Экситон

Экситон в Энциклопедическом словаре:
Экситон - (от лат. excito - возбуждаю) - квазичастица, соответствующаяэлектронному возбуждению, мигрирующему по кристаллу, но не связанному спереносом заряда и массы. Экситон может быть представлен в виде связанногосостояния электрона проводимости и дырки, расположенных или в одном узлекристаллической решетки (экситон Френкеля), или на расстояниях,значительно больших междуатомных (экситон Ванье - Мотта). Понятие экситонаиспользуется при объяснении оптических и других свойств полупроводников идиэлектриков.

Определение слова «Экситон» по БСЭ:
Экситон (от лат. excito - возбуждаю)
квазичастица, 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. Он объяснял отсутствие фотопроводимости у диэлектриков при поглощении света тем, что поглощённая энергия расходуется не на создание носителей тока, а на образование Э. В молекулярных кристаллах Э. представляет собой элементарное возбуждение электронной системы отдельной молекулы, которое благодаря межмолекулярным взаимодействиям 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 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 электронов проводимости m_э и дырок m_д отличаются от массы свободного электрона mo и что кулоновское взаимодействие электрона и дырки в кристалле ослаблено диэлектрической проницаемостью среды
ε:
E*=29/29031210.tif эв; (1)
а* = 29/29031211.tif см.
Здесь 29/29031212.tif, ħ - Планка постоянная, e - 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* ∼ 0,1 т_о,
ε ∼ 10, что приводит к значениям E* ∼ 10⁻²эв, и а* ∼ 10⁻⁶ см. 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* ∼ 0,1-1 эв, а* ∼ 10⁻⁷
- 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, 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 = 29/29031213.tif, 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 или сверхпроводника, 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.

Эксикатор Экситон Экситрон