экситон

эксито́н

(от лат. excito — возбуждаю), квазичастица, соответствующая электронному возбуждению, мигрирующему по кристаллу, но не связанному с переносом заряда и массы. Экситон может быть представлен в виде связанного состояния электрона проводимости и дырки, расположенных или в одном узле кристаллической решётки (экситон Френкеля), или на расстояниях, значительно больших межатомных (экситон Ванье—Мотта). Понятие экситона используется при объяснении оптических и других свойств полупроводников и диэлектриков.

* * *

ЭКСИТОН

ЭКСИТО́Н (от лат. excito — возбуждаю), квазичастица (см. КВАЗИЧАСТИЦЫ), соответствующая электронному возбуждению, мигрирующему по кристаллу, но не связанному с переносом электрического заряда и массы.
Свойства экситона в 1931 предсказал Я. И. Френкель (см. ФРЕНКЕЛЬ Яков Ильич). Он предположил и подтвердил теоретическими расчетами, что в некоторых случаях при поглощении света или тепла кристаллической решеткой происходит возбуждение электрона, но не настолько сильное, чтобы он мог полностью оторвался от иона и перейти в зону проводимости; электрон возбуждается до уровня с несколько меньшей энергией, чем ширина запрещенной зоны (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА). Это возбужденное состояние, названное экситоном, может перемещаться по кристаллу. Отсутствие фотопроводимости (см. ФОТОПРОВОДИМОСТЬ) у диэлектриков при поглощении света Я. И. Френкель объяснял тем, что поглощенная энергия расходуется не на создание носителей тока, а на образование экситонов.
Возбуждение электрона сопровождается образованием положительной дырки (см. ДЫРКА) в валентной зоне (см. ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА). Оба возбужденных носителя — электрон и дырка — оказываются связанными на одном из атомов кристалла. Атом может сохранять избыточную энергию какое-то время. Более того, атомы, образующие решетку кристалла, могут по цепочке передавать эту энергию друг другу: через некоторое время возбуждение на одном ионе исчезает за счет рекомбинации носителей, но возникает на другом ионе. Именно таким образом возбуждение (а не сами ионы) перемещается по кристаллу.
Экситоны можно трактовать и как ассоциат, состоящий из связанных возбужденных электрона и дырки. Если они находятся на одном ионе, то их именуют экситоном Френкеля.
При взаимодействии экситона с фотонами возникают новые квазичастицы — смешанные экситон-фотонные состояния, называемые поляритонами. Свойства поляритонов существенно отличаются от свойств как экситонов, так и фотонов. Поляритоны играют существенную роль в процессах переноса энергии электронного возбуждения в кристалле, они обусловливают особенности оптических спектров полупроводников.
Поскольку экситон представляет пару противоположных зарядов, то его движение не создает тока и не влияет на электропроводность кристалла.
Экситоны проявляются в оптических спектрах поглощения кристаллов в виде ряда узких линий, вызванных тем, что энергетический уровень электрона в экситоне меньше ширины запрещенной зоны и для его выброса в зону проводимости требуется дополнительная энергия. Если в элементарной ячейке молекулярного кристалла содержится несколько молекул, то межмолекулярное взаимодействие приводит к расщеплению экситонных линий.
При малых концентрациях экситоны ведут себя в кристалле подобно газу квазичастиц. При больших концентрациях они могут взаимодействовать. Возможно образование связанного состояния двух экситонов — экситонной молекулы (биэкситона). Однако, в отличие от молекулы водорода, энергия диссоциации биэкситона значительно меньше, чем его энергия связи. При повышении концентрации экситонов расстояние между ними может стать соизмеримым с их радиусом, что приведет к разрушению экситонов.