الإثارة

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 28 صور
الموسوعة الحرة
إكسيتون فرينكل، زوج إلكترون-فجوة مرتبط حيث تتمركز الفجوة في موضع في البلورة ممثل بنقاط سوداء
إكسيتون وانير-موت، وهو زوج إلكترون-فجوة مرتبط غير متمركز في موقع بلوري. يوضح هذا الشكل تخطيطيًا انتشار الإكسيتون عبر الشبكة البلورية.

الإكسيتون هو حالة ارتباط بين إلكترون وفجوة إلكترونية ، ينجذبان إلى بعضهما البعض بفعل قوة كولوم الكهروستاتيكية الناتجة عن شحناتهما المتعاكسة. وهو جسيم شبه متعادل كهربائيًا ، يُعتبر إثارة أولية، يوجد بشكل أساسي في المواد المكثفة ، مثل العوازل وأشباه الموصلات وبعض المعادن وبعض السوائل. ينقل الإكسيتون الطاقة دون أن ينقل شحنة كهربائية صافية . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

يتشكل الإكسيتون عندما ينتقل إلكترون من نطاق التكافؤ في البلورة إلى نطاق التوصيل ، كما يحدث عند امتصاص المادة لفوتون. يؤدي انتقال الإلكترون إلى نطاق التوصيل إلى ترك فجوة موجبة الشحنة في نطاق التكافؤ. تمثل "الفجوة" هنا حالة الإلكترون الكمومي غير المشغولة ذات الشحنة الموجبة، وهي نظير البوزيترون في البلورة . وبسبب قوة كولوم الجاذبة بين الإلكترون والفجوة، تتشكل حالة ارتباط، شبيهة بحالة الإلكترون والبروتون في ذرة الهيدروجين أو الإلكترون والبوزيترون في البوزيترونيوم . تُعد الإكسيتونات بوزونات مركبة لأنها تتكون من فرميونين هما الإلكترون والفجوة.

الأحداث

غالباً ما يتم التعامل مع الإكسيتونات في حالتين حديتين، وهما الإكسيتونات ذات نصف القطر الصغير، والتي تسمى إكسيتون فرينكل ، والإكسيتونات ذات نصف القطر الكبير، والتي تسمى غالباً إكسيتونات وانير-موت .

ينشأ إكسيتون فرينكل عندما تقتصر المسافة بين الإلكترون والفجوة على خلية وحدة واحدة أو بضع خلايا مجاورة فقط. وتوجد إكسيتونات فرينكل عادةً في العوازل وأشباه الموصلات العضوية ذات نطاقات الطاقة المسموحة الضيقة نسبيًا، وبالتالي ذات كتلة فعالة كبيرة نسبيًا .

في حالة إكسيتونات وانير-موت، تغطي الحركة النسبية للإلكترون والفجوة في البلورة العديد من الخلايا الأولية. تُعتبر إكسيتونات وانير-موت جسيمات شبهية شبيهة بالهيدروجين. يُقال إن دالة الموجة للحالة المرتبطة هيدروجينية ، مما ينتج عنه سلسلة من حالات الطاقة قياسًا على ذرة الهيدروجين . بالمقارنة مع ذرة الهيدروجين، تكون طاقة ربط الإكسيتون في البلورة أصغر بكثير، وحجم الإكسيتون (نصف قطره) أكبر بكثير. ويعود ذلك أساسًا إلى تأثيرين: (أ) حجب قوى كولوم في البلورة، وهو ما يُعبر عنه بنفاذية نسبية εr أكبر بكثير من 1 ، و(ب) الكتلة الفعالة للإلكترون والفجوة في البلورة أصغر عادةً مقارنةً بكتلة الإلكترونات الحرة. توجد إكسيتونات وانير-موت ذات طاقات ربط تتراوح من بضعة إلى مئات من الميلي إلكترون فولت ، اعتمادًا على البلورة، في العديد من أشباه الموصلات بما في ذلك Cu2O و GaAs وأشباه الموصلات الأخرى من النوع III-V وII-VI وثنائي الكالكوجينيدات المعدنية الانتقالية مثل MoS2 .

تُنتج الإكسيتونات خطوطًا طيفية ضيقة في أطياف الامتصاص والانعكاس والنفاذية والتألق الضوئي، وتكون طاقاتها أقل من فجوة النطاق للجسيمات الحرة في العوازل أو أشباه الموصلات. ويمكن استخلاص طاقة ربط الإكسيتون ونصف قطره من قياسات الامتصاص الضوئي في المجالات المغناطيسية المطبقة. [ 6 ]

يُوصَف الإكسيتون، باعتباره جسيمًا شبهيًا، بالزخم (أو متجه الموجة K ) الذي يصف الانتشار الحر لزوج الإلكترون-الفجوة كجسيم مركب في الشبكة البلورية، بما يتوافق مع نظرية بلوخ . تعتمد طاقة الإكسيتون على K ، وتكون عادةً مكافئة للقطع المكافئ عندما تكون متجهات الموجة أصغر بكثير من متجه الشبكة المقلوبة للشبكة المضيفة. كما تعتمد طاقة الإكسيتون على اتجاه دوران الإلكترون والفجوة، سواء كانا متوازيين أو متعاكسين. يرتبط الدورانان بتفاعل التبادل ، مما يُؤدي إلى ظهور البنية الدقيقة لطاقة الإكسيتون .

في المعادن وأشباه الموصلات عالية التشويب، يُستخدم مفهوم إكسيتون جيرالد ماهان، حيث يرتبط الثقب في نطاق التكافؤ ببحر فيرمي من إلكترونات التوصيل. في هذه الحالة، لا تتشكل حالة مقيدة بالمعنى الدقيق، ولكن تفاعل كولوم يؤدي إلى تعزيز كبير للامتصاص بالقرب من حافة الامتصاص الأساسية، والمعروفة أيضًا باسم تفرد ماهان أو حافة فيرمي.

