Экситон — квазичастица в физике твёрдого тела¶

Экситон — квазичастица в физике твёрдого тела, 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 терминах квазичастиц. Концепция экситона была введена советским физиком Яковом Френкелем в 1931 году для объяснения оптических свойств диэлектриков.

¶История открытия

Представление об экситоне сформировалось в начале 1930-х годов. Яков Френкель предложил модель, в которой поглощение света в диэлектрике приводит к образованию связанного электронно-дырочного состояния, мигрирующего по кристаллу. В 1936 году Григорий Ваннье развил альтернативный подход, применимый к полупроводникам с малой шириной запрещённой зоны, где электрон и дырка разделены на расстояния, значительно превышающие постоянную решётки.

Экспериментальное подтверждение существования экситонов было получено в 1950-х годах при исследовании спектров поглощения кристаллов закиси меди и германия. Обнаруженные узкие линии поглощения вблизи края фундаментальной полосы не удавалось объяснить в рамках зонной теории без привлечения экситонных состояний. Дальнейшее развитие теории связано с работами советских физиков Леонида Келдыша и Элеоноры Гросс, описавших экситонные комплексы и их поведение в сильных электрических и магнитных полях.

¶Классификация

По характеру связи и радиусу экситоны делят на два основных типа.

Экситоны Френкеля локализованы в пределах одной или нескольких элементарных ячеек, энергия связи велика, а перенос возбуждения происходит путём прыжков между узлами. Экситоны Ваннье — Мотта слабо связаны, электрон и дырка разнесены на большие расстояния, что позволяет описывать их по аналогии с атомом водорода, но с учётом диэлектрической проницаемости среды и эффективных масс носителей.

Отдельно выделяют биэкситоны — связанные пары экситонов, предсказанные теоретически и обнаруженные экспериментально, а также трионы (заряженные экситонные комплексы) и экситонные молекулы в двумерных структурах.

¶Устройство и свойства

Экситон образуется, когда фотон с энергией, близкой к ширине запрещённой зоны, возбуждает электрон из валентной зоны в зону проводимости. Оставшаяся дырка и возбуждённый электрон притягиваются кулоновским взаимодействием, образуя связанное состояние. Энергия экситона меньше ширины запрещённой зоны на величину энергии связи.

Ключевые свойства экситонов:

• Электрическая нейтральность — экситон не переносит заряд, поэтому не даёт вклада в проводимость.
• Перенос энергии — возбуждение может перемещаться по кристаллу, что важно для люминесценции и фотопроводимости.
• Время жизни — ограничено процессами рекомбинации; в непрямозонных полупроводниках оно может достигать микросекунд.
• Чувствительность к внешним полям — электрическое и магнитное поля смещают и расщепляют экситонные уровни.

В полупроводниковых наноструктурах — квантовых ямах, проволоках и точках — энергия связи экситонов возрастает из-за размерного ограничения, что делает их устойчивыми при комнатной температуре.

¶Применение и значение

Экситоны играют существенную роль в оптике и оптоэлектронике. На их основе исследуют механизмы люминесценции полупроводников, работу светодиодов и лазеров. Экситонные эффекты учитываются при создании фотоприёмников и солнечных элементов, поскольку влияют на спектр поглощения вблизи края зоны.

В перспективе рассматривается использование экситонов в качестве носителей информации в устройствах, где сигнал передаётся оптически, а обрабатывается электронно. Исследования экситонных конденсатов и поляритонных структур относятся к области фундаментальной физики конденсированного состояния.

¶Исследования в России

В России экситонные явления изучаются в институтах Российской академии наук и ряде университетов. Работы советских и российских физиков — Леонида Келдыша, Элеоноры Гросс, Владимира Бонч-Бруевича — заложили основы понимания экситонных комплексов и их поведения в полупроводниках. Значительный вклад внёс Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе, где проводились классические эксперименты по спектроскопии экситонов.

В Ставрополе исследования в области физики конденсата и полупроводников ведутся в высших учебных заведениях региона, в частности в Северо-Кавказском федеральном университете, где развиваются направления, связанные с оптикой и физикой твёрдого тела. Экситонная тематика входит в общий курс физики полупроводников и материаловедения, изучаемый студентами физических и технических специальностей.

¶Критика и ограничения

Модель экситона как квазичастицы применима в рамках приближения эффективной массы и не описывает все детали многочастичных взаимодействий. В сильно коррелированных системах и при высокой плотности возбуждения простое электронно-дырочное описание становится недостаточным, требуется учёт экранирования и коллективных эффектов. Кроме того, экспериментальное разделение экситонных и примесных состояний в спектрах иногда затруднено.

Источники: Френкель Я. И. «О поглощении света в диэлектриках»; работы Л. В. Келдыша по экситонным комплексам; учебники по физике твёрдого тела (Киттель, Ашкрофт и Мермин); материалы по физике полупроводников Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе.