Vzrušující

Vzrušení v krystalu, černá: body mřížky

Excitonu ( exciton z excitace ) je vázaný pár elektron-díra v izolátoru nebo polovodiče . Jedná se tedy o elementární excitace pevné a jako fonona nebo polaronu, je kvazičásticových . Exciton se může pohybovat skrz krystal a přenášet jeho excitační energii skrz něj bez přenosu náboje, protože exciton je elektricky neutrální. Vývody mají celočíselný spin.

Při absorpci světla v polovodičích hraje hlavní roli exciton . Může to např. B. vznikají, když foton pronikne do polovodiče a stimuluje elektron k přechodu z valenčního pásma do pásma vodivosti . Elektron a opačně nabitá díra vytvořená ve valenčním pásmu se navzájem přitahují prostřednictvím Coulombovy síly . Tato situace je podobná atomu vodíku a lze ji také popsat kvantově mechanickým způsobem. Vázaný pár elektron / díra má o něco nižší energii než nevázaný stav. Avšak vazebná energie je obvykle mnohem menší a prostorová expanze mnohem větší než u atomu vodíku, protože Coulombova interakce mezi elektronem a dírou je částečně stíněna („ screening “).

V závislosti na jejich vlastnostech se rozlišuje mezi hraničními případy Wannierových a Frenkelových excitonů se známými přechodnými stavy.

Motty Wannierovy excitony

Mott-Wannierovy excitony (podle Nevilla Francise Motta a Gregoryho Hugha Wanniera ) fenomenologicky popisují omezující případ velkých vzdáleností. Elektron a díra, popsané efektivními hmotami , obíhají kolem sebe. Vliv okolní pevné látky se bere v úvahu v aproximaci kontinua pomocí efektivní dielektrické konstanty .

Energie E Wannierova excitonu v polovodiči je přibližně dána analogicky k atomu vodíku

${\ displaystyle {\ begin {matrix} E & = & E _ {\ mathrm {g}} & - & \ displaystyle E_ {R} \ cdot {\ frac {\ mu ^ {*}} {\ mu _ {H}}} \ cdot {\ frac {1} {\ varepsilon _ {\ mathrm {r}} ^ {2}}} & + & E _ {\ mathrm {kin}} \\ & = & E _ {\ mathrm {g}} & - & \ displaystyle {\ frac {1} {2}} {\ frac {\ mu ^ {*} e ^ {4}} {(4n \ pi \ varepsilon _ {0}) ^ {2} \ varepsilon _ {\ mathrm {r}} ^ {2} \ hbar ^ {2}}} & + & \ displaystyle {\ frac {\ hbar ^ {2} {\ vec {k}} ^ {2}} {2 (m_ {e} ^ {*} + m_ {h} ^ {*})}} \ end {matrix}}}$

S

${\ displaystyle E}$	Celková energie excitonu
${\ displaystyle E _ {\ mathrm {g}}}$	Mezera pásma polovodiče
${\ displaystyle E_ {R}}$	Rydbergova energie ≈ 13,6  eV
${\ displaystyle E _ {\ mathrm {kin}}}$	Kinetická energie excitonu
${\ displaystyle \ mu ^ {*}}$	Efektivní snížená hmotnost systému elektronových děr
${\ displaystyle \ mu _ {H}}$	Snížená hmotnost atomu vodíku (≈ hmotnost elektronu )
${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ mathrm {r}}}$	relativní efektivní dielektrická konstanta polovodiče
${\ displaystyle e}$	Elementární náboj
${\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}$	Dielektrické konstantní vakuum
${\ displaystyle \ hbar}$	snížil Planckovo kvantum akce
${\ displaystyle {\ vec {k}}}$	Vlnový vektor excitonu
${\ displaystyle m_ {e, h} ^ {*}}$	Efektivní hmotnost elektronu nebo díry.

Střední termín, zde negativní, se často označuje jako energie vázající exciton

Frenkelovy excitony

Frenkelovy excitony, pojmenované podle Jakowa Iljitsche Frenkela , popisují reverzní aproximaci, ve které jsou elektron a díra lokalizovány v mřížce. Energii interakce lze potom v zásadě považovat za překrytí nábojových mraků (popsané vlnovými funkcemi elektronu a díry).

Frenkelov exciton se pozoruje, když materiál, ve kterém byl excitován, má vysokou energii vázající exciton. Zejména čistě tepelná excitace již nestačí při pokojové teplotě k oddělení ( disociaci ) elektronu a díry od sebe navzájem . V nálevce hlubokého vzájemného potenciálu jsou elektron a díra udržovány v malé vzdálenosti (řádově 1  nm ) od sebe navzájem. Bylo popsáno pravidlo pro organické polovodiče, a je proto důležité pro jejich popis. Typické jsou zde vazebné energie excitace řádově 1 eV.

Přenos energie během fotosyntézy a v organických solárních článcích

Energický přenosu exciton také hraje důležitou roli v anténních komplexů v photosystems rostlin. Anténní pigmenty fotosystémů se uvedou do excitovaného stavu absorpcí světla. Energie se přenáší na sousední pigmenty bez záření ( Försterův rezonanční přenos energie ). Teprve když je pigmentový dimer v reakčním centru uveden do excitovaného stavu přenosem excitonů, dojde k elektronovému přenosu . Jedna z molekul „ speciálního páru “ uvolňuje elektron, který je nahrazen elektronem z fotolýzy vody.

Také v organických solárních článcích se musí excitony rozdělovat, aby se uvolnila energie. To bude u. A. dosaženo pomocí heterojunkce .

literatura

• Harald Ibach , Hans Lüth: Fyzika pevných látek. 2009, ISBN 978-3-540-85794-5 .