تاريخ

طُرح مفهوم الإكسيتونات لأول مرة من قِبل ياكوف فرينكل عام 1931، [ 7 ] عندما وصف إثارة الشبكة الذرية آخذًا في الاعتبار ما يُعرف الآن بوصف الربط المحكم لبنية النطاق . في نموذجه، يقع الإلكترون والفجوة المرتبطان بتفاعل كولوم إما في نفس الموقع أو في أقرب المواقع المجاورة للشبكة، لكن الإكسيتون، باعتباره جسيمًا شبه مركب، قادر على الانتقال عبر الشبكة دون أي انتقال صافٍ للشحنة، مما أدى إلى العديد من المقترحات للأجهزة الكهروضوئية .

الأنواع

إكسيتون فرينكل

في المواد ذات ثابت العزل الكهربائي المنخفض نسبيًا ، قد يكون تفاعل كولوم بين الإلكترون والفجوة قويًا، وبالتالي تميل الإكسيتونات إلى أن تكون صغيرة، من نفس رتبة حجم وحدة الخلية. قد تتواجد الإكسيتونات الجزيئية بالكامل على نفس الجزيء، كما هو الحال في الفوليرين . يتميز إكسيتون فرينكل ، المسمى نسبةً إلى ياكوف فرينكل ، بطاقة ربط نموذجية تتراوح بين 0.1 و1 إلكترون فولت . توجد إكسيتونات فرينكل عادةً في بلورات هاليدات القلويات وفي البلورات الجزيئية العضوية المكونة من جزيئات عطرية، مثل الأنثراسين والتتراسين . ومن الأمثلة الأخرى على إكسيتونات فرينكل إثارات d - d الموضعية في مركبات المعادن الانتقالية ذات أغلفة d غير مكتملة . في حين أن انتقالات d - d ممنوعة من حيث المبدأ بسبب التناظر، إلا أنها تصبح مسموحة بشكل ضعيف في البلورة عندما ينكسر التناظر نتيجةً للاسترخاءات الهيكلية أو تأثيرات أخرى. يؤدي امتصاص الفوتون الرنان مع انتقال d - d إلى تكوين زوج إلكترون-فجوة في موقع ذري واحد، والذي يمكن التعامل معه على أنه إكسيتون فرينكل.

إكسيتون وانير-موت

في أشباه الموصلات، يكون ثابت العزل الكهربائي كبيرًا عمومًا. ونتيجةً لذلك، يميل حجب المجال الكهربائي إلى تقليل تفاعل كولوم بين الإلكترونات والفجوات. وينتج عن ذلك إكسيتون وانير-موت [ 8 ] ، الذي يكون نصف قطره أكبر من المسافة بين ذرات الشبكة البلورية. كما أن الكتلة الفعالة الصغيرة للإلكترونات، وهي سمة مميزة لأشباه الموصلات، تُفضّل أيضًا أنصاف أقطار كبيرة للإكسيتون. وبالتالي، يمكن دمج تأثير جهد الشبكة البلورية في الكتل الفعالة للإلكترون والفجوة. وبالمثل، نظرًا لانخفاض الكتل وحجب تفاعل كولوم، تكون طاقة الربط عادةً أقل بكثير من طاقة ربط ذرة الهيدروجين، وعادةً ما تكون في حدود 0.01 إلكترون فولت . سُمّي هذا النوع من الإكسيتونات نسبةً إلى غريغوري وانير ونيفيل فرانسيس موت . توجد إكسيتونات وانير-موت عادةً في بلورات أشباه الموصلات ذات فجوات الطاقة الصغيرة وثوابت العزل الكهربائي العالية، ولكن تم تحديدها أيضًا في السوائل، مثل الزينون السائل . وتُعرف أيضاً باسم الإكسيتونات الكبيرة .

في الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار ، تمتلك الإكسيتونات خصائص كلٍ من وانير-موت وفرينكل. ويعود ذلك إلى طبيعة تفاعل كولوم بين الإلكترونات والفجوات في بُعد واحد. تكون دالة العزل الكهربائي للأنبوب النانوي نفسه كبيرة بما يكفي للسماح بامتداد الدالة الموجية مكانيًا على مسافة تتراوح من بضعة نانومترات إلى عدة نانومترات على طول محور الأنبوب، بينما يسمح ضعف الحجب في الفراغ أو البيئة العازلة خارج الأنبوب النانوي بطاقات ربط كبيرة (من 0.4 إلى 1.0 إلكترون فولت ).

في كثير من الأحيان، يمكن اختيار أكثر من نطاق كمصدر للإلكترون والفجوة، مما يؤدي إلى أنواع مختلفة من الإكسيتونات في المادة نفسها. حتى النطاقات ذات الطاقة العالية يمكن أن تكون فعّالة، كما أظهرت تجارب الفوتونين في نطاق الفيمتوثانية . عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا، يمكن ملاحظة العديد من مستويات الإكسيتون الأعلى وهي تقترب من حافة النطاق، [ 9 ] مُشكّلةً سلسلة من خطوط الامتصاص الطيفي التي تُشبه من حيث المبدأ سلسلة طيف الهيدروجين .

أشباه الموصلات ثلاثية الأبعاد

في أشباه الموصلات الصلبة، يمتلك إكسيتون وانير طاقة ونصف قطر مرتبطين به، يُطلق عليهما طاقة ريدبيرغ للإكسيتون ونصف قطر بور للإكسيتون على التوالي. [ 10 ] بالنسبة للطاقة، لدينا

هـ(ن)=-(μم0εر2سكة حديد)ن2≡-RXن2{\displaystyle E(n)=-{\frac {\left({\frac {\mu }{m_{0}\varepsilon _{r}^{2}}}{\text{Ry}}\right)}{n^{2}}}\equiv -{\frac {R_{\text{X}}}{n^{2}}}}

أينسكة حديد{\displaystyle {\text{Ry}}}هي وحدة ريدبيرغ للطاقة (انظر ثابت ريدبيرغ )،εر{\displaystyle \varepsilon _{r}}هي السماحية النسبية (الثابتة)،μ=(مهـ*مح*)/(مهـ*+مح*){\displaystyle \mu =(m_{e}^{*}m_{h}^{*})/(m_{e}^{*}+m_{h}^{*})}هي الكتلة المختزلة للإلكترون والفجوة، وم0{\displaystyle m_{0}}كتلة الإلكترون. أما بالنسبة لنصف القطر، فلدينا

رن=(م0εرأحμ)ن2≡أXن2{\displaystyle r_{n}=\left({\frac {m_{0}\varepsilon _{r}a_{\text{H}}}{\mu }}\right)n^{2}\equiv a_{\text{X}}n^{2}}

أينأح{\displaystyle a_{\text{H}}}هو نصف قطر بور .

