ЭКСИТОН

ЭКСИТОН (от лат. excito - возбуждаю),
квазичастица,
представляющая
собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее
по кристаллу и не связанное с переносом электрич. 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, к-рое 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 неск. молекул, то межмолекулярное взаимодействие
приводит к расщеплению экситонных линий. Этот эффект, наз. 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 Е* и эффективные радиусы
а*
Э. Ванье-Мотта можно оценить по формулам H. Бора для атома водорода,
учитывая, что эффективные массы электронов проводимости
ти
дырок m отличаются от массы свободного электрона
та
я что кулоновское взаимодействие электрона и дырки в кристалле ослаблено
диэлектрической проницаемостью среды e:

Здесь

- Планка постоянная, е - 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 Е* и а *. Для Ge, Si и полупроводников
типов A^IIIB^V и A^II B^VI т
* 0,1 то, e 10, что приводит к значениям Е* 10^-2эв,
и а * 10^-6 см. T. 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 т * и Е*. 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 Е* 0,1-1 эв, а* 10^-7-
10^-8см
и образование Э. сопровождается деформацией элементарной
ячейки.

Э. Ванье-Мотта отчётливо проявляются
в спектрах поглощения полупроводников в виде узких линий, сдвинутых на
величину Е* ниже края оптич. поглощения. Водородоподобный спектр
Э. Ванье - Мотта впервые наблюдался в спектре поглощения СизО, 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, напр, в Ge время жизни Э. порядка 10^-5сек.
Э.
может распадаться при столкновении с дефектами решётки.

При взаимодействии Э. с фотонами, имеющими
частоты w = Е*/h, возникают новые квазичастицы - смешанные
экситон-фотонные состояния, наз. поляритонами. Свойства поляритонов (напр.,
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 оптич. 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 (б и э к с и т о н а). 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

Инфракрасная фотография электронно
-дырочной капли в Ge: 1 - образец германия; 2 - электронно-дырочная
капля.

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 энергетич. 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 E. Ф., Экситон и
его движение в кристаллической решетке, "Успехи физических наук", 1962,
т. 76, в. 3; H о к с Р., Теория экситонов, пер. с англ., M., 1966; Агранович
В. M., Теория экситонов, M., 1968; Давыдов А. С., Теория молекулярных экситонов,
M., 1968; Экситоны в полупроводниках, [Сб. статей], M., 1971; О с и р ь
я н Ю. А., Физика твердого тела выходит на передовые позиции, "Природа",
1975, № 10. А. П. Силин.