Авиационно инженерство Административно право Административно право Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог” Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидросистеми и хидравлични машини Културология Медицина Психология икономика дескриптивна геометрия Основи на икономически т Oria професионална безопасност Пожарна тактика процеси и структури на мисълта, Професионална психология Психология Психология на управлението на съвременната фундаментални и приложни изследвания в апаратура социалната психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерна производствена Физика Физични феномени Философски хладилни инсталации и екология Икономика История на икономиката Основи на икономиката Икономика на предприятията Икономическа история Икономическа теория Икономически анализ Развитие на икономиката на ЕС Спешни ситуации ВКонтакте Однокласници Моят свят Facebook LiveJournal Instagram
border=0

Обяснение на понятията за екситон и поляритон

<== предишна статия | следващата статия ==>

Exciton (от латински. Excito - excite) е квазичастица, която е електронно възбуждане в диелектрик или полупроводник, мигриращо над кристал и не свързано с прехвърлянето на електрически заряд и маса.

За да обясните естеството на екситона, разгледайте въпроса как се правят твърдите вещества. Във физиката структурата на твърдото тяло обикновено се представя от гледна точка на теорията на лентите, според която нейната електронна структура може да бъде разделена на валентни и проводими ленти - някои енергийни интервали, на които съответстват определени електронни състояния (фиг. 1). Позволените енергийни ленти се разделят чрез забранено - набор от енергийни състояния на електрони, които не се реализират в тази система. Известно е, че валентната лента на всички проводници (метали) е напълно запълнена, а свободните електрони дори в невъзбуденото състояние са в проводимата зона, което обяснява високата електрическа проводимост на такива материали. В случая на не-проводници, които са в невъзбудено стабилно състояние, всички електрони са строго локализирани около определени ядра, следователно проводимата група остава празна. Обаче, ако валентните електрони получат излишък от енергия (например, когато веществото е облъчено със светлина), те могат да "прескачат" забранената зона и да се окажат в проводимото пространство, да станат свободни, но да оставят зад себе си празно място - дупка - с положителен елементарен заряд. В зависимост от размера на ширината на ивицата E g, твърдите вещества се разделят на полупроводници и диелектрици. Често има ситуация, в която електронът поглъща квантова светлина, но енергията му не е достатъчна, за да отиде в зоната на проводимост. Ако веществото има малко количество примесни атоми, те осигуряват допълнителни енергийни нива в забранената зона (фиг. 1), за които електрон може да улови и остане в забранената зона, взаимодействайки с отвора чрез електростатични сили. Такова свързано състояние на електрон-дупка се нарича екситон. Този електрон е като изгубен турист, който, въпреки че е загубил групата си под влиянието на тълпата, си го спомня и има способността да го намери. Освен това, електронът има способността да излъчва квантова светлина и да се върне в първоначалното си положение във валентната зона (екситонен преход). В този случай съседният атом може да абсорбира освободения квант на енергията, в резултат на което ще се появи нова екситонна двойка, която след това ще изчезне и електронното възбуждане ще бъде прехвърлено по-далеч от атома към атома, мигрирайки през кристала. Но той има още една възможност - отнема известно време и се оказва, че водачът вече е откарал групата от площада, а загубеният турист е оставен сам - сега няма нищо друго, освен да види собствените си забележителности. По подобен начин един електрон може допълнително да абсорбира енергията и, въпреки това, да стане свободен чрез прескачане към зоната на проводимост и осигуряване на принос към плътността на свободните носители на заряд на даден материал.

Така, един екситон в твърдото тяло може да се разглежда като елементарна квазичастица в тези случаи, когато действа като цяло, без да бъде подложено на ефектите, способни да го унищожат. Енергията на свързване на дупка и електрон определя радиуса на екситон, който е характерната стойност за всяко вещество. Както показва практиката, в полупроводниците енергията на свързване на екситона е ниска (не надвишава 10 meV), а полупроводниците тип A IV B VI имат най-голям екситонов радиус. Например, за оловен сулфид и селенид, тази стойност е 2 и 4.6 nm, съответно, докато за сравнение, за кадмиевия сулфид, тя не надвишава 0.6 nm.

С образуването и унищожаването на екситоните те свързват характеристиките на оптичните спектри на наноструктурите, при които се наблюдават остри линейни компоненти, които не са характерни за макроскопичните тела, до стайна температура. Установено е, че величината на енергията на свързване на екситона зависи от размера на наночастицата, ако размерът на частиците е сравним с или по-малък от радиуса на екситона. Следователно, чрез получаване на монодисперсни колоидни разтвори на наночастици с различни размери, може да се контролира енергията на прехода на екситона в широк диапазон на оптичния спектър.

Концепцията за екситон е въведена за първи път през 1931 г. от Я. И. Френкел. Той обясни отсъствието на фотопроводимост в диелектриците, когато светлината се абсорбира от факта, че абсорбираната енергия се изразходва не за създаване на носители на ток, а за образуване на екситон. В молекулярните кристали един екситон е елементарно възбуждане на електронната система на една молекула, която поради междумолекулните взаимодействия се разпространява през кристала под формата на вълна (Frenkel exciton).