على سبيل المثال، في GaAs ، لدينا سماحية نسبية تبلغ 12.8 وكتل فعالة للإلكترون والفجوة تبلغ 0.067 m₀ و 0.2 m₀ على التوالي؛ وهذا يعطيناRX=4.2{\displaystyle R_{\text{X}}=4.2}ملي إلكترون فولت وأX=13{\displaystyle a_{\text{X}}=13}نانومتر.

أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد

في المواد ثنائية الأبعاد ، يكون النظام محصورًا كميًا في الاتجاه العمودي على مستوى المادة. ويؤثر انخفاض أبعاد النظام على طاقات الربط ونصف قطر إكسيتونات وانير. في الواقع، تتعزز تأثيرات الإكسيتونات في هذه الأنظمة. [ 11 ]

بالنسبة لجهد كولوم المحجوب البسيط، تأخذ طاقات الربط شكل ذرة الهيدروجين ثنائية الأبعاد [ 12 ]

هـ(ن)=-RX(ن-12)2{\displaystyle E(n)=-{\frac {R_{\text{X}}}{\left(n-{\tfrac {1}{2}}\right)^{2}}}}.

في معظم أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد، يعتبر شكل Rytova–Keldysh تقريبًا أكثر دقة لتفاعل الإكسيتون [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

V(ر)=-هـ28ϵ0ر0[ح0(κرر0)-Y0(κرر0)].{\displaystyle V(r)=-{\frac {e^{2}}{8\epsilon _{0}r_{0}}}\left[{\text{H}}_{0}\left({\frac {\kappa r}{r_{0}}}\right)-Y_{0}\left({\frac {\kappa r}{r_{0}}}\right)\right].}

أينر0{\displaystyle r_{0}}وهي ما يسمى بطول الفحص،ϵ0{\displaystyle \epsilon _{0}}هي سماحية الفراغ ،هـ{\displaystyle e}هي الشحنة الأولية ،κ{\displaystyle \kappa }متوسط ​​السماحية النسبية للوسط المحيط، ور{\displaystyle r}نصف قطر الإكسيتون. بالنسبة لهذا الجهد، لا يمكن إيجاد تعبير عام لطاقات الإكسيتون. لذا، يجب اللجوء إلى الإجراءات العددية، وهذا الجهد تحديدًا هو الذي يُنتج متسلسلة ريدبيرغ غير الهيدروجينية للطاقات في أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد. [ 11 ]

مثال: الإكسيتونات في ثنائي الكالكوجينيدات المعدنية الانتقالية (TMDs)

تُعدّ الطبقات الأحادية من ثنائي الكالكوجينيدات للمعادن الانتقالية (TMD) مثالًا جيدًا ومتطورًا حيث تلعب الإكسيتونات دورًا رئيسيًا. على وجه الخصوص، تُظهر هذه الأنظمة طاقة ربط تبلغ حوالي 0.5 إلكترون فولت [ 3 ] مع تجاذب كولوم بين الثقوب والإلكترونات أقوى مما هو عليه في الآبار الكمومية التقليدية الأخرى. ونتيجة لذلك، تظهر قمم الإكسيتونات الضوئية في هذه المواد حتى في درجات حرارة الغرفة. [ 3 ]

أشباه الموصلات ذات البعد الصفري

في الجسيمات النانوية التي تظهر تأثيرات الحصر الكمي وبالتالي تتصرف كنقاط كمومية (تسمى أيضًا أشباه الموصلات ذات الأبعاد الصفرية)، يتم إعطاء أنصاف أقطار الإكسيتون بواسطة [ 16 ] [ 17 ]

أX=εرμ/م0أ0{\displaystyle a_{\text{X}}={\frac {\varepsilon _{r}}{\mu /m_{0}}}a_{0}}

أينεر{\displaystyle \varepsilon _{r}}هي السماحية النسبية ،μ≡(مهـ*مح*)/(مهـ*+مح*){\displaystyle \mu \equiv (m_{e}^{*}m_{h}^{*})/(m_{e}^{*}+m_{h}^{*})}هي الكتلة المختزلة لنظام الإلكترون-الفجوة،م0{\displaystyle m_{0}}كتلة الإلكترون، وأ0{\displaystyle a_{0}}هو نصف قطر بور .

هوبارد إكسيتون

ترتبط إكسيتونات هوبارد بالإلكترونات ليس عن طريق تفاعل كولوم ، بل عن طريق قوة مغناطيسية . وقد اشتق اسمها من اسم الفيزيائي الإنجليزي جون هوبارد .

تم رصد إكسيتونات هوبارد لأول مرة في عام 2023 من خلال مطيافية المجال الزمني تيراهيرتز . وقد تم الحصول على هذه الجسيمات عن طريق تسليط ضوء على عازل مضاد للمغناطيسية من نوع موت . [ 18 ]

إكسيتون نقل الشحنة

يُعدّ إكسيتون نقل الشحنة (CT) حالةً وسيطةً بين إكسيتونات فرنكل ووانييه . في الفيزياء الجزيئية، تتشكّل إكسيتونات نقل الشحنة عندما يشغل الإلكترون والفجوة جزيئات متجاورة. [ 19 ] وتوجد هذه الإكسيتونات بشكل أساسي في البلورات العضوية والجزيئية؛ [ 20 ] وفي هذه الحالة، وعلى عكس إكسيتونات فرنكل ووانييه، تُظهر إكسيتونات نقل الشحنة عزم ثنائي قطب كهربائي ساكن . كما يمكن أن توجد إكسيتونات نقل الشحنة في أكاسيد المعادن الانتقالية، حيث تتضمن إلكترونًا في مدارات 3d للمعادن الانتقالية وفجوة في مدارات 2p للأكسجين . ومن الأمثلة البارزة على ذلك إكسيتونات الطاقة الأدنى في الكوبرات المترابطة [ 21 ] أو الإكسيتون ثنائي الأبعاد في ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ) . [ 22 ] وبغض النظر عن المنشأ، يرتبط مفهوم إكسيتون نقل الشحنة دائمًا بانتقال الشحنة من موقع ذري إلى آخر، مما يؤدي إلى انتشار دالة الموجة على عدد قليل من مواقع الشبكة البلورية.

