激子与激子束缚能(内容清晰)
激子动力学
激子动力学
激子动力学是一种研究电子和空穴的相互作用及它们在半导体、金属和其他材料中产生的现象的理论方法。
激子是指电子和空穴在材料中相互作用后形成的复合粒子，其在材料的光学、输运和能带结构等方面具有重要的作用。
激子动力学的研究不仅能深入了解材料的电子性质，也对太阳能电池、半导体激光器、光电器件等领域有着广泛的应用。
激子动力学研究时需要考虑激子和其他粒子的相互作用，如电子-电子相互作用，电子-空穴相互作用、激子-激子相互作用等。
这些相互作用的强度取决于材料的本征性质及外界影响因素。
激子的种类有很多种，如束缚激子、自由激子、受限激子等。
这些激子的特性取决于它们在材料中的运动性质及势能变化等。
激子动力学的研究涉及到多种技术和方法，如激光功率谱法、时间分辨光电子学、紫外-可见透射光谱、等离子体吸收谱等。
这些方法可以获得激子的能量、寿命、性质和演化等方面的信息，从而深入了解材料中的激子动力学。
激子在材料中具有很多特殊的性质，如量子束缚效应、量子振动、弛豫效应等。
这些效应会影响激子的性质及其对材料的作用。
例如，量子束缚效应使得激子在材料中的能量具有离散化特性，而量子振动则使得激子在材料中的波函数出现振荡。
弛豫效应是指材料中的其他粒子与激子相互作用，并使得激子寿命减短的现象。
这些特殊的激子效应对材料的应用有着重要的影响，例如可使太阳能电池提高转换效率、增强激光器的性能等。
激子束缚能和激子结合能
激子束缚能和激子结合能
激子束缚能是指束缚在半导体材料中的电子-空穴对的能量。
在光的激发下，价带电子被激发到导带，随后被电子和空穴间的库仑力束缚在一起构成电子-空穴对。
这种束缚的电子-空穴对与氢原子非常类似，因此其激子能级分布也与氢原子类似，可以用类氢原子里德伯模型描述。
二维半导体材料的激子束缚能特别大，原因是介电屏蔽的减小和空间限制。
大的激子束缚能导致光学谱一般都是由激子特性决定的。
比如单层WS2的激子吸收谱显示出强的源于自旋-轨道劈裂的位于K(K’)点的A、B激子吸收峰。
激子结合能是指在晶体、液体、半导体或分子中，当一个电子激发时，由于斥力作用，电子质点和空穴质点之间形成的结合。
这种结合能是由于在多尺度晶体里，电子和空穴具有相同的相互引力，两者会紧密相结合，形成激子，而它们合在一起时所需要付出的能量就是激子结合能。
《氮化物半导体量子点中的束缚极化子、激子及应变效应》范文
《氮化物半导体量子点中的束缚极化子、激子及应变效应》篇一一、引言随着科技的快速发展，半导体材料及其在电子和光电子器件中的应用已经成为当今科技进步的关键领域。
其中，氮化物半导体因其独特的光电性能在光电子器件、纳米电子器件等领域具有广泛的应用前景。
近年来，氮化物半导体量子点因其尺寸小、量子效应显著等特点，在光电器件中展现出独特的性能。
本文将重点探讨氮化物半导体量子点中的束缚极化子、激子以及应变效应的特性和影响。
二、氮化物半导体量子点中的束缚极化子束缚极化子是氮化物半导体量子点中一种重要的电子激发态。
在量子点中，由于尺寸效应和量子限域效应，电子和空穴的波函数发生明显的变化，形成束缚态。
这种束缚态的电子和空穴由于库仑相互作用而形成极化子。
束缚极化子的存在对氮化物半导体量子点的光学性质和电学性质具有重要影响。
首先，束缚极化子能够影响氮化物半导体量子点的能级结构。
由于电子和空穴的相互作用，量子点的能级发生分裂，形成一系列分立的能级。
这些能级的存在使得量子点具有独特的光学吸收和发射特性。
其次，束缚极化子还对氮化物半导体量子点的光电转换效率产生影响。
由于极化子的存在，量子点中的光生载流子更容易被分离和传输，从而提高光电转换效率。
三、氮化物半导体量子点中的激子激子是氮化物半导体量子点中另一种重要的电子激发态。
当光子能量大于半导体材料的带隙时，光子被吸收并激发出电子和空穴对，形成激子。
