激子效应原理
第十章激子理论
§１激子概念
激子：电子空穴对的束缚态。 瓦尼尔－莫特激子: 激子的半径比晶格常数大得多时，电子空穴束缚较弱。 夫伦克耳激子：激子的半径比晶格常数大小差不多时，紧束缚的电子空穴对。
§２
瓦尼尔－莫特激子
当电子－空穴相对运动的轨道半径比晶格常数大得很多时，可假定电子与孔穴的静 电库仑势为
e2 V (re rh ) re rh
* drdr v*k (r ) ( k K ) ( r ) ( r r )vk ( r ) ( k K ) ( r )
1 exp ik R1 (k K ) R2 k R3 (k K ) R4 2 N R1R4 * * drdr av (r R1 )a (r R2 ) (r r )av (r R3 )a (r R4 )
H nm
e2 drdr (r ) s (r ) p (r ) D( Rnm ) r r Rnm
* p
§３夫伦克耳激子
•
考虑到 s 和 p的空间分布尺度小于原子间距，上式中 r r 与 Rnm 相比是 小量，可作展开
1 1 Rnm Rnm
§３夫伦克耳激子
•
当 Kd 1 时
DK 的值为
4 1 2 ( K )2 DK D( Rnm ) 3 2 Rnm Rc 3 K
§４电子－空穴互作用的多体理论
• 设单电子哈密顿量为 子间互作用势能为
h( p, r )
，它包括电子的动能和晶格周期场的位能，电
根据有效质量近似，可将电子与空穴系统的二体运动方程写为
h2 2 h2 2 e2 ( * e * h ) ( E Eg ) 2mh 2mh re rh
激子效应
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kT(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kT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.。
激子的名词解释
激子的名词解释一、引言在物理学中，我们经常会听到关于微观粒子的各种名词，如原子、电子、质子等等。
但是，在这些粒子之外，还有一类被称为"激子"的粒子，对于非专业人士来说，这个名词可能不太熟悉。
本文将对激子进行解释，并讨论其在物理学中的重要性。
二、激子的定义激子是指由电子与空穴之间的相互作用所形成的新的从属粒子。
为了更好地理解激子，我们首先需要了解电子和空穴。
电子是带有负电荷的基本粒子，它在原子中存在，参与着化学反应和电子传导等过程。
而空穴则是电子缺失而形成的，具有正电荷。
电子和空穴常常在半导体材料中生成和消失。
当电子和空穴在半导体中结合时，就会产生激子。
激子可以看作是电子-空穴对的量子态，类似于"电子-空穴偶"。
它们通过库伦相互作用在空间中结合，形成一个固有的结构。
三、激子的分类根据激子的特性，我们可以将其分为两类：束缚激子和自由激子。
束缚激子是指在半导体晶格中形成的激子，其电子和空穴被束缚于晶格中的特定位置。
束缚激子具有较小的有效质量，能量差较小，因此在光谱中表现出来的是窄线宽。
这种激子的形成条件较为特殊，需要考虑到晶格结构和材料性质等因素。
自由激子则是摆脱束缚的电子和空穴在半导体中自由移动时形成的激子。
自由激子具有更大的有效质量和较大的能量差，因此在光谱中表现为较宽的谱线。
它们的形成条件相对较为宽松，适用于各种半导体材料。
四、激子的性质激子是一种准粒子，具有一些与粒子类似的性质。
首先，激子有自己的能级结构。
电子和空穴在固定的能量范围内结合形成激子，并且不同能级的激子之间存在能级跃迁。
其次，激子还具有电荷和能量的守恒特性。
激子凭借电子和空穴的结合，具有电荷和能量的双重特性。
最后，激子与外界的相互作用也引发了广泛的研究兴趣。
例如，激子可以通过光与半导体材料发生相互作用，从而产生激子-光子相互作用效应。
这种效应在激子激光器等光学器件中得到了广泛应用。
五、激子在科学和技术中的应用激子作为一种新型粒子，对于物理学和材料科学具有重要意义。
低维材料的新奇激子效应
低维材料的新奇激子效应
低维材料（如二维材料）具有特殊的电子结构和能带特性，导致它们在光学和电子学方面表现出许多独特的性质。
激子效应是低维材料中一种引人注目的现象，它涉及电子和空穴通过库仑相互作用形成的束缚态。
以下是关于低维材料激子效应的一些新奇特性：量子限制效应：由于低维材料的纳米尺度，电子和空穴受到量子限制效应的影响，使得它们的相互作用更加显著。
强烈的库仑相互作用：低维材料中，电子和空穴之间的库仑相互作用变得更为强烈，导致激子的形成。
这种强烈的相互作用可以在光谱特性中产生明显的变化。
量子阱效应：低维结构中的电子和空穴由于受到空间限制，形成量子阱，增强了它们之间的相互作用。
这有助于激子的形成和稳定。
激子的量子调控：低维材料的激子效应可以通过外部电场、光照和温度等因素进行调控。
这种量子调控性质为光电器件和传感器等应用提供了可能性。