إكسيتون السطح

على الأسطح، من الممكن أن تحدث ما يسمى بحالات الصورة ، حيث يكون الثقب داخل المادة الصلبة والإلكترون في الفراغ. لا يمكن لأزواج الإلكترون-ثقب هذه أن تتحرك إلا على طول السطح.

إكسيتون مظلم

الإكسيتونات المظلمة هي تلك التي لا يمكن إثارتها مباشرةً بالضوء. وهناك عدة أسباب لـ"ظلام" الإكسيتونات. [ 23 ] أحدها هو الحالة التي يكون فيها للإلكترونات زخم مختلف عن الفجوات المرتبطة بها، أي أنها في حالة انتقال محظور ضوئيًا يمنعها من امتصاص الفوتونات، وبالتالي تحتاج إلى تشتت الفونونات للوصول إلى حالتها . وقد يفوق عددها عدد الإكسيتونات المضيئة العادية المتكونة بالامتصاص وحده. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] أُجري أول قياس مباشر لديناميكيات الإكسيتونات المظلمة ذات الزخم المحظور باستخدام الانبعاث الضوئي المُحلل زمنيًا من طبقة أحادية من WS₂ . [ 27 ] يُمكّن مخططٌ طوره باحثون في جامعة إنسبروك من التحكم البصري الكامل في الإكسيتونات المظلمة دون الاعتماد على أي اضمحلالات سابقة. [ 28 ]

الإكسيتونات الذرية والجزيئية

بدلاً من ذلك، يمكن وصف الإكسيتون بأنه حالة مثارة لذرة أو أيون أو جزيء، إذا كان الإثارة تنتقل من خلية واحدة من الشبكة إلى أخرى.

عندما يمتص جزيء كمية من الطاقة تُقابل انتقالًا من مدار جزيئي إلى آخر، تُوصف الحالة الإلكترونية المثارة الناتجة بأنها إكسيتون. يُقال إن الإلكترون موجود في أدنى مدار غير مشغول ، بينما توجد فجوة إلكترونية في أعلى مدار جزيئي مشغول . ولأنهما موجودان ضمن نفس مجموعة المدارات الجزيئية، تُوصف حالة الإلكترون-الفجوة بأنها مُرتبطة. تتميز الإكسيتونات الجزيئية عادةً بعمر افتراضي في حدود النانوثانية ، وبعدها تعود الحالة الإلكترونية إلى حالتها الأرضية، ويصدر الجزيء فوتونًا أو فونونًا . للإكسيتونات الجزيئية عدة خصائص مثيرة للاهتمام، منها نقل الطاقة (انظر نقل طاقة رنين فورستر )، حيث إذا كان للإكسيتون الجزيئي تطابق طاقي مناسب مع الامتصاص الطيفي لجزيء آخر، فإنه قد ينتقل ( يقفز ) من جزيء إلى آخر. تعتمد هذه العملية بشدة على المسافة بين الجزيئات في المحلول، ولذلك وُجدت تطبيقات لها في الاستشعار والقياسات الجزيئية .

تتميز الإكسيتونات الجزيئية في البلورات الجزيئية العضوية بوجود ثنائيات و/أو ثلاثيات من نطاقات امتصاص الإكسيتون، مستقطبة بشدة على طول المحاور البلورية. في هذه البلورات، تحتوي الخلية الأولية على عدة جزيئات تشغل مواقع متماثلة، مما يؤدي إلى انحلال مستويات الطاقة الذي يُزال بفعل التفاعل بين الجزيئات. ونتيجة لذلك، تستقطب نطاقات الامتصاص على طول محاور التناظر للبلورة. وقد اكتشفت أنطونينا بريخوتكو هذه المضاعفات [ 29 ] [ 30 ] ، واقترح ألكسندر دافيدوف نشأتها، والمعروفة باسم "انقسام دافيدوف" [ 31 ] [ 32 ] .

قوة التذبذب العملاقة للإكسيتونات المقيدة

الإكسيتونات هي أدنى حالات الإثارة في النظام الإلكتروني للبلورات النقية. يمكن للشوائب أن ترتبط بالإكسيتونات، وعندما تكون حالة الارتباط سطحية، تكون قوة التذبذب اللازمة لإنتاج الإكسيتونات المرتبطة عالية جدًا لدرجة أن امتصاص الشوائب يمكن أن ينافس امتصاص الإكسيتونات الذاتية حتى عند تركيزات منخفضة نسبيًا من الشوائب. هذه الظاهرة عامة وتنطبق على كل من الإكسيتونات ذات نصف القطر الكبير (وانير-موت) والإكسيتونات الجزيئية (فرانكل). لذا، تمتلك الإكسيتونات المرتبطة بالشوائب والعيوب قوة تذبذب هائلة . [ 33 ]

الاحتجاز الذاتي للإكسيتونات

في البلورات، تتفاعل الإكسيتونات مع الفونونات، وهي اهتزازات الشبكة البلورية. إذا كان هذا التفاعل ضعيفًا، كما هو الحال في أشباه الموصلات النموذجية مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أو السيليكون (Si)، فإن الإكسيتونات تتشتت بفعل الفونونات. أما عندما يكون التفاعل قويًا، فقد تُحصر الإكسيتونات ذاتيًا. [ 34 ] [ 35 ] ينتج عن الحصر الذاتي تغليف الإكسيتونات بسحابة كثيفة من الفونونات الافتراضية، مما يحدّ بشدة من قدرتها على الحركة عبر البلورة. بعبارة أبسط، يعني هذا تشوهًا موضعيًا في الشبكة البلورية حول الإكسيتون. لا يمكن تحقيق الحصر الذاتي إلا إذا كانت طاقة هذا التشوه قادرة على منافسة عرض نطاق الإكسيتون. لذا، يجب أن يكون هذا التشوه على المستوى الذري، أي حوالي إلكترون فولت.