激子的存在对氮化物半导体量子点的发光性能具有重要影响。
首先，激子能够影响氮化物半导体量子点的发光颜色。
由于激子的能级与量子点的能级相匹配，激子的复合发光可以产生特定颜色的光。
通过调节激子的能级和数量，可以实现对氮化物半导体量子点发光颜色的调控。
其次，激子还对氮化物半导体量子点的发光效率产生影响。
激子的复合发光是发光效率的主要来源，因此激子的数量和寿命直接影响到量子点的发光效率。
通过优化激子的产生和复合过程，可以提高氮化物半导体量子点的发光效率。
激子的产生与复合--Chapter-4
第四章激子的产生与复合激子是电子—空穴束缚在一起的激发单元。
低激发密度下，激子可视为独立的粒子，激子间相互作用可忽略。
高激发密度下，激子间相互作用会形成激子分子。
强耦合下，激子可进一步凝聚成电子—空穴液滴（e-h droplet/e-h plasma)激子的产生（吸收）与复合过程具有特征性2008-4-11激子的概念带边吸收光谱的精细结构2008-4-12特征:吸收边低能侧出现一系列吸收峰吸收强度高于吸收边吸收峰的出现不伴随光电导n=1,2,3……对应于自由激子的吸收谱D0-X对应于中性施主杂质上束缚激子的吸收吸收不是来源于价带电子到导带的跃迁,可能来源于价带电子到导带以下某些能级的跃迁.2008-4-13吸收不是来源于价带电子到导带的跃迁,可能来源于价带电子到导带以下某些能级的跃迁.哪些因素可能引起导带以下的能量?杂质或缺陷声子这些原因都不能解释上述现象:(1)完整本征半导体中没有杂质或缺陷(2)声子参与的吸收强度很低, 低温主要是声子发射什么原因引起了体系能量降低?2008-4-14什么原因引起了体系能量降低?可能的解释:电子和空穴束缚在一起降低原子体系的能量实验证据: 不伴随光电导激子（exciton)——固体中的元激发态或激发态的量子由于库仑相互作用束缚在一起的电子-空穴对。
激子可作为一个整体（准粒子）在固体中运动，传播能量和动量，不传播电荷。
（不伴随光电导）激子是低于带隙的激发态。
在一定条件下（如温度），激子会被离解成自由电子和空穴。
2008-4-152008-4-16激子结合能激子结合能——激子离解成自由电子和空穴所需的能量。
半导体的激子结合能通常较小，通常在室温(26 meV) 下就可离解。
碱卤化合物的激子结合能通常较大。
某些材料的激子结合能GaN 25 meVZnO 60 meV激子的分类根据束缚程度的强弱，激子可分为1 紧束缚激子（Frenkel激子）—束缚半径约在一个原子范围内，一般形成于绝缘体中。
发光材料中的激子态理论
发光材料中的激子态理论发光是一种很常见的现象，许多物质都可以发光，自然中产生的火山溶岩、蝴蝶的羽毛、珠光体等都是具有光学性质的生物和非生物材料。
发光材料的应用范围非常广泛，例如LED、激光器、荧光显微镜、光电场效应器件、生物分析等。
发光物质中的激子态理论对于发光机理的研究、材料的设计和功能的开发都有重要意义。
激子是一对带电粒子-空穴和电子在材料中的长程相互作用形成的一种非定域激发态。
在材料中，电子和空穴有正负电荷的区别，它们之间有库仑相互作用。
当材料中的能带发生改变、表面发生弯曲或者杂质掺杂，能够产生电子空穴对。
电子和空穴之间的库仑相互作用诱导它们形成共享激子态，共享激子波函数的形状和大小取决于空穴和电子之间的相互作用以及材料的晶体结构。
当形成共享激子态时，对于一个带有电子和空穴对的能级而言，激子的能量要低于电子和空穴分别占据这个能级时的能量之和。
许多发光材料的机理和性质和激子态有关，例如半导体中的激子发光机理、金属-有机配合物中的激子表面增强光致荧光、二维金属半导体材料中的激子产生和传输等。
以半导体为例，在半导体材料中，电子-空穴（电荷）对激子提供了激发能，通过激发能将电子激发到导带上，使得空穴在价带上留下一个空缺状态。
