Ein exciton ist ein bestimmter Staat eines Elektrons und Loch, die von einander durch die elektrostatische Ampere-Sekunde-Kraft angezogen werden. Es ist eine elektrisch neutrale Quasipartikel, die in Isolatoren, Halbleitern und einigen Flüssigkeiten besteht. Der exciton wird als eine elementare Erregung der kondensierten Sache betrachtet, die Energie transportieren kann, ohne elektrische Nettoanklage zu transportieren.

Ein exciton kann sich formen, wenn ein Foton von einem Halbleiter gefesselt ist. Das erregt ein Elektron vom Wertigkeitsband ins Leitungsband. Der Reihe nach lässt das ein lokalisiertes positiv beladenes Loch zurück (Löcher bestehen wirklich nicht, der Begriff ist eine Abstraktion für die Position, von der ein Elektron bewegt wurde; sie haben kostenlos in und sich). Das Elektron im Leitungsband wird dann von diesem lokalisierten Loch durch die Ampere-Sekunde-Kraft angezogen. Diese Anziehungskraft stellt ein Stabilisierungsenergiegleichgewicht zur Verfügung. Folglich hat der exciton ein bisschen weniger Energie als das ungebundene Elektron und Loch. Wie man sagt, ist der wavefunction des bestimmten Staates hydrogenic, ein exotisches Atom setzen verwandt mit diesem eines Wasserstoffatoms fest. Jedoch ist die Bindungsenergie viel kleiner und die Größe der Partikel, die viel größer ist als ein Wasserstoffatom. Das ist wegen beider die Abschirmung der Ampere-Sekunde-Kraft durch andere Elektronen im Halbleiter (d. h. Seine dielektrische Konstante), und die kleinen wirksamen Massen des aufgeregten Elektrons und Loches. Die Wiederkombination des Elektrons und Loches, d. h. des Zerfalls des exciton, wird durch die Klangfülle-Stabilisierung wegen des Übergreifens des Elektrons und der Loch-Welle-Funktionen beschränkt, auf eine verlängerte Lebenszeit für den exciton hinauslaufend.

Das Elektron und Loch können entweder Parallele haben oder Drehungen antianpassen. Die Drehungen werden durch die Austauschwechselwirkung verbunden, exciton Feinstruktur verursachend. In periodischen Gittern zeigen die Eigenschaften von exciton Schwung (K-Vektor) Abhängigkeit.

Das Konzept von excitons wurde zuerst von Yakov Frenkel 1931 vorgeschlagen, als er die Erregung von Atomen in einem Gitter von Isolatoren beschrieben hat. Er hat vorgeschlagen, dass dieser aufgeregte Staat im Stande sein würde, auf eine einer Partikel ähnliche Mode durch das Gitter ohne die Nettoübertragung der Anklage zu reisen.

Klassifikation

Excitons kann in zwei Begrenzungsfällen abhängig von den Eigenschaften des fraglichen Materials behandelt werden.

Frenkel excitons

In Materialien mit einer kleinen dielektrischen Konstante kann die Ampere-Sekunde-Wechselwirkung zwischen einem Elektron und einem Loch stark sein, und die excitons neigen so dazu, von derselben Ordnung wie die Größe der Einheitszelle klein zu sein. Molekularer excitons kann sogar auf demselben Molekül, wie in fullerenes völlig gelegen werden. Dieser Frenkel exciton, genannt nach Yakov Frenkel, hat eine typische Bindungsenergie auf der Ordnung 0.1 zu 1 eV. Frenkel excitons wird normalerweise in alkalihalide Kristallen und in organischen molekularen Kristallen gefunden, die aus aromatischen Molekülen, wie anthracene und tetracene zusammengesetzt sind.