Френкелови екситони се проявяват в абсорбционните и емисионните спектри на молекулните кристали. Ако в единичната клетка на молекулярния кристал се съдържат няколко молекули, междумолекулното взаимодействие води до разделяне на екситонните линии. Този ефект, наречен разделяне на Давидов, е свързан с възможността за преход на ефцион на Френкел от една група молекули в друга в единичната клетка. Разделянето на Давидов е експериментално открито в редица молекулни кристали (нафталин, антрацен, бензен и др.).

В полупроводниците екситонът е свързано с водород подобно състояние на електронен проводник и дупка (Wannier - Mott exciton). Енергиите на свързване и ефективните радиуси на екситона Wannier - Mott могат да бъдат оценени с помощта на формулите на Н. Бор за водородния атом, като се има предвид, че ефективните маси на електроните на проводимостта и дупките се различават от масата на свободен електрон и че кулоновото взаимодействие на електрон и дупка в кристала е отслабено от диелектричната константа на средата.

Енергиите на свързване на екситона Вание-Мот са многократно по-малки от енергията на свързване на електрона с протон в водородния атом, а екситонните радиуси са много пъти по-големи от междуатомните разстояния в кристала. Големите стойности на екситонния радиус означават, че екситон в полупроводникови кристали е макроскопично образуване, а кристалната структура определя само параметрите на масата и енергията на екситона. Следователно екситонът Вание-Мот може да се разглежда като квазиатом, движещ се във вакуум. Изкривяванията на кристалната структура, въведени от екситон или дори с голям брой екситони, са незначителни.

Екситонът Wannier - Mott ясно се проявява в абсорбционните спектри на полупроводниците под формата на тесни линии. Екситонът се проявява и в спектрите на луминесценцията, в фотопроводимостта, в ефекта на Старк и Зееман. Времето на живот на един екситон е малко: електрон и дупка, съставляващи един екситон, могат да се рекомбинират с излъчването на фотон.

Екситон може да се разпадне при сблъсък с решетъчни дефекти.

Когато екситон взаимодейства с фотони, се появяват нови квази-частици - смесени екситон-фотонни състояния, наречени поляритони . Свойствата на поляритоните (например техния дисперсионен закон) се различават значително от свойствата на екситоните и фотоните. Поляритоните играят съществена роля в процесите на пренос на енергия на електронно възбуждане в кристал, определят характеристиките на оптичните спектри на полупроводниците в областта на екситонните ленти и др.

При ниски концентрации екситоните се държат в кристал като газ от квазичастици. При високи концентрации тяхното взаимодействие става значително. Възможно е образуването на свързано състояние на две екситони, молекулата на екситона ( биекситон ). Въпреки това, за разлика от водородната молекула, енергията на дисоциация на биекситон е много по-малка от енергията на свързване (ефективни маси на електроните и дупки в полупроводниците от същия ред).

С увеличаване на концентрацията на екситоните разстоянието между тях може да стане от порядъка на техния радиус, което води до разрушаване на екситоните. Това може да бъде придружено от появата на "капчици" на електронно-дупчивата плазма. Образуването на електрон-дупчици в полупроводници като Ge и Si се отразява в появата на нова широка линия на луминисценция, изместена към намаляване на фотонната енергия. Електронно-дупчащите капки имат редица интересни свойства: висока плътност на електроните и дупките при ниска (средна по обем) концентрация, висока подвижност в нееднородни полета и др.

При ниски концентрации на екситон, състоящи се от два фермиона (електронен проводник и дупка), може да се разглежда като бозон. Това означава, че е възможна бозе-кондензация на екситони (натрупване на голям брой електрони при най-ниското енергийно ниво). Бозе-кондензацията на екситоните може да доведе до съществуването на непокрити енергийни потоци в кристала. Въпреки това, за разлика от свръх течния течен хелий или свръхпроводник, свръхфлуидният поток от екситони може да съществува не неопределено дълго, а само по време на живота на екситоните.

<== предишна статия | следващата статия ==>





Вижте също:

Физически характер на тунелния ефект

Сензорни системи. Органите за чувствителност. Физиология на сетивата. Функции на сензорните системи. Сензорно възприятие. Етапи на сетивното възприятие. Сензорни системи

Физически основи на вибрационната спектроскопия

Особености на физиката на нелинейните процеси в сложни динамични системи

фулерени

Примери за приложения на CCM-77

Емисионна електроника

Класификация на рецепторите. Мономодални и полимодални рецептори. Ноцицептори (болкови рецептори). Exteroreceptors. Interoreceptors.

Сензорни сигнали от проприоцептори

Устройството и принципът на работа на ACM

Оже-спектроскопия

Квантово-механична теория на свръхпроводимостта

Електронен парамагнитен резонанс (EPR)

Връщане към съдържанието: Физически явления

Видян: 2652

11.45.9.55 © ailback.ru не е автор на публикуваните материали. Но предоставя възможност за безплатно ползване. Има ли нарушение на авторските права? Пишете ни Обратна връзка .