电子和空穴在空余的状态中容易重组，并向外发射能量，从而产生发光。
半导体的激子发光主要是通过激子的激发和释放能量来实现的。
在材料中，激子和库仑束缚态和自由激子态的贡献会相互作用。
而自由激子态是积极参与材料光电学性质调控的方式，它可以影响发光强度、谱响应和全息图形式等。
因此，在材料的设计中，自由激子态理论是研究激子发光材料必不可少的原理。
在激子态的研究中，理论计算和模拟是非常重要的。
理论计算中，我们可以使用密度泛函理论、紧束缚模型、有效质量理论等方法考虑离子核与电子之间的轻重量级相互作用，并研究材料的能量结构和电子结构。
总之，发光材料中的激子态是研究和应用发光机理和性质非常重要的一部分。
纳米尺寸效应[整理]
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纳米材料中电子能级分布显著地不同于大块晶体材料中的电子能级分布。
在大块晶体中，电子能级准连续分布，形成一个个的晶体能带。
金属晶体中电子未填满整个导带，在热扰动下，金属晶体中的电子可以在导带各能级中较自由地运动，因而金属晶体表现为良好的导电及导热性。
在纳米材料中，由于至少存在一个维度为纳米尺寸，在这一维尺度中，电子相当于被限制在一个无限深的势阱中，电子能级由准连续分布转变为分立的束缚态能级。
能级间距δ决定了金属纳米材料是否表现出不同于大块材料的物理性质。
当离散的能级间距δ大于热能、静电能、静磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，将导致金属纳米微粒的热、电、磁、光、以及超导电性与宏观物体有显著的不同，呈现出一系列的反常特性，此即为金属纳米微粒的量子尺寸效应。
例如，宏观状态下的金属Ag是导电率最高的导体，但粒径d<20nm的Ag颗粒在1K的低温下却变成了绝缘体；这是由于其能级间距δ变大，低温下的热扰动不足以使电子克服能隙的阻隔而移动，电阻率增大，从而使金属良导体变为绝缘体。
对于半导体而言，在尺寸小于100nm的纳米尺度范围内，半导体纳米微粒随着其粒径的减小也会呈现量子化效应，显现出与常规块体不同的光学和电学性质。
常规大块半导体的能级是连续的能级，当颗粒减小时，半导体的载流子被限制在一个小尺寸的势阱中，在此条件下，导带和价带过渡为分立的能级，使半导体的能隙变宽，、吸收光谱阈值向短波方向移动，此即为半导体纳米微粒的量子尺寸效应。
与金属导体相比，半导体纳米微粒组成的固体禁带宽度较大，受量子尺寸效应的影响非常明显。
对任何一种材料，都存在一个临界颗粒大小的限制，小于该尺寸的颗粒将表现出量子尺寸效应。
除导体变为半导体、绝缘体以外，纳米微粒的比热、磁矩等性质将与其所含电子数目的奇偶性有关，如：含有偶数电子的颗粒具有抗磁性，含有奇数电子的颗粒具有顺磁性（电子自旋磁矩的抵消情况不同）。
纳米金属颗粒的电子数一般不易改变，因为当其半径接近T）要大。
自由激子与束缚激子的复合发光-PL
ZnSe晶体 晶体10K下自由和束缚激子的发 晶体 下自由和束缚激子的发 材料系用MOVPE (metal organic 光。材料系用 vapor phase epitaxy)方法，原材料为 方法， 方法 二甲基锌（ 二甲基锌（DMZn）和二甲基硒，上 ）和二甲基硒， 普通DMZn ；下图：纯化 DMZn 下图： 图：普通
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激子光谱分析
带隙E 带隙 g L EbFE = R* = E g E FE 自由激子结合能 L EbBX = E g R * E BX 束缚激子结合能 杂质能激级E 见下文） 杂质能激级 D, EA (见下文） 见下文
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束缚激子的双电子跃迁(DBE) 束缚激子的双电子跃迁