يُشبه احتجاز الإكسيتونات ذاتيًا تكوين البولارونات ذات الاقتران القوي ، لكن مع ثلاثة اختلافات جوهرية. أولًا، تتميز حالات الإكسيتونات المحتجزة ذاتيًا بصغر نصف قطرها، من رتبة ثابت الشبكة، نظرًا لحيادها الكهربائي. ثانيًا، يوجد حاجز احتجاز ذاتي يفصل بين الحالات الحرة والمحتجزة ذاتيًا، ولذلك، تكون الإكسيتونات الحرة شبه مستقرة. ثالثًا، يُتيح هذا الحاجز تعايش حالات الإكسيتونات الحرة والمحتجزة ذاتيًا. [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] وهذا يعني إمكانية رؤية الخطوط الطيفية للإكسيتونات الحرة والنطاقات العريضة للإكسيتونات المحتجزة ذاتيًا في أطياف الامتصاص والتألق في آنٍ واحد. في حين أن الحالات المحتجزة ذاتيًا تكون على نطاق تباعد الشبكة، فإن الحاجز عادةً ما يكون على نطاق أكبر بكثير. في الواقع، يبلغ نطاقه المكاني حواليرب∼مγ2/ω2{\displaystyle r_{b}\sim m\gamma ^{2}/\omega ^{2}}أينم{\displaystyle m}الكتلة الفعالة للإكسيتون،γ{\displaystyle \gamma }هو ثابت اقتران الإكسيتون-الفونون، وω{\displaystyle \omega }هي التردد المميز للفونونات الضوئية. تكون الإكسيتونات محصورة ذاتيًا عندمام{\displaystyle m}وγ{\displaystyle \gamma }تكون كبيرة، وبالتالي يكون الحجم المكاني للحاجز كبيرًا مقارنةً بتباعد الشبكة. ويحدث تحويل حالة الإكسيتون الحر إلى حالة محصورة ذاتيًا كعملية نفق جماعي لنظام الإكسيتون-الشبكة المترابط (اللحظة ) .رب{\displaystyle r_{b}}إذا كان حجم النفق كبيرًا، فيمكن وصفه بنظرية الاستمرارية. [ 39 ] ارتفاع الحاجزدبليو∼ω4/م3γ4{\displaystyle W\sim \omega ^{4}/m^{3}\gamma ^{4}}لأن كلاهمام{\displaystyle m}وγ{\displaystyle \gamma }تظهر في مقامدبليو{\displaystyle W}تكون الحواجز منخفضة أساسًا. لذلك، لا يمكن رؤية الإكسيتونات الحرة في البلورات ذات اقتران الإكسيتون-الفونون القوي إلا في العينات النقية وعند درجات حرارة منخفضة. وقد لوحظ تعايش الإكسيتونات الحرة والمحصورة ذاتيًا في المواد الصلبة للغازات النادرة، [ 40 ] [ 41 ] وهاليدات القلويات، [ 42 ] وفي البلورة الجزيئية للبيرين. [ 43 ]

تفاعل

تعتبر الإكسيتونات الآلية الرئيسية لانبعاث الضوء في أشباه الموصلات عند درجات الحرارة المنخفضة (عندما تكون الطاقة الحرارية المميزة k T أقل من طاقة ربط الإكسيتون )، لتحل محل إعادة تركيب الإلكترون-الفجوة الحرة عند درجات الحرارة الأعلى.

يمكن الاستدلال على وجود حالات الإكسيتون من امتصاص الضوء المرتبط بإثارتها. وعادةً ما تُلاحظ الإكسيتونات أسفل فجوة النطاق مباشرةً .

عندما تتفاعل الإكسيتونات مع الفوتونات، يتشكل ما يسمى بالبولاريتون (أو تحديداً إكسيتون-بولاريتون ). وتُعرف هذه الإكسيتونات أحياناً بالإكسيتونات الملبسة .

إذا كان التفاعل جاذبًا، يمكن للإكسيتون أن يرتبط بإكسيتونات أخرى لتكوين إكسيتون ثنائي ، على غرار جزيء ثنائي الهيدروجين . وإذا وُجدت كثافة عالية من الإكسيتونات في مادة ما، فإنها تتفاعل مع بعضها لتكوين سائل إلكترون-فجوة ، وهي حالة تُلاحظ في أشباه الموصلات غير المباشرة في فضاء k.

بالإضافة إلى ذلك، تُعدّ الإكسيتونات جسيمات ذات لف مغزلي صحيح تخضع لإحصاءات بوز في حالة الكثافة المنخفضة. في بعض الأنظمة، حيث تكون التفاعلات تنافرية، يُتوقع أن تكون حالة بوز-أينشتاين المكثفة ، المسماة إكسيتونيوم، هي الحالة الأرضية. وقد وُجدت بعض الأدلة على وجود الإكسيتونيوم منذ سبعينيات القرن الماضي، ولكن كان من الصعب في كثير من الأحيان تمييزه عن طور بايرلز. [ 44 ] يُزعم أنه تم رصد مكثفات الإكسيتون في أنظمة الآبار الكمومية المزدوجة. [ 45 ] في عام 2017 ، وجد كوجار وآخرون "أدلة دامغة" على تكثف الإكسيتونات المرصودة في شبه المعدن ثلاثي الأبعاد 1T - TiSe2 . [ 46 ]