激子能级结构：低维材料中激子的能级结构可能因为量子限制而变得更加复杂，产生新奇的激子态。
这对于光电子学和纳米电子学的研究具有重要意义。
低维材料中激子效应的研究不仅对基础物理学有深远影响，还为新型光电子器件的设计和应用提供了潜在的创新思路。
研究人员正在努力理解和利用这些新奇的激子效应，以推动材料科学和纳米技术的发展。
激子与激子耦合效应
激子与激子耦合效应在物理学领域中，激子与激子耦合效应是一个引人注目的研究方向，它在理解和研究材料的光电特性方面具有重要意义。
激子是由电子和空穴相互作用形成的一种准粒子，具有电荷和自旋成对的特性。
而激子的耦合则是指激子之间在材料中相互作用的现象。
激子与激子耦合效应的研究涉及到激子的形成、传输和退激过程。
通过控制激子之间的耦合作用，可以改变材料的光学性质和电子输运特性，进而实现一些新的应用。
例如，通过调控激子与激子之间的相互作用强度，可以制备出具有高效率的光电转换材料，用于太阳能电池等能源领域；另外，激子与激子之间的耦合还可用于构建新型的量子器件，如激子晶格，用于量子计算和信息传输等领域。
激子与激子耦合效应的实现涉及到对材料的设计和合成。
一种常见的方法是利用某些低维结构，如纳米线和薄膜等，来调控激子的形成和传输。
通过改变纳米线的尺寸或材料的电子结构，可以调节电子和空穴之间的相互作用强度，进而影响激子的耦合效应。
此外，还可以利用表面等离激元场效应来实现对激子与激子之间相互作用的控制。
这种方法通过在材料表面引入纳米结构，如纳米孔洞和纳米颗粒等，来调控光子和激子之间的耦合，从而影响激子的形成和传输过程。
激子与激子耦合效应在实际应用中具有广泛的潜力。
例如，在光电转换领域，激子与激子之间的相互作用可以用于提高光电转换效率。
通过调控激子之间的耦合强度，可以改变激子的寿命和迁移特性，从而减少能量的损失。
此外，激子与激子之间的相互作用还可用于制备高效的发光材料，如有机发光二极管和量子点发光材料等。
通过调节激子之间的能级结构和相互作用强度，可以实现高效的电子与光子能量转换，提高发光器件的性能。
除了光电领域，激子与激子耦合效应还可以应用于量子计算和量子信息处理方面。
量子计算依赖于量子比特的耦合和调控，而激子是一种具有自旋和电荷的准粒子，具有较长的寿命和迁移长度，因此具有潜力用于构建量子比特。
通过控制激子之间的耦合强度和相互作用方式，可以实现对量子比特的编码和操作，从而实现高效的量子计算和信息处理。
激子效应 凝聚态物理
激子效应凝聚态物理
激子效应在凝聚态物理中是一个重要的概念，主要涉及电子与空穴之间的相互作用。
在固体材料中，当电子吸收足够的能量时，会从价带跃迁到导带，而在价带中会留下一个空穴。
当导带中的电子与价带中的空穴相遇时，它们会形成一个能量为带隙的束缚态，这就是激子的概念。
激子效应主要表现在以下方面：
1.光学性质：激子在光吸收和光发射过程中起着重要作用。
在光吸收过程中，激子与光子
相互作用，导致材料吸收光谱的变化。
在光发射过程中，激子可以作为光发射的媒介，产生荧光或磷光。
2.载流子输运：激子效应也影响材料的载流子输运性质。
激子可以作为散射中心，影响载
流子的迁移率，从而影响材料的电导率。
3.相变和超导：在某些材料中，激子效应可以导致相变和超导现象。
当激子浓度达到一定
值时，材料会发生相变，转变为超导态。
凝聚态物理是一门研究物质宏观性质和微观结构的科学，而激子效应是其中的一个重要研究方向。
通过研究激子效应，可以深入了解凝聚态物质的物理性质和微观机制，为新型材料的开发和应用提供理论支持。
同时，激子效应也为凝聚态物理的研究提供了新的思路和方法，促进了该领域的发展。
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研究半导体材料中的激子效应
研究半导体材料中的激子效应激子效应是固体物理学中一个重要的研究课题，特别是在半导体材料领域。
激子是一种由电子与正空穴结合而形成的束缚态，凭借其独特的物理性质，激子在半导体材料的光电子学和能量传输等方面具有广泛的应用前景。
激子效应最早由阿尔伯特·伊因斯坦在1931年提出，他研究了半导体材料中电子与正空穴之间相互作用的影响。
当光照射到半导体材料上时，光子能量被部分转移到电子带上，导致电子从价带跃迁到导带，产生自由电子和正空穴。
在晶格的电结构中，正空穴会与电子相互吸引，形成一种束缚态，即激子。
激子可以将能量转移到其他粒子中，例如，将光子能量转化为声子振动能量，从而产生声子激子。
在研究半导体材料中的激子效应时，人们通常采用光谱分析的方法。
例如，吸收光谱可以通过测量材料对入射光的吸收程度来研究激子的形成和能带结构。
束缚态激子的能量会出现在能带的带隙内，形成吸收峰。
光子能量等于激子能量时，光在材料中的传播将被吸收，因此吸收峰的位置和形状可以提供关于激子的信息。
此外，人们还可以通过激发态激子的能带结构来研究激子效应。
激发态激子通常存在于激发态半导体材料中，当光子能量高于带隙时，电子和空穴从价带和导带中跃迁到激子束缚态上。
在这种情况下，激子的能带结构将影响整个材料的光学性质，例如反射率和折射率。
因此，通过测量这些光学性质的变化，可以研究激子在半导体材料中的行为和动力学过程。
近年来，随着半导体材料的应用范围逐渐扩大，人们对激子效应的研究也变得更加深入和广泛。
例如，在太阳能电池领域，激子的形成和传输过程对于提高光电转换效率至关重要。
通过研究激子效应，人们可以优化材料结构和能带结构，从而提高太阳能电池的效率。
此外，在光电子器件中也可以利用激子的特殊性质，例如激子的长寿命和高稳定性。
尽管激子效应在半导体材料中具有广泛的应用前景，但也存在一些挑战和困难。
首先，激子的形成和传输过程一般都具有复杂的动力学行为，需要复杂的理论模型和计算方法进行描述和分析。
半导体中的激子效应
半导体中的激子效应半导体是一种非常重要的电子材料，被广泛应用于电子器件和光电器件等领域。
它的特殊性质在很大程度上取决于其中出现的激子效应。
激子是指由电子和空穴组成的粒子对，它们在半导体中发生吸收或发射光子的时候会发生某些有趣和重要的现象。
本文将探讨在半导体中的激子效应。
半导体的基本特性半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它可以在一定的条件下通过电流，也可以通过电磁波（光）来传导电信号。
半导体中的电子和空穴是它的两种基本载流子，它们的数量决定了电导率、光吸收和发射等性质。
激子的产生和存在当光子进入半导体中，它会相互作用并与电子或空穴相结合形成激子。
激子和电子空穴对不同，电子空穴对具有个体电荷和自旋，而激子不具备个体电荷和自旋。
激子的存在是由于其中电荷之间的吸引力和相互作用而形成的。
激子效应在半导体中，激子的存在引起了一系列有趣和重要的现象。
其中最明显的一种现象就是光吸收的红移现象。
当激子存在于物质中，当物质吸收光子时，吸收峰的位置会出现红移，这是因为激子并非单个电子或空穴，而是由一对电子和空穴组成，具有复合之间的结合能，因此吸收峰移动到低能量区域。
另外一个激子效应是光致发射，即利用光激励得到物质发射光子的现象。
半导体内部的激子会吸收光子，导致价带中的电子被激发到导带中，这时电子再向入射光子发射出光子。
在这个过程中，激子还是很重要的，因为部分能量被用来拉近电子和空穴的距离，这在增强光致发射的效率方面非常重要。
激子在半导体领域中的应用激子在半导体器件领域中具有重要的应用。
与传统的电子器件不同，它们是基于电子几率的而不是电荷传导的，因此扩大了器件的适用领域，特别是在低能量领域。
例如，在太阳电池、发光二极管、激光器、光伏电池、光电晶体管和传感器等设备中，应用于这些设备的合成半导体材料需要考虑激子效应。
在半导体激光器中，激子对其工作效率有影响。
由于激子需要在器件中存在一定时间，因此在稳定激子效应时，激光器的输出功率可以增加。
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激子效应原理
由于吸收光子在固体中产生的可移动的束缚的电子-空（穴）子对。
在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子。
通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半导体中；后者电子和空穴束缚在体元胞范围内，库仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中
作用
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；自由激子束缚在杂质上形成束缚激子。
激子束缚能大，说明自由激子容易和杂质结合形成发光中心。
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。
激子效应折叠编辑本段
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。
其吸收谱线能量位臵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，使缺陷中心带上电荷,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臵附近形成束缚激子.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，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kT(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kT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.
应用
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。