Экситон

Экситон (далее Э) (от лат. excito — возбуждаю), квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по 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 поглощенная 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 в виде волны (экситон Френкеля). Э Френкеля проявляются в спектрах поглощения и излучения молекулярных (см. Спектроскопия кристаллов). Если в элементарной ячейке молекулярного 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 (нафталине, антрацене, бензоле и др.).   В полупроводниках Э представляет собой 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 учитывая, что эффективные массы электронов проводимости mэ и дырок mд отличаются от массы свободного электрона mo и что кулоновское взаимодействие электрона и дырки в ослаблено диэлектрической проницаемостью среды e:   E*= эв; (1)   а* =  см.   Здесь ,   ¾ Планка постоянная, е — заряд электрона. Формулы (1) не учитывают влияния сложной зонной структуры взаимодействия электронов и дырок с фононами. Однако учет этих факторов не меняет порядок величин E* и а*. Для , и полупроводников типов A и A m* ~ 0,1 то, e ~ 10, что приводит к значениям E* ~ 10¾2эв, и а* ~ 10¾6 см. Т. о., энергии связи Э Ванье — Мотта во много раз меньше, чем энергия связи электрона с протоном в а радиусы Э во много раз больше межатомных расстояний в Большие значения а* означают, что Э в полупроводниковых — макроскопическое образование, причем структура определяет лишь параметры m* и E*. Поэтому Э Ванье — Мотта можно рассматривать как квазиатом, движущийся в вакууме. Искажения структуры вносимые Э или даже большим числом Э, пренебрежимо мало. В галогенидов щелочных металлов и инертных газов E* ~ 0,1—1 эв, а* ~ 10¾7— 10¾8 см и образование Э сопровождается деформацией элементарной ячейки.   Э Ванье—Мотта отчетливо проявляются в спектрах поглощения полупроводников в виде узких линий, сдвинутых на величину E* ниже края оптического поглощения. спектр Э Ванье — Мотта впервые наблюдался в спектре поглощения 2, 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 время жизни Э порядка 10¾5 сек. Э может распадаться при столкновении с дефектами решетки.   При взаимодействии Э с фотонами, имеющими частоты w = , 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 они обусловливают особенности оптических спектров полупроводников в области экситонных полос и др.   При малых концентрациях Э ведут себя в подобно газу квазичастиц. При больших концентрациях становится существенным их взаимодействие. Возможно образование связанного состояния двух Э — экситонной молекулы (биэкситона). Однако, в отличие от молекулы 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 и , 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 объему) 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 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., Э и его движение в 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; Эы в полупроводниках, (Сб. статей), М., 1971; Осипьян Ю. А., Физика твердого тела выходит на передовые позиции, "Природа", 1975, № 10.   А. П. Силин.