الإكسيتونات المباشرة وغير المباشرة مكانيًا

عادةً، تتميز الإكسيتونات في أشباه الموصلات بعمر قصير جدًا نظرًا لقرب الإلكترون والفجوة. مع ذلك، يمكن توليد ما يُسمى بالإكسيتونات "غير المباشرة مكانيًا" عن طريق وضع الإلكترون والفجوة في آبار كمومية منفصلة مكانيًا مع طبقة عازلة بينهما. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام هياكل غير متجانسة من ثنائي الكالكوجينيدات للمعادن الانتقالية . وعلى عكس الإكسيتونات العادية (المباشرة مكانيًا)، تتميز هذه الإكسيتونات غير المباشرة مكانيًا بفصل مكاني كبير بين الإلكترون والفجوة، وبالتالي تتمتع بعمر أطول بكثير. [ 47 ] يُستخدم هذا الأسلوب غالبًا لتبريد الإكسيتونات إلى درجات حرارة منخفضة جدًا لدراسة تكثيف بوز-أينشتاين (أو بالأحرى نظيره ثنائي الأبعاد). [ 48 ]

الإكسيتونات الكسرية

تُعدّ الإكسيتونات الكسرية فئة من الجسيمات الكمومية التي اكتُشفت في أنظمة الجرافين ثنائية الطبقات تحت تأثير هول الكمومي الكسري . تتشكل هذه الإكسيتونات عندما ترتبط الإلكترونات والفجوات في مادة ثنائية الأبعاد مفصولة بطبقة عازلة من نتريد البورون سداسي الشكل . عند تعريض هذه الأنظمة لمجالات مغناطيسية قوية، فإنها تُظهر سلوكًا إكسيتونيًا كسريًا بخصائص كمومية مميزة. [ 49 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ نوكس، آر إس (1963). سيتز وترنبول (محرران). نظرية الإكسيتونات، فيزياء الحالة الصلبة . المجلد  5. أكاديميك.
  2. ↑ ليانغ، واي واي (1970). "الإكسيتونات". تعليم الفيزياء . 5 (125301): 226-228 . Bibcode : 1970PhyEd...5..226L . doi : 10.1088/0031-9120/5/4/003 .
  3. 1 2 3 مولر، توماس؛ ماليك، إرمين (10-09-2018). "فيزياء الإكسيتون وتطبيقات الأجهزة لأشباه الموصلات ثنائية الكالكوجينيد ثنائية الأبعاد للمعادن الانتقالية" . npj مواد وتطبيقات ثنائية الأبعاد . 2 (1): 1-12 . arXiv : 1903.02962 . doi : 10.1038/s41699-018-0074-2 . ISSN 2397-7132 . S2CID 119537445 .  
  4. ↑ مونيك كومبسكو وشيو-يوان شياو، "الإكسيتونات وأزواج كوبر: بوزونان مركبان في فيزياء الأجسام المتعددة"، مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 9780198753735.
  5. ↑ فوكس، مارك (25-03-2010). الخصائص البصرية للمواد الصلبة ( الطبعة الثانية). سلسلة أكسفورد للماجستير في الفيزياء. 
  6. ↑ أرورا، أشيش (30 مارس 2021). "المغناطيسية البصرية لأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد ذات الطبقات والهياكل غير المتجانسة: التقدم والآفاق" . مجلة الفيزياء التطبيقية . 129 (12). arXiv : 2103.17110 . Bibcode : 2021JAP...129l0902A . doi : 10.1063/5.0042683 .
  7. ↑ فرينكل، ج. (1931). "حول تحول الضوء إلى حرارة في المواد الصلبة. الجزء الأول". مجلة Physical Review . 37 (1): 17. Bibcode : 1931PhRv...37...17F . doi : 10.1103/PhysRev.37.17 .
  8. ↑ وانير، غريغوري (1937). "بنية مستويات الإثارة الإلكترونية في البلورات العازلة". مجلة Physical Review . 52 (3): 191. Bibcode : 1937PhRv...52..191W . doi : 10.1103/PhysRev.52.191 .
  9. ↑ كازيمرتشوك، ت.؛ فروليش، د.؛ شيل، س .؛ ستولز، هـ.؛ باير، م. (2014). "إكسيتونات ريدبيرغ العملاقة في أكسيد النحاس Cu2O". نيتشر . 514 (7522): 343-347 . arXiv : 1407.0691 . Bibcode : 2014Natur.514..343K . doi : 10.1038/nature13832 . PMID: 25318523. S2CID : 4470179 .  
  10. ↑ فوكس، مارك (25 مارس 2010). الخصائص البصرية للمواد الصلبة . سلسلة أكسفورد للماجستير في الفيزياء ( الطبعة الثانية). مطبعة جامعة أكسفورد . ص 97. ISBN   978-0-19-957336-3.
  11. تشيرنيكوف ، أليكسي؛ بيركيلباخ، تيموثي سي؛ هيل، هيذر إم؛ ريغوسي، ألبرت؛ لي، ييلي؛ أصلان، أوزغور بوراك؛ رايخمان، ديفيد آر؛ هايبرتسن، مارك إس؛ هاينز، توني إف. (2014). " طاقة ربط الإكسيتون وسلسلة ريدبيرغ غير الهيدروجينية في طبقة أحادية من WS2" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 113 (7) 076802. arXiv : 1403.4270 . Bibcode : 2014PhRvL.113g6802C . doi : 10.1103/PhysRevLett.113.076802 . ISSN 0031-9007 . PMID 25170725 .  
  12. ↑ يانغ، إكس إل (1 فبراير 1991). "الحل التحليلي لذرة الهيدروجين ثنائية الأبعاد. الجزء الأول: النظرية غير النسبية" . مجلة Physical Review A. 43 ( 3): 1186-1196 . Bibcode : 1991PhRvA..43.1186Y . doi : 10.1103/PhysRevA.43.1186 . PMID 9905143 . 
  13. ↑ ريتوفا، ن. س. (1967). "الجهد المحجوب لشحنة نقطية في غشاء رقيق". وقائع جامعة ولاية ميشيغان، قسم الفيزياء وعلم الفلك ، 3 : 30.
