Экситон в физике твёрдого тела¶

Экситон — квазичастица в физике твёрдого тела и физике полупроводников, представляющая собой связанное состояние электрона и дырки, которое возникает при возбуждении кристалла или молекулы и может переносить энергию без переноса электрического заряда. Экситон не является элементарной частицей: это коллективное возбуждение электронной подсистемы вещества, описываемое в рамках зонной теории и многочастичных моделей. Энергия экситона лежит ниже энергии свободного электрон-дырочного перехода на величину энергии связи, что делает его промежуточным состоянием между полностью свободными носителями заряда и локализованным возбуждением.

¶История открытия

Существование связанных электрон-дырочных состояний теоретически предсказал советский физик Яков Ильич Френкель в 1931 году, рассматривая возбуждения в молекулярных кристаллах. В 1936 году американский физик Грегори Ванье развил теорию экситонов в полупроводниках, описав их как водородоподобные состояния в поле кулоновского притяжения. Экспериментально экситоны впервые наблюдали в спектрах поглощения кристаллов закиси меди и других полупроводников в 1950-х годах. Дальнейшее развитие теории связано с работами советских физиков Леонида Келдыша и Элеоноры Гросс, изучавших экситонные комплексы и экситонные спектры в полупроводниках.

¶Классификация

Различают два основных типа экситонов.

¶Экситоны Френкеля

Характерны для молекулярных кристаллов, ионных кристаллов и органических полупроводников. Радиус экситона сравним с постоянной решётки, энергия связи велика (порядка 0,1–1 эВ). Электрон и дырка локализованы в пределах одной молекулы или атома, а перенос возбуждения происходит по механизму прыжковой миграции.

¶Экситоны Ванье — Мотта

Возникают в полупроводниках с малой шириной запрещённой зоны и большой диэлектрической проницаемостью. Радиус экситона значительно превышает постоянную решётки (десятки нанометров), энергия связи мала (единицы — десятки мэВ). Такие экситоны хорошо описываются водородоподобной моделью с эффективными массами носителей.

¶Экситонные комплексы

Кроме простых экситонов, существуют биэкситоны (молекулы экситонов), трионы (заряженные комплексы из двух электронов и одной дырки или наоборот) и более сложные многочастичные образования. Биэкситоны предсказаны теоретически и обнаружены экспериментально в ряде полупроводников.

¶Устройство и характеристики

Экситон описывается набором параметров: энергией связи, радиусом, эффективной массой, временем жизни. Энергия связи определяет положение экситонного пика в спектре поглощения или люминесценции относительно края фундаментального поглощения. В объёмных полупроводниках экситонные линии наблюдаются преимущественно при низких температурах, поскольку тепловая энергия при комнатной температуре превышает энергию связи. В низкоразмерных структурах — квантовых ямах, проволоках, точках — энергия связи возрастает, что позволяет наблюдать экситоны при комнатной температуре. Экситоны могут быть синглетными и триплетными по спиновому состоянию, что влияет на их оптические свойства.

¶Применение и значение

Экситоны играют ключевую роль в оптике полупроводников, определяя форму края поглощения и спектры люминесценции. На их основе работают экситонные лазеры, модуляторы света, элементы оптоэлектроники. В двумерных материалах, таких как графен и дихалькогениды переходных металлов, экситоны обладают рекордной энергией связи и активно исследуются для создания наноустройств. Экситонные эффекты важны для солнечных элементов: генерация и диссоциация экситонов определяют эффективность преобразования света в электричество в органических фотопреобразователях. В России исследования экситонов велись в Физическом институте имени П. Н. Лебедева, Институте физики полупроводников Сибирского отделения РАН и ряде университетов.

¶Интересные факты

В 2018 году в двумерном материале на основе диселенида молибдена наблюдались экситоны с энергией связи, превышающей 500 мэВ. В конденсатах экситонов возможно явление бозе-эйнштейновской конденсации, экспериментально подтверждённое в 2000-х годах в квантовых ямах. Экситоны способны образовывать упорядоченные структуры — экситонные кристаллы, предсказанные теоретически.

¶Критика и ограничения

Теория экситонов Ванье — Мотта хорошо работает в режиме слабой связи, но требует уточнений для материалов с сильным электрон-фононным взаимодействием. В органических полупроводниках разделение на френкелевские и ванье-моттовские экситоны условно, существуют промежуточные состояния. Экспериментальное определение параметров экситонов затруднено из-за влияния примесей, дефектов и поверхностных состояний.

Источники: Френкель Я. И. «К теории возбуждения кристаллов»; Ванье Г. «Экситоны»; Келдыш Л. В. работы по экситонной теории; Гросс Э. Ф. исследования экситонных спектров; учебники по физике твёрдого тела (Киттель, Ашкрофт, Мермин).