Л. В. Келдыша, M., 1988.А. П. Силин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.

1. экситон—от лат. excito возбуждаю квазичастица См. Квазичастицы представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике мигрирующее по кристаллу и не связан...Большая Советская энциклопедия II
2. экситон—от лат. excito возбуждаю квазичастица соответствующаяэлектронному возбуждению мигрирующему по кристаллу но не связанному спереносом заряда и массы. Экситон может быть п...Большой энциклопедический словарь II
3. экситон—ЭКСИТОН от лат. excito возбуждаю квазичастица соответствующая электронному возбуждению мигрирующему по кристаллу но не связанному с переносом заряда и массы. Экситон мо...Большой Энциклопедический словарь V
4. экситон—состояние возбуждения атомов которое может перемещаться в кристалле подобно элементарной частице. Предполагается что в глубинных зонах Земли значительная доля теплоты пер...Геологическая энциклопедия
5. экситон—от лат. excito возбуждаю квазичастица соответствующая электронному возбуждению мигрирующему по кристаллу но не связанному с переносом заряда и массы. Э. может быть предс...Естествознание. Энциклопедический словарь
6. экситон—корень ЭКСИТ суффикс ОН нулевое окончаниеОснова слова ЭКСИТОНВычисленный способ образования слова Суффиксальный ЭКСИТ ОН Слово Экситон содержит следующие морфемы или...Морфемный разбор слова по составу
7. экситон—Начальная форма Экситон винительный падеж единственное число мужской род неодушевленное...Морфологический разбор существительных
8. экситон—экситон экситон а...Орфографический словарь
9. экситон—u мu мн.u экситоны Р.u экситонов квазичастица...Орфографический словарь русского языка
10. экситон—nucl...Политехнический русско-французский словарь
11. экситон—Орфографическая запись слова экситон Ударение в слове экситон Деление слова на слоги перенос слова экситон Фонетическая транскрипция слова экситон [кстон] Характеристика...Полный фонетический разбор слов
12. экситон—экситон аСинонимы квазичастица...Русский орфографический словарь
13. экситон—exciton экситон м.u физ.uexciton квазичастица...Русско-английский политехнический словарь
14. экситон—м. автолокализованный экситон биологический экситон горячий экситон двумерный экситон диамагнитный экситон квазидвумерный экситон колебательный экситон локализованный экс...Русско-английский словарь по физике
15. экситон—exciton...Русско-английский словарь по электронике
16. экситон—exciton квазичастица...Русско-английский технический словарь
17. экситон—exciton...Русско-английский химический словарь
18. экситон—экстоuн на экситон свободный...Русско-белорусский словарь математических, физических и технических терминов
19. экситон—экстон на...Русско-белорусский физико-математический словарь
20. экситон—м. физ. eccitone m...Русско-итальянский политехнический словарь
21. экситон—[] Синонимы квазичастица...Русско-китайский словарь
22. экситон—Exziton...Русско-немецкий политехнический словарь
23. экситон—Exiton...Русско-немецкий словарь по химии и химической технологии
24. экситон—Exiton...Русско-немецкий химический словарь
25. экситон—физ. екситон ну Синонимы квазичастица...Русско-украинский политехнический словарь
26. экситон—exciton...Русско-чешский словарь
27. экситон—экситонСинонимы квазичастица...Русское словесное ударение
28. экситон—экситон лат.em exitare возбуждать электрон физ. нейтральная квазичастица в полупроводниках представляющая собой энергетически связанное состояние электрона и не занятого...Словарь иностранных слов русского языка
29. экситон—экситон сущ. колво синонимов квазичастица Словарь синонимов ASIS.В.Н. Тришин. . Синонимы квазичастица...Словарь синонимов II
30. экситон—ЭКСИТОН от лат . excito возбуждаю квазичастица соответствующая электронному возбуждению мигрирующему по кристаллу но не связанному с переносом заряда и массы. Экситон мо...Современный энциклопедический словарь
31. экситон—экситон [лат. exitare возбуждать электрон] физ. нейтральная квазичастица в полупроводниках представляющая собой энергетически связанное состояние электрона и не занятог...Толковый словарь иностранных слов
32. экситон—Ударение в слове экситонУдарение падает на букву оБезударные гласные в слове экситон...Ударение и правописание
33. экситон—Сэнто Стон Сток Стоик Стик Сотник Сон Сок Скот Скит Скин Сито Сион Синто Син Остин Ост Оникс Нто Нотис Носик Нос Нок Нит Никс Кэт Кси Кот Кос Кон Тик Тис Тнк Кито Кит Кио...Электронный словарь анаграмм русского языка
34. экситон—Термин экситонdd Термин на английском excitondd Синонимы dd Аббревиатуры dd Связанные термины dd Определение от лат. excito возбуждаю Квазичастица соответствующая электр...Энциклопедический словарь нанотехнологий

• ЭКСИТОННЫЙ ДИЭЛЕКТРИК
• ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ ПРИНЦИП