  14. ↑ كيلديش، إل في (1979). "التفاعل الكولومبي في أغشية أشباه الموصلات وأشباه المعادن الرقيقة". رسائل JETP . 29 : 658. Bibcode : 1979JETPL..29..658K .
  15. ↑ ترول، مادز ل.؛ بيدرسن، توماس ج.؛ فينيارد، فاليري (2017). "نموذج دالة العزل الكهربائي لأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد مع مراعاة تأثير الحجب على الركيزة" . تقارير علمية 7 39844. Bibcode : 2017NatSR ...739844T . doi : 10.1038/srep39844 . PMC 5259763. PMID 28117326 .  
  16. ↑ بروس، لويس (1986). "الدوال الموجية الإلكترونية في تجمعات أشباه الموصلات: التجربة والنظرية". مجلة الكيمياء الفيزيائية . 90 (12). منشورات الجمعية الكيميائية الأمريكية: 2555-2560 . doi : 10.1021/j100403a003 .
  17. ↑ إدفينسون، ت. (2018). "الحصر الكمي البصري والخصائص التحفيزية الضوئية في الهياكل النانوية ثنائية الأبعاد، وأحادية الأبعاد، وصفرية الأبعاد" . مجلة الجمعية الملكية للعلوم المفتوحة . 5 (9) 180387. Bibcode : 2018RSOS....580387E . doi : 10.1098/rsos.180387 . ISSN 2054-5703 . PMC 6170533. PMID 30839677 .   
  18. ↑ «علماء يرصدون إكسيتون هوبارد في مواد عازلة ذات ترابط قوي» . Phys.org . 25 سبتمبر 2023. doi : 10.1038/s41567-023-02204-2 . تاريخ الاطلاع: 11 أكتوبر 2023 .{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  19. ↑ رايت، جيه دي (1995) [نُشر لأول مرة عام 1987]. البلورات الجزيئية ( الطبعة الثانية). مطبعة جامعة كامبريدج. ص 108. ISBN   978-0-521-47730-7.
  20. ↑ لانزاني، غولييلمو (2012). الفيزياء الضوئية وراء الخلايا الكهروضوئية والفوتونيات . وايلي-في سي إتش فيرلاغ. ص 82. 
  21. ↑ إليس، د.س.؛ هيل، ج.ب.؛ واكيموتو، س.؛ بيرجينو، ر.ج.؛ كاسا، د.؛ جوج، ت.؛ كيم، يونغ-جون (2008). "دراسة إكسيتون نقل الشحنة في La₂CuO₄ باستخدام تشتت الأشعة السينية غير المرن الرنيني". مجلة Physical Review B. 77 ( 6): 060501(R). arXiv : 0709.1705 . Bibcode : 2008PhRvB..77f0501E . doi : 10.1103 /PhysRevB.77.060501 . S2CID 119238654 . 
  22. ^ بالديني، إدواردو؛ تشيودو، ليتيزيا؛ دومينغيز، أدرييل؛ بالومو، موريزيا؛ موسر، سيمون. يزدي ريزي، مقداد؛ أوبوك، جيرالد. ماليت، بنيامين ب. بيرغر، هيلموث. ماجريز، أرنو؛ برنهارد، كريستيان؛ غريوني، ماركو. روبيو، انجيل؛ شرقي، ماجد (2017). "الإكسيتونات المرتبطة بقوة في بلورات Anatase TiO 2 المفردة والجسيمات النانوية" . اتصالات الطبيعة . 8 (13): 13. أرخايف : 1601.01244 . بيب كود : 2017NatCo...8...13B . دوى : 10.1038/s41467-017-00016-6 . بمك 5432032 . PMID 28408739 .  
  23. ↑ كوليسنيتشينكو، بافيل؛ هيرتزوغ، مانويل؛ هاينر، فيليكس؛ كيفر، أوسكار؛ زومسيل، جانا؛ باكوب، تياغو (11 يونيو 2025). "الإكسيتونات المظلمة والإلكترونات الساخنة تُعدّل الاقتران القوي بين الإكسيتون والفوتون في التجاويف الضوئية الدقيقة المعدنية العضوية". ACS Photonics . XX (XX): XXXXX– XXXXX. arXiv : 2401.14835 . doi : 10.1021/acsphotonics.4c01972 .
  24. ^ ماديو، جوليان. رجل ، مايكل ك.ل. ساهو، شاكرادار؛ كامبل، مارشال؛ باريك، فيفيك؛ وونغ، إي لين؛ المحبوب، عبد الله؛ تشان، نيكولاس س؛ كارماكار، أركا؛ ماريسيرلا، بالا مورالي كريشنا؛ Li, شياو تشين ; هاينز، توني ف. تساو، تينغ. داني، كيشاف م. (2020-12-04). "تصور مباشر للإكسيتونات المظلمة المحظورة بالزخم وديناميكياتها في أشباه الموصلات الرقيقة ذريًا" . علوم . 370 (6521): 1199–1204 . أرخايف : 2005.00241 . بيب كود : 2020Sci...370.1199M . دوى : 10.1126/science.aba1029 . ISSN 0036-8075 . PMID 33273099 .  
  25. ↑ "الإكسيتونات المظلمة تتصدر المشهد" . معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا (OIST) . 4 ديسمبر 2020. تاريخ الاسترجاع: 2 ديسمبر 2023 .
  26. ↑ ميدلتون، كريستين (2021-01-07). "عدد الإكسيتونات المظلمة يفوق عدد الإكسيتونات المضيئة" . مجلة الفيزياء اليوم . 2021 (1) 0107a. Bibcode : 2021PhT..2021a.107. . doi : 10.1063/PT.6.1.20210107a .
  27. ↑ كوليسنيتشينكو، بافيل؛ ويتنبيشر، لوكاس؛ تشانغ، تشيان هوي؛ يان تيه، رون؛ بابو، تشاندني؛ إس فوهرر، مايكل؛ ميكلسن، أندرس؛ زيغمانتاس، دوناتاس (2024-11-08). "تكوين الإكسيتونات المظلمة في طبقة أحادية من WS₂ خلال أقل من 100 فيمتوثانية " . رسائل نانو . 24 (46): 14663-14670 . arXiv : 2403.08390 . Bibcode : 2024NanoL..2414663K . doi : 10.1021/ acs.nanolett.4c03807 . PMC 11583335. PMID 39516189 .  