Wannier-Mott excitons

In Halbleitern ist die dielektrische Konstante allgemein groß. Folglich neigt elektrische Feldabschirmung dazu, die Ampere-Sekunde-Wechselwirkung zwischen Elektronen und Löchern zu reduzieren. Das Ergebnis ist ein Wannier exciton, der einen Radius hat, der größer ist als der Gitter-Abstand. Infolgedessen kann die Wirkung des Gitter-Potenzials in die wirksamen Massen des Elektrons und Loches vereinigt werden. Ebenfalls, wegen der niedrigeren Massen und der geschirmten Ampere-Sekunde-Wechselwirkung, ist die Bindungsenergie gewöhnlich viel weniger als ein Wasserstoffatom, normalerweise auf der Ordnung dessen. Dieser Typ von exciton wurde für Gregory Wannier und Nevill Francis Mott genannt. Wannier-Mott excitons werden normalerweise in Halbleiter-Kristallen mit kleinen Energielücken und hoher dielektrischer Konstante gefunden, aber sind auch in Flüssigkeiten, wie Flüssigkeit xenon identifiziert worden.

In Kohlenstoff der einzelnen Wand nanotubes haben excitons sowohl Charakter von Wannier-Mott als auch Frenkel. Das ist wegen der Natur der Ampere-Sekunde-Wechselwirkung zwischen Elektronen und Löchern in der einer Dimension. Die dielektrische Funktion des nanotube selbst ist groß genug, um das Raumausmaß der Welle-Funktion zu berücksichtigen, sich über einige bis zu mehrere Nanometer entlang der Tube-Achse auszustrecken, während die schlechte Abschirmung in der dielektrischen oder Vakuumumgebung außerhalb des nanotube bedeutende Bindungsenergien 0.4 zu 1.0 eV berücksichtigt.

Häufig gibt es mehr als ein Band, um von für das Elektron und das Loch zu wählen, das zu verschiedenen Typen von excitons in demselben Material führt. Sogar hoch liegende Bänder können als Femtosekunde wirksam sein, die Zwei-Fotonen-Experimente gezeigt haben.

Oberfläche excitons

An Oberflächen ist es für so genannte Bildstaaten möglich vorzukommen, wo das Loch innerhalb des Festkörpers ist und das Elektron im Vakuum ist. Diese Elektronloch-Paare können nur die Oberfläche vorankommen.

Atomarer und molekularer excitons

Wechselweise kann von einem exciton als ein aufgeregter Staat eines Atoms, Ions oder Moleküls, die Erregung gedacht werden, die von einer Zelle des Gitters zu einem anderen wandert.

Wenn ein Molekül ein Quant der Energie absorbiert, die einem Übergang von einem molekularem Augenhöhlen-bis einen anderen molekular Augenhöhlen-entspricht, wird der resultierende elektronische aufgeregte Staat auch als ein exciton richtig beschrieben. Wie man sagt, wird ein Elektron im niedrigsten freien Augenhöhlen-gefunden, und ein Elektronloch im höchsten hat molekular Augenhöhlen-besetzt, und da sie innerhalb derselben molekularen Augenhöhlensammelleitung gefunden werden, wie man sagt, wird der Elektronloch-Staat gebunden. Molekulare excitons haben normalerweise charakteristische Lebenszeiten auf der Ordnung von Nanosekunden, nach denen der Boden elektronischer Staat wieder hergestellt wird und das Molekül Fluoreszenz erlebt. Molekulare excitons haben mehrere interessante Eigenschaften, von denen einer Energieübertragung ist (sieh Klangfülle-Energie von Förster überwechseln), wodurch, wenn ein molekularer exciton das richtige energische Zusammenbringen zu einem geisterhaften Absorptionsvermögen eines zweiten Moleküls hat, dann kann ein exciton überwechseln, von einem Molekül bis einen anderen (hüpfen). Der Prozess ist von der zwischenmolekularen Entfernung zwischen den Arten in der Lösung stark abhängig, und so hat der Prozess Anwendung in der Abfragung und den molekularen Linealen gefunden.

