固体晶格中的激子和激子谱

2023-06-02 15:00:22 业界科普

激子是半导体材料中束缚的电子-空穴对,是固体中的一种基本的元激发,由库仑力作用互相束缚着的电子-空穴对。 具体来讲,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。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。

激子对于描述半导体的光学特性有重要意义,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。 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。 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。

在二维半导体材料的吸收谱中无法观测到与带边吸收直接对于的台阶吸收边,很难直接求出二维材料的实际带隙和激子束缚能。 一个变通的方法是用里德伯模型对高阶激子激发态进行拟合,外推得到激子束缚能,结合基态激子能量位置可以定出激子束缚能和实际带隙。 高阶激发态的位置可以由吸收谱、PL激发光谱和双光子PL激发光谱等方法获得。 实际能隙的位置还可以通过双光子PL激发谱中对线性增加区域获得。

值得注意的是二维半导体的激子能级不同于三维半导体,它不严格满足类氢原子的里德伯模型。 在三维半导体中,无论是基态的激子还是处于激发态的激子所面临的介电屏蔽都是一致的,而在二维半导体中情况就不一样了。对于处于基态的激子,电子-空穴间距较小,处于激发态的激子,电子-空穴间距较大。不同间距大小对应的介电屏蔽是不同的,在里德伯模型中的有效介电常数是需要做相应的调整,而不能所有的态都采用一个值。 对于高阶激发态,由于电子-空穴间距足够大,介电屏蔽趋于一致,可以采用单一的有效介电常数,因此高阶激子激发态比较符合里德伯模型。

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