Экситоны

Попробуем рассмотреть ситуацию образования электронной дырки в некотором полупроводнике. Поскольку речь идет о полупроводнике, в зоне проводимости в нормальном состоянии практически нет электронов - все они сосредоточены в валентной зоне. Однако если электрон, находящийся в валентной зоне, получает порцию энергии извне, он может перейти в зону проводимости. Необходимая энергия может быть получены самыми различными способами: в виде света, тепла, электричества, магнетизма или механически. В любом случае электрон уходит в зону проводимости, оставив на своем месте положительно заряженную дырку. Дырка и электрон имеют разные по знаку электрические заряды, поэтому они притягиваются друг к другу. Дальнейшая их судьба имеет три варианта. Во-первых, силы притяжения между дыркой и электроном могут вернуть "беглеца" на место. Этот процесс называется аннигиляцией дырки и электрона. Он происходит очень часто и никакого интереса для нас не представляет. Скорее всего, если все произойдет быстро, мы даже не сможем заметить образования дырки - она аннигилирует с породившим ее электроном до того, как мы сумеем что-либо зафиксировать. Если электрон имеет большую энергию, он оторвется от дырки достаточно далеко, чтобы силы притяжения перестали на него действовать. В этом случае электрон и дырка становятся свободными, по крайне мере, на то время, которое требуется, чтобы они оказались на близком расстоянии от другой дырки или электрона. Этот процесс очень важен технологически: именно так происходит перенос электрического заряда в полупроводниках, именно так работают все электронные приборы.

Однако возможен еще один вариант, промежуточный. Электрон отрывается от дырки, но на такое расстояние, что силы притяжения между ними еще действуют. Полученная электроном извне энергия, выбросившая его из основного состояния, не позволяет ему вернуться, а притяжение к дырке не позволяет оторваться до свободного состояния. До тех пор, пока электрон не избавится тем или иным способом от избытка энергии, он "застревает" в метастабильном состоянии, в котором он связан с дыркой. Обычно такое метастабильное состояние способно существовать не более 10^-5 - 10^-7 секунды. Однако этот крохотный промежуток времени в тысячи раз длиннее, чем время протекания многих важных процессов, связанных с поглощением, излучением и передачей энергии в твердом теле. Поэтому существуют все основания считать такую связанную пару "электрон - дырка" квазичастицей. У нее даже есть собственное имя - экситон (дословно "возбужденная частица"). И жизнь у экситона хоть и недолгая, но яркая. Именно экситоны несут основную ответственность за практически все оптические процессы, происходящие в полупроводниках. На обычном житейском уровне к таким процессам можно отнести (с некоторой натяжкой), разве что, матовый цвет известки или глины. Но в современных электронных приборах экситонные эффекты куда важнее. Именно к ним относятся, например, мягкий свет светодиодов (LEDов) в малюсеньких индикаторных лампочках или в большом электронном будильнике, стоящем на моем столе. Экситонные эффекты обеспечивают работу диодных лазеров. Без этих эффектов у нас не было бы CD и DVD-дисков, ручных сканеров в магазине, которые считывают штрих-код, современных оптоволоконных телефонных линий, интернета на DSL.

Когда началось системное изучение наноструктур, оказалось, что наноразмерные полупроводники характеризуются значительным эффектом стабилизации экситонов. Этот эффект объясняется достаточно просто: размеры экситона (то есть расстояние, на котором стабилизируется пара электрон-дырка), скажем, для кристалла PbS - 2 нм, PbSe - 4.6 нм, CdS - 0.6 нм. Если размеры кристаллика приблизительно соответствуют размерам экситона, то электрону попросту некуда бежать от дырки, потому что выход за пределы твердого тела требует значительно большей энергии, чем просто путешествие по зоне проводимости. У обычного электрона в полупроводнике нет такого запаса энергии, поэтому он вынужден остаться в пределах экситонного радиуса.

Ну и что? Ну, как сказать. Например, увеличение времени жизни экситона всего в десять раз легко может обернуться увеличением удельной мощности лазера раз так в тысячу. А это уже - совсем другая технология, которую трудно даже представить в деталях с точки зрения нашего сегодняшнего знания.