Самолетни двигатели Административно право Административно право на Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог“ Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидравлични системи и хидромашини История на Украйна Културология Културология Логика Маркетинг Машиностроене Медицинска психология Метали и заваръчни инструменти Метали и метали икономика Описателни 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 Социална психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория теорията на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерно производство Физика физични явления Философски хладилни агрегати 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 VKontakte Odnoklassniki My World Facebook LiveJournal Instagram
border=0

Обяснение на понятията екситон и поляритон

<== предишна статия | следваща статия ==>

Екситон (от лат. Excito - възбуждам) е квазичастица, която е електронно възбуждане в диелектрик или полупроводник, мигрираща по протежение на кристала и не свързана с прехвърлянето на електрически заряд и маса.

За да обясните естеството на екситона, помислете как са структурирани твърдите вещества. Във физиката структурата на твърдо вещество обикновено е представена от гледна точка на теорията на лентите, според която човек може да различи валентни и проводими ленти в своята електронна структура - някои енергийни интервали, които съответстват на едно или друго електронно състояние (фиг. 1). Разрешените енергийни зони са разделени от забранени - 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 неизбудено състояние са в зоната на проводимост, което обяснява високата електрическа проводимост на такива материали. В случай на непроводници в неизбудено неподвижно състояние, всички електрони са строго локализирани около определени ядра, така че лентата на проводимост остава празна. Ако обаче валентните електрони получават излишък от енергия (например, когато веществото се облъчва със светлина), те могат да „прескачат“ над забранената лента и да се озоват в лентата на проводимост, като стават свободни, но оставят свободно място във валентната зона - дупка - с положителен елементарен заряд. В зависимост от енергийната празнина E g, твърдите вещества се разделят на полупроводници и диелектрици. Често възниква ситуация, когато електрон е погълнал квант светлина, но енергията му не е достатъчна, за да влезе в лентата на проводимост. Ако веществото има малък брой примеси на атоми, те осигуряват допълнителни енергийни нива в ивицата на лентата (фиг. 1), за които електронът може да улавя и да остава в лентата на лентата, взаимодействайки с отвора чрез електростатични сили. Такова свързано състояние на електронна дупка се нарича екситон. Този електрон е като бездомен турист, който, въпреки че загуби групата си под влиянието на тълпата, но я помни и има възможност да я намери. Също така, електронът има възможност да излъчи квантова светлина и да се върне в първоначалното си положение във валентната зона (преход на екситон). В този случай съседният атом може да абсорбира освободения квант енергия, в резултат на което се появява нова екситонова двойка, която след това също изчезва и електронното възбуждане ще се прехвърли по-нататък от атома към атома, мигрирайки през кристала. Но той има и друга възможност - минава известно време и се оказва, че водачът вече е отнесъл групата от площада, а изгубеният турист е оставен сам - сега той няма друг избор, освен да види забележителностите сам. По подобен начин, електронът може допълнително да абсорбира енергия и въпреки това да стане свободен, като скочи до лентата на проводимост и осигурява принос към плътността на носителите на свободен заряд на този материал.

По този начин, екситонът в твърдо вещество може да се счита за елементарна квазичастица в онези случаи, когато той действа като цяло образувание, без да се подлага на влияния, които могат да го унищожат. Енергията на свързване на дупка и електрон определя радиуса на екситона, което е характерно количество за всяко вещество. Както показва практиката, енергията на свързване на екситон в полупроводници е малка (не надвишава 10 меВ), а тип A IV B VI имат най-голям радиус на Бора на екситона. Например за оловен сулфид и селенид тази стойност е съответно 2 и 4,6 nm, докато за сравнение за кадмиевия сулфид не надвишава 0,6 nm.

Образуването и разрушаването на екситоните се свързва с особеностите на оптичните спектри на наноструктурите, в които остри линии, които не са характерни за макроскопските тела, се наблюдават до стайна температура. Установено е, че стойността на енергията на свързване на екситон зависи от размера на наночастицата, ако размерът на частиците е съпоставим с или по-малък от радиуса на екситона. Следователно, получавайки монодисперсни колоидни разтвори на наночастици с различни размери, човек може да контролира енергиите на екситоновите преходи в широк диапазон от оптичния спектър.

Концепцията за екситон е въведена за първи път през 1931 г. от Й. И. Френкел. Той обясни липсата на фотопроводимост в диелектриците при поглъщане на светлината с факта, че погълнатата енергия се изразходва не за създаване на токови носители, а за образуване на екситон. В молекулярните кристали екситонът е елементарно възбуждане на електронна система от една молекула, която поради междумолекулни взаимодействия се разпространява през кристала под формата на вълна (френкелов екситон).