束缚激子的电子与空穴复合所释放的能量一部分用于发光， 束缚激子的电子与空穴复合所释放的能量一部分用于发光， 另一部分用于对中性施主中另一电子的激发， 另一部分用于对中性施主中另一电子的激发，该过程被称 为束缚激子的双电子跃迁
4.4 自由激子与束缚激子的复合发光 自由激子与束缚激子的复合发光-PL
自由激子（ ） 自由激子（FE）复合
直接与间接复合 声子伴线
h 2 K ex 2 m* Eex = E g E1 + 13.6(eV ) ≈ Eg * * 2 2( me + mh ) mε K ex ≈ ± ∑ qn , n = 1, 2, ..., N
自由激子发射与带边发射PL谱 自由激子发射与带边发射 谱
自由激子PL谱 谱线，精细结构；材料纯度高， 自由激子 谱：谱线，精细结构；材料纯度高，结晶质量好 带边发射：谱带，无精细结构；升温，掺杂，改变维度 带边发射：谱带，无精细结构；升温，掺杂，
(a) (b)
GaN的(a)低温下激子发光和 的 低温下激子发光和 低温下激子发光和(b) 室温下带边紫外发光
ZnO发光机理
氧化锌的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。
此外，微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作用。
在纯净的ZnO薄膜材料中，电子和空穴能形成激子，激子的束缚能约为60 meV，激子的复合能发射出窄的谱线。
激子复合发光包括自由激子复合发光、束缚激子发光、激子-激子碰撞发光，还有声子参与的激子发光以及电子-空穴等离子体复合受激发光等情况。
2.带间跃迁发光在非平衡状态下，导带的电子跃迁到价带和和价带的空穴复合产生带间跃迁发光。
由于氧化锌材料室温下的禁带宽度高达 3.37 eV，其带间跃迁引起的发光波长都在375 nm以下，处在紫外光波段上。
ZnO是直接带隙半导体，具有相同k值的电子态之间的跃迁，其动量守恒，因此其发光效率比间接带隙半导体要高。
3.能带与缺陷能级之间的电子跃迁发光。
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激子是固体中的一种基本的元激发，是由库仑互作用互相束缚着的电子-空穴对。
半导体吸收一个光子之后，电子由价带跃迁至导带，但是电子由于库仑作用仍然和价带中的空穴联系在一起。
激子对描述半导体的光学特性有重要意义；Free Exciton自由激子束缚在杂质上——施主，受主，深能级杂质形成束缚激子(Tight Bond Exciton)。
激子束缚能大，说明自由激子容易和杂志结合形成发光中心。
激子效应对半导体中的光吸收、发光、激射和光学非线性作用等物理过程具有重要影响，并在半导体光电子器件的研究和开发中得到了重要的应用。
与半导体体材料相比，在量子化的低维电子结构中，激子的束缚能要大得多，激子效应增强，而且在较高温度或在电场作用下更稳定。
在半导体吸收光谱中,本征的带间吸收过程是指半导体吸收一个光子后，在导带和价带同时产生一对自由的电子和空穴.但实际上除了在吸收带边以上产生连续谱吸收区以外，还可以观测到存在着分立的吸收谱线，这些谱线是由激子吸收引起的,其能谱结构与氢原子的吸收谱线非常类似。
激子谱线的产生是由于当固体吸收光子时，电子虽已从价带激发到导带，但仍因库仑作用而和价带中留下的空穴联系在一起,形成了激子态。
自由激子作为一个整体可以在半导体中运动。
这种因静电库仑作用而束缚在一起的电子空穴对是一种电中性的、非导电性的电子激发态。
与氢原子一样，激子也具有相应的基态和激发态，但其能量状态与固体中的介电效应和电子空穴的有效质量有关.实际上，固体中的激子态可用类氢模型加以描述,并按此模型很好地估算出激子在带边下方分立能级的能态和电离能。