Dynamik

Die Wahrscheinlichkeit des Loch-Verschwindens (das Elektron, das das Loch besetzt), wird durch die Schwierigkeit beschränkt, die Überenergie zu verlieren, und infolgedessen kann excitons eine relativ lange Lebenszeit haben. (Lebenszeiten bis zu mehrere Millisekunden sind in Kupfer (I) Oxyd beobachtet worden) ein Anderer Begrenzungsfaktor in der Wiederkombinationswahrscheinlichkeit ist das Raumübergreifen des Elektrons und Loches wavefunctions (grob die Wahrscheinlichkeit für das Elektron, um ins Loch zu geraten). Dieses Übergreifen ist für leichtere Elektronen und Löcher und für hoch aufgeregte Hydrogenic-Staaten kleiner.

Der ganze exciton kann sich durch den Festkörper bewegen. Mit dieser zusätzlichen kinetischen Energie kann der exciton über der Band-Lücke liegen.

Der exciton, der sich durch molekularen Kristall fortpflanzt, ist derjenige, der von größter Bedeutung ist. Mehrere Mechanismen sind in der Literatur vorgeschlagen worden. Zwei sind wichtig. Der erste ist exciton Energie zerstreut wegen der Wechselwirkung mit dem phonon Bad. Der andere ist durch die Radiation weggetragene Energie. Kombinationen der zwei sind auch studiert worden.

Viel wie molekulare Systeme, die Klangfülle gut definiert haben, kann excitons innere Konvertierungen von energisch höheren lügnerischen Staaten erleben, um lügnerische Staaten durch die Kopplung zu elektronischen oder Schwinggraden der Freiheit zu senken. Innere Konvertierungen finden gewöhnlich eines zeitlichen Rahmens von einigen zu Zehnen von Femtosekunden statt. Außerdem sind Zwischensystemüberfahrten möglich, wenn entsprechende Drehungsbahn-Wechselwirkungen im Material da sind, und gewöhnlich auf einem zeitlichen Rahmen von einigen zu Hunderten von picoseconds stattfinden.

Wechselwirkung

Excitons sind der Hauptmechanismus für die Lichtemission in Halbleitern bei der niedrigen Temperatur (wenn die charakteristische Thermalenergie kT weniger ist als die exciton Bindungsenergie), die freie Elektronloch-Wiederkombination bei höheren Temperaturen ersetzend.

Die Existenz von Exciton-Staaten kann aus der Absorption des mit ihrer Erregung vereinigten Lichtes abgeleitet werden. Gewöhnlich werden excitons gerade unter der Band-Lücke beobachtet.

Wenn excitons mit Fotonen aufeinander wirken, wird ein so genannter polariton (auch exciton-polariton) gebildet. Diese excitons werden manchmal angekleideten excitons genannt.

Vorausgesetzt dass die Wechselwirkung attraktiv ist, kann ein exciton mit anderem excitons binden, um einen biexciton zu bilden, der einem dihydrogen Molekül analog ist. Wenn eine große Dichte von excitons in einem Material geschaffen wird, können sie mit einander aufeinander wirken, um eine Elektronloch-Flüssigkeit, ein Staat zu bilden, der im K-Raum indirekte Halbleiter beobachtet ist.

Zusätzlich sind excitons das Partikel-Befolgen der Drehung der ganzen Zahl Statistik von Bose in der Grenze der niedrigen Dichte. In einigen Systemen, wo die Wechselwirkungen abstoßend sind, hat sich ein Bose-Einstein verdichtet Staat wird vorausgesagt, um der Boden-Staat zu sein, und tatsächlich ist solches Kondensat bereits in neuen Experimenten beobachtet worden. Die Schlussfolgerung wurde durch das Abkühlen eines Exciton-Staates unter 5 K und weiterer beobachtender zusammenhängender Lichtemission (mit Einmischungsmustern) davon erhalten.

Siehe auch

• Superflüssigkeit von Polariton