Френкелови екситони се появяват в спектрите на абсорбция и емисия на молекулни кристали. Ако няколко молекули се съдържат в единичната клетка на молекулен кристал, тогава междумолекулното взаимодействие води до разцепване на екситоновите линии. Този ефект, наречен разделяне на Давидов, е свързан с възможността за преминаване на екситона на Френкел от една група молекули в друга в единичната клетка. Разделянето на Давидов беше експериментално открито в редица молекулни кристали (нафталин, антрацен, бензен и др.).

В полупроводниците екситонът е свързано с водород свързано състояние на проводящ електрон и дупка (Wannier - Mott exciton). Енергиите на свързване и ефективните радиуси на екситон на Ваниер - Мот могат да бъдат оценени, като се използват формулите на Н. Бор за водородния атом, като се има предвид, че ефективните маси на проводящи електрони и дупки се различават от масата на свободния електрон и че кулоновското взаимодействие на електрон и дупка в кристал се отслабва от диелектричната константа на средата.

Енергиите на свързване на екситона на Wannier - Mott са многократно по-малки от енергията на свързване на електрон с протон във водороден атом, а радиусите на екситона са многократно по-големи от междутомните разстояния в кристала. Големите стойности на радиуса на екситона означават, че екситонът в полупроводникови кристали е макроскопична формация, а кристалната структура определя само параметрите на масата и енергията на екситона. Следователно, екситонът Wannier - Mott може да се разглежда като квазиат, движещ се във вакуум. Изкривяванията на кристалната структура, въведени от екситон или дори голям брой екситони, са незначителни.

Екситонът на Wannier - Mott ясно се проявява в спектрите на абсорбция на полупроводници под формата на тесни линии. Екситонът се проявява и в спектрите на луминисценция, във фотопроводимостта, в ефекта на Старк и Земан. Животът на екситона е кратък: електронът и дупката, съставляващи екситона, могат да се комбинират с излъчване на фотон.

Екситонът може да се разпадне при сблъсък с дефекти на решетката.

При взаимодействието на екситон с фотони възникват нови квазичастици - смесени състояния на екситон-фотон, наречени поляритони . Свойствата на поляритоните (например техният закон на дисперсия) се различават значително от свойствата както на екситоните, така и на фотоните. Поляритоните играят съществена роля в процесите на прехвърляне на енергия от възбуждане на електрон в кристал; те определят характеристиките на оптичните спектри на полупроводниците в областта на екситоновите ленти и др.

При ниски концентрации, екситоните се държат в кристал като газ от квазичастици. При високи концентрации взаимодействието им става значително. Възможно е образуването на свързано състояние от два екситона - молекула на екситон ( биекситтон ). Въпреки това, за разлика от молекулата на водорода, енергията на дисоциация на биексицитон е много по-ниска от неговата енергия на свързване (ефективни маси от електрони и дупки в полупроводници от същия ред).

С увеличаване на концентрацията на екситоните, разстоянието между тях може да стане от порядъка на техния радиус, което води до унищожаване на екситоните. Това може да бъде придружено от появата на "капки" плазма с електронни дупки. Образуването на капчици от електронна дупка в полупроводници като Ge и Si се отразява във появата на нова широка линия на луминесценция, изместена към намаляване на енергията на фотона. Капките с електронна дупка имат редица интересни свойства: висока плътност на електрони и дупки при ниска (средна по обем) концентрация, висока мобилност в нехомогенни полета и др.

При ниски концентрации на екситон, състоящи се от два фермиона (проводим електрон и дупка), могат да се считат за бозон. Това означава, че е възможна кондензация на екситони на Бозе (натрупване на голям брой електрони при най-ниско енергийно ниво). Бозовата кондензация на екситони може да доведе до съществуването на непрекъснати енергийни потоци в кристала. Въпреки това, за разлика от свръхтечен течен хелий или свръхпроводник, свръхтечен екзитонов поток може да съществува не произволно дълго, а само по време на живота на екситона.

<== предишна статия | следваща статия ==>





Прочетете също:

Механорецептори

Стойността на приемните полета

Неутронна дифракция

Методи на сонда микроскопия. 1.1.1. Атомна силова микроскопия

Сензорни сигнали от проприоцепторите

Физични основи на вибрационната спектроскопия

Физическа основа за създаване на микро- и нано-електромеханични системи (MEMS)

Микроскопия за атомна сила

Използването на изкуствени невронни мрежи за получаване, предаване и обработка на информация за измерванията

MEMS захранващи устройства за преносими устройства

Оптоелектронни устройства

Сензори и микроакуатори

Принципи на действие на SSM-77

Квантов компютър

Свойства на свръхпроводника

Връщане към съдържанието: Физически явления

Преглеждания: 3732

11.45.9.191 © ailback.ru Той не е автор на публикуваните материали. Но предоставя възможност за безплатно използване. Има ли нарушение на авторски права? Пишете ни | Обратна връзка .