总的来说，宽禁带的半导体材料，激子束缚能较大，而激子玻尔半径则比较小，而禁带较窄的材料，其激子电离能较小，激子玻尔半径则较大。
激子效应对半导体中的物理过程和光学性质具有重要的影响。
激子的吸收和复合直接影响半导体的光吸收和发光，而且，作为固体中的一种元激发,其状态与母体材料的电子能带性质和外场的作用紧密相关。
此外，自由激子在半导体中可以受到杂质或缺陷中心在空间上的束缚,形成所谓的束缚激子。
其吸收谱线能量位置略低于自由激子的吸收谱线。
激子在电中性缺陷上的束缚过程大致可分为两种,它可以是一个自由激子整
体地受到缺陷中心的束缚，也可以是一个电荷(电子或空穴) 首先被缺陷的近程势所束缚，使缺陷中心荷电，然后再通过库仑互作用(远程势)束缚一个电荷相反的空穴或电子，形成束缚激子。
束缚激子在半导体发光中有非常重要的地位。
在间接带半导体材料中，由于动量选择定则的限制，材料的发光通常是很弱的，但如果存在束缚激子，其波函数在空间上是局域化的，因而发光跃迁的动量选择定则大大放松，无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率。
这样，间接带材料的发光效率将大大增强。
例如，在间接带Ⅲ-Ⅴ族半导体材料磷化镓(GaP)中，通过掺入Ⅴ族氮原子(或同时掺入能形成施主受主对的锌和氧)，发光就可大大增强，其原因就是因为氮在晶格中代替磷位，是一种电中性的替位式等电子杂质.这种杂质中心由于其电负性与主晶格原子不同，原子尺寸不同等原因，在晶格中会产生作用距离较短的近程势，并使激子束缚在其位置附近形成束缚激子。
实验上，在掺氮的GaP中已观测到单个氮原子以及成对氮原子所引起的很强的束缚激子发光。
现在，这类掺杂方法已成为制造GaP和GaAsP等可见光发光二极管的基本工艺。
激子是由库仑作用结合在一起的电子空穴对，其稳定性取决于温度、电场、载流子浓度等因素。
当样品温度较高时，激子谱线由于声子散射等原因而变宽，而当KbT(k是玻尔兹曼常数)值接近或大于激子电离能时,激子会因热激发而发生分解.所以,在许多半导体材料中，只有低温下才能观测到清晰的激子发光，而当温度升高后,激子谱线会展宽，激子发光强度降低，以至发生淬灭。
另外，在电场的作用下，电子和空穴分别向相反方向运动，因而当半导体处于电场作用下时，激子效应也将减弱，甚至由于电场离化而失效。
而当样品中载流子浓度很大时，由于自由电荷对库仑场的屏蔽作用，激子也可能分解。
这些影响激子稳定性的物理因素在光电器件应用中，可以作为对激子效应和相关的光学性质进行可控调制的有效手段。
但对发光和激光器件来说，特别是对一些需要在室温下大浓度注入条件工作的器件来说，将产生一些不利的影响,使激子效应的应用受到限制。
总的来说，当激子束缚能较大时,激子相对比较稳定。
如在宽禁带半导体材料(如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和氮化物)以及下面要更详细讨论的半导体量子阱等低维结构中，激子束缚能一般比较大，即使在室温下，激子束缚能也比KbT大许多，吸收光谱中能看到明显的激子吸收，激子效应不易淬灭，甚至已实现了以激
子复合效应为主的激光器件。
在一些发光二极管和特殊发光器件的实际应用中，激子发光是一种重要的发光机制，特别是在一些间接带半导体材料和低维结构半导体材料制成的发光二极管中，激子发光跃迁被证明往往起着关键性的作用。
例如用氮化物材料可制成篮绿光和紫外光发光二极管。
众所周知，氮化物及其合金中一般缺陷浓度是很大的，但发光效率却很高，原因是受到局域化的激子有很高的复合几率，使得载流子在到达非辐射复合中心之前，就通过激子复合对发光作出贡献。
人们认为，InGaN/GaN量子阱之所以发光效率很高，与InGaN中存在着组分分凝，甚至形成了量子点,激子发光得到加强有关。