  28. ↑ كابي، فلوريان؛ شوارتز، رينيه؛ كارلي، يوسف؛ براخت، توماس؛ أكس، فولراث م.؛ كوفري دا سيلفا، سايمون ف.؛ راستيلي، أرماندو؛ ريميش، فيكاس؛ رايتر، دوريس إي.؛ ويهس، غريغور (11 يوليو 2025). "إبقاء الفوتون في الظلام: تمكين التحكم في الحالة المظلمة للنقاط الكمومية بواسطة نبضات مُعدَّلة التردد ومجالات مغناطيسية" . مجلة ساينس أدفانسز . 11 (28). doi : 10.1126/sciadv.adu4261 . ISSN 2375-2548 . 
  29. ↑ أ. بريخوتيكو، أطياف امتصاص البلورات عند درجات الحرارة المنخفضة، مجلة الفيزياء في الاتحاد السوفيتي 8 ، ص 257 (1944).
  30. ^ AF Prikhot'ko، Izv، AN SSSR Ser. فيز. 7 ، ص. 499 (1948) http://ujp.bitp.kiev.ua/files/journals/53/si/53SI18p.pdf أرشفة 2016-03-05 في آلة Wayback ..
  31. ↑ AS Davydov, نظرية الإكسيتونات الجزيئية (Plenum, نيويورك، نيويورك) 1971.
  32. ↑ VL Broude, EI Rashba, and EF Sheka, Spectroscopy of molecular excitons (Springer, New York, New York) 1985.
  33. ↑ EI Rashba، قوى المذبذب العملاق المرتبطة بمركبات الإكسيتون ، الفيزياء السوفيتية لأشباه الموصلات 8 ، 807-816 (1975).
  34. ↑ N. Schwentner, E.-E. Koch, and J. Jortner, Electronic excitations in condensed rare gases, Springer tracts in modern physics, 107 , p. 1 (1985).
  35. ↑ M. Ueta, H. Kanzaki, K. Kobayashi, Y. Toyozawa, and E. Hanamura. Excitonic Processes in Solids, Springer Series in Solid State Sciences, Vol. 60 (1986).
  36. ↑ EI Rashba، "نظرية التفاعل القوي لإثارات الإلكترون مع اهتزازات الشبكة في البلورات الجزيئية"، Optika i Spektroskopiya 2 ، ص 75، 88 (1957).
  37. ↑ EI Rashba، الاحتجاز الذاتي للإكسيتونات، في: الإكسيتونات (نورث هولاند، أمستردام، 1982)، ص 547.
  38. ↑ SI Pekar, EI Rashba, VI Sheka, Soviet Physics JETP 49 , p. 251 (1979), http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_049_01_0129.pdf مؤرشف بتاريخ 2019-02-23 في Wayback Machine .
  39. ↑ كاغان، يو؛ ليجيت، إيه جيه (2012-12-02). النفق الكمومي في الأوساط المكثفة . إلسيفير. ISBN 978-0-444-60047-9.
  40. ^ جراسانو، UM؛ ترزي، ن.؛ الشركة الإيطالية للفيزياء، محرران. (1987). التحليل الطيفي للحالة المثارة في المواد الصلبة: فارينا على بحيرة كومو، فيلا موناستيرو، 9-19 يوليو 1985 . وقائع المدرسة الدولية للفيزياء "إنريكو فيرمي". أمستردام ; نيويورك: شمال هولندا. دورة 96. رقم ISBN  978-0-444-87070-4.
  41. ↑ I. Ya. Fugol', “Free and self-tripped excitons in cryocrystals: kinetics and relax processes.” Advances in Physics 37 , pp. 1–35 (1988).
  42. ↑ Ch. B. Lushchik، في "Excitons"، حرره EI Rashba، و MD Sturge، (North Holland، أمستردام، 1982)، ص 505.
  43. ↑ M. Furukawa, Ken-ichi Mizuno, A. Matsui, N. Tamai and I. Yamazaiu, Branching of Exciton Relaxation to the Free and Self-Trapped Exciton States, Chemical Physics 138 , p. 423 (1989).
  44. ↑ «اكتشاف شكل جديد من المادة يُسمى "الإكسيتونيوم"» . صحيفة تايمز أوف إنديا . تاريخ الاطلاع: 10 ديسمبر 2017 .
  45. ↑ أيزنشتاين، جيه بي (10 يناير 2014). "تكثيف الإكسيتون في أنظمة هول الكمومية ثنائية الطبقات". المراجعة السنوية لفيزياء المادة المكثفة . 5 : 159-181 . arXiv : 1306.0584 . Bibcode : 2014ARCMP...5..159E . doi : 10.1146/annurev-conmatphys-031113-133832 . S2CID 15776603 . 
  46. ↑ كوجار، أنشول؛ راك، ميليندا س؛ فيج، شون؛ حسين، علي أ؛ فليكر، فيليكس؛ جو، يونغ الثاني؛ فينيما، لوك؛ ماكدوجال، جريج ج؛ تشيانغ، تاي س؛ فرادكين، إدواردو؛ فان ويزل، جاسبر؛ أبامونتي، بيتر (2017). "مؤشرات تكثيف الإكسيتون في ثنائي الكالكوجينيد لعنصر انتقالي". مجلة ساينس . 358 (6368): 1314-1317 . arXiv : 1611.04217 . Bibcode : 2017Sci...358.1314K . doi : 10.1126/science.aam6432 . PMID : 29217574. S2CID : 206656719 .  
  47. ^ ميركل، ص. موشامر، ف. ستاينليتنر، P .؛ جيرنغهوبر، أ. لين، K.-Q. ناجلر، P.؛ هولر، J.؛ شولر، C .؛ لوبتون، JM. كورن، T.؛ أوفيسين، S .؛ بريم، س. ماليك، E.؛ هوبر، ر. (2019). “الانتقال فائق السرعة بين مراحل الإكسيتون في هياكل فان دير فالس المتغايرة”. مواد الطبيعة . 18 (7): 691-696 . أرخايف : 1910.03890 . بيب كود : 2019NatMa..18..691M . دوى : 10.1038/s41563-019-0337-0 . بميد 30962556 . S2CID 104295452 .  
  48. ↑ هاي، أ.أ.؛ ليونارد، ج.ر.؛ هاماك، أ.ت.