激子
物理概念 激子是一種准粒子。激子是絕緣體或半導體中電子和空穴由其間庫侖相互作用而結合成的一個束縛態系統。 [1] 在半導體中，如果一個電子從滿的價帶激發到空的導帶上去，則在價帶內產生一個空穴，而在導帶內產生一個電子，從而形成一個電子-空穴對。空穴帶正電，電子帶負電，它們受到庫侖力而互相吸引，在一定的條件下會使它們在空間上束縛在一起，這樣形成的複合體稱為激子。激子壽命很短，最終會消失。
- 中文名：激子
- 外文名:exciton
- 原 理:吸收光子在固體產生的束縛的電子-空穴結合體
目錄
定義
激子（拼音：jī zǐ；英文：exciton） 一個激發態分子S*與它的一個基態分子S結合形成一個瞬態激發態二聚體(SS)*，被稱作激子或激基締合物，它比較容易在芳香族溶液體系中形成，S*+S←→(SS)*→S+S+hv通常激子的能量低於激發態分子。因此，這種激子去活時發出的熒光具較長的波長。
原理
由於吸收光子在固體中產生的可移動的束縛的電子-空穴對。 在光躍遷過程中，被激發到導帶中的電子和在價帶中的空穴由於庫侖相互作用，將形成一個束縛態，稱為激子。激子提供了能量平衡，使得激子體系的總能量略小於未束縛的電子和空穴的能量。
通常可分為萬尼爾（Wannier）激子和弗倫克爾（Frenkel）激子，前者電子和空穴分布在較大的空間範圍，庫侖束縛較弱，電子「感受」到的是平均晶格勢與空穴的庫侖靜電勢，這種激子主要是半導體中；後者電子和空穴束縛在晶體元胞範圍內，庫侖作用較強，這種激子主要是在絕緣體中。
作用
激子是固體中的一種基本的元激發，是由庫侖力作用互相束縛着的電子-空穴對。半導體吸收一個光子之後，電子由價帶躍遷至導帶，但是電子由於庫侖作用仍然和價帶中的空穴聯繫在一起。
激子對描述半導體的光學特性有重要意義；自由激子束縛在雜質上形成束縛激子。激子束縛能大，說明自由激子容易和雜質結合形成發光中心。激子效應對半導體中的光吸收、發光、激射和光學非線性作用等物理過程具有重要影響，並在半導體光電子器件的研究和開發中得到了重要的應用.與半導體體材料相比，在量子化的低維電子結構中，激子的束縛能要大得多，激子效應增強，而且在較高溫度或在電場作用下更穩定。
在半導體吸收光譜中，本徵的帶間吸收過程是指半導體吸收一個光子後，在導帶和價帶同時產生一對自由的電子和空穴.但實際上除了在吸收帶邊以上產生連續譜吸收區以外，還可以觀測到存在着分立的吸收譜線，這些譜線是由激子吸收引起的，其能譜結構與氫原子的吸收譜線非常類似.激子譜線的產生是由於當固體吸收光子時，電子雖已從價帶激發到導帶，但仍因庫侖作用而和價帶中留下的空穴聯繫在一起，形成了激子態.自由激子作為一個整體可以在半導體中運動.這種因靜電庫侖作用而束縛在一起的電子空穴對是一種電中性的、非導電性的電子激發態.
與氫原子一樣，激子也具有相應的基態和激發態，但其能量狀態與固體中的介電效應和電子空穴的[[有效質量]有關.實際上，固體中的激子態可用類氫模型加以描述，並按此模型很好地估算出激子在帶邊下分立能級的能態和電離能。
總的來說，寬禁帶的半導體材料，激子束縛能較大，而激子玻爾半徑則比較小.而禁帶較窄的材料，其激子電離能較小，激子玻爾半徑則較大。
激子效應
激子效應對半導體中的物理過程和光學性質具有重要的影響.激子的吸收和複合直接影響半導體的光吸收和發光，而且，作為固體中的一種元激發，其狀態與母體材料的電子能帶性質和外場的作用緊密相關.此外，自由激子在半導體中可以受到雜質或缺陷中心在空間上的束縛，形成所謂的束縛激子。其吸收譜線能量位置略低於自由激子的吸收譜線.激子在電中性缺陷上的束縛過程大致可分為兩種，它可以是一個自由激子整體地受到缺陷中心的束縛，也可以是一個電荷（電子或空穴）首先被缺陷的近程勢所束縛，使缺陷中心帶上電荷,然後再通過庫侖互作用（遠程勢）束縛一個電荷相反的空穴或電子，形成束縛激子.束縛激子在半導體發光中有非常重要的地位.在間接帶半導體材料中，由於動量選擇定則的限制，材料的發光通常是很弱的，但如果存在束縛激子，其波函數在空間上是局域化的，因而發光躍遷的動量選擇定則大大放鬆，無須聲子參與就可能具有很大的發光躍遷幾率.這樣，間接帶材料的發光效率將大大增強。 例如，在間接帶Ⅲ-Ⅴ族半導體材料磷化鎵（GaP）中，通過摻入Ⅴ族氮原子（或同時摻入能形成施主受主對的鋅和氧），發光就可大大增強，其原因就是因為氮在晶格中代替磷位，是一種電中性的替位式等電子雜質.這種雜質中心由於其電負性與主晶格原子不同，原子尺寸不同等原因，在晶格中會產生作用距離較短的近程勢，並使激子束縛在其位置附近形成束縛激子.實驗上，在摻氮的GaP中已觀測到單個氮原子以及成對氮原子所引起的很強的束縛激子發光，這類摻雜方法已成為製造GaP和GaAsP等可見光發光二極管的基本工藝.
激子是由庫侖作用結合在一起的電子空穴對，其穩定性取決於溫度、電場、載流子濃度等因素.當樣品溫度較高時，激子譜線由於聲子散射等原因而變寬.而當kT(k是玻爾茲曼常數）值接近或大於激子電離能時，激子會因熱激發而發生分解.所以，在許多半導體材料中，只有低溫下才能觀測到清晰的激子發光，而當溫度升高後，激子譜線會展寬，激子發光強度降低，以至發生淬滅.另外，在電場的作用下，電子和空穴分別向相反方向運動，因而當半導體處於電場作用下時，激子效應也將減弱,甚至由於電場離化而失效.而當樣品中載流子濃度很大時，由於自由電荷對庫侖場的屏蔽作用，激子也可能分解.這些影響激子穩定性的物理因素在光電器件應用中，可以作為對激子效應和相關的光學性質進行可控調製的有效手段.但對發光和激光器件來說，特別是對一些需要在室溫下大濃度注入條件工作的器件來說，將產生一些不利的影響，使激子效應的應用受到限制.總的來說，當激子束縛能較大時，激子相對比較穩定.如在寬禁帶半導體材料（如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和氮化物）以及下面要更詳細討論的半導體量子阱等低維結構中，激子束縛能一般比較大，即使在室溫下，激子束縛能也比kT大許多，吸收光譜中能看到明顯的激子吸收，激子效應不易淬滅，甚至已實現了以激子複合效應為主的激光器件.
應用
在一些發光二極管和特殊發光器件的實際應用中，激子發光是一種重要的發光機制，特別是在一些間接帶半導體材料和低維結構半導體材料製成的發光二極管中，激子發光躍遷被證明往往起着關鍵性的作用.例如用氮化物材料可製成藍綠光和紫外光發光二極管.眾所周知，氮化物及其合金中一般缺陷濃度是很大的，但發光效率卻很高，原因是受到局域化的激子有很高的複合幾率，使得載流子在到達非輻射複合中心之前，就通過激子複合對發光作出貢獻.人們認為，InGaN/GaN量子阱之所以發光效率很高，與InGaN中存在着組分分凝，甚至形成了量子點，激子發光得到加強有關。
科學研究
參考文獻
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