southpig的世界

发信人: hjjnst (Rising Sun--On a roll!), 信区: material
标  题: Re: 请问：激子发光是什么？
发信站: BBS 听涛站 (Mon Oct 16 05:58:03 2006), 转信

http://en.wikipedia.org/wiki/Exciton

Exciton
From Wikipedia, the free encyclopedia
Jump to: navigation, search
An exciton is a bound state of an electron and an imaginary particle called 
an electron hole in an insulator or semiconductor, and such is a Coulomb 
correlated electron-hole pair. It is an elementary excitation, or a 
quasiparticle of a solid.

A vivid picture of exciton formation is as follows: a photon enters a 
semiconductor, exciting an electron from the valence band into the conduction 
band. The missing electron in the valence band leaves a hole behind, of 
opposite electric charge, to which it is attracted by the Coulomb force. The 
exciton results from the binding of the electron with its hole; as a result, 
the exciton has slightly less energy than the unbound electron and hole. The 
wavefunction of the bound state is hydrogenic (an "exotic atom" state akin to 
that of a hydrogen atom). However, the binding energy is much smaller and the 
size much bigger than a hydrogen atom because of the effects of screening and 
the effective mass of the constituents in the material.

In a hydrogen atom the core and the electron can have parallel or 
antiparallel spin, the same is true for the exciton and for the positronium, 
but not for the two electrons in the He-atom. Often excitons were given names 
which look like hydrogen orbital names, but have the wrong numbering for 
angular momentum, or other quantum numbers.

Contents [hide]
1 Subtypes 
2 Dynamics 
3 Interaction 
3.1 With other particles 
3.2 With each other 
 


[edit]
Subtypes
Excitons can be treated in two limiting cases, which depend on the properties 
of the material in question. In semiconductors, the dielectric constant is 
generally large, and as a result, screening tends to reduce the Coulomb 
interaction between electrons and holes. The result is a Mott-Wannier 
exciton, which has a radius much larger than the lattice spacing. As a 
result, the effect of the lattice potential can be incorporated into the 
effective masses of the electron and hole, and because of the lower masses 
and the screened Coulomb interaction, the binding energy is usually much less 
than a hydrogen atom, typically on the order of 0.1 eV. This type of exciton 
was named for Sir Nevill Francis Mott and Gregory Wannier.

When a material's dieletric constant is very small, the Coulomb interaction 
between electron and hole become very strong and the excitons tend to be much 
smaller, of the same order as the unit cell (or on the same molecule as with 
Buckminster Fullerene), so the electron and hole sit on the same cell. This 
Frenkel exciton, named after J. Frenkel, is typically on the order of 1.0 eV.

Alternatively, an exciton may be thought of as an excited state of an atom or 
ion, the excitation wandering from one cell of the lattice to another.

Often there is more than one band to choose from for the electron and the 
hole leading to different types of excitons in the same material. Even high 
lying bands can be used as is seen in femtosecond two-photon experiments.

At surfaces so called image states may occur, where the hole is inside the 
solid and the electron is in the vacuum. These electron hole pairs can only 
move along the surface.

[edit]
Dynamics
The probability of the hole disappearing (the electron occupying the hole) is 
limited by the difficulty of losing the excess energy, and as a result 
excitons can have a relatively long lifetime. (Lifetimes of up to several 
milliseconds have been observed in copper (I) oxide) Another limiting factor 
in the recombination probability is the spatial overlap of the electron and 
hole wavefunctions (roughly the probability for the electron to run into the 
hole). This overlap is smaller for lighter electrons and holes and for highly 
excited hydrogenic states.

The whole exciton can move through the solid. With this additional kinetic 
energy the exciton may lie above the band-gap.

[edit]
Interaction
[edit]
With other particles
Excitons are thus the main mechanism for light emission in semiconductors at 
low temperatures (where kT is less than the exciton binding energy), 
replacing the free electron-hole recombination at higher temperatures.

The existence of exciton states may be inferred from the absorption of light 
associated with their excitation. Typically, excitons are observed just below 
the band gap.

[edit]
With each other
Provided the interaction is attractive, an exciton can bind with other 
excitons to form a 'biexciton', analogous to a hydrogen molecule. If a large 
density of excitons is created in a material, they can interact with one 
another to form an electron-hole liquid, a state observed in k-space indirect 
semiconductors.

Additionally, excitons are integer-spin particles obeying Bose statistics in 
the low-density limit. In some systems, where the interactions are repulsive, 
a Bose-Einstein condensed state is predicted to be the ground state, but has 
yet to be observed due to the influence of factors such as material disorder, 
short exciton lifetimes (less than the re-thermalization times) and low 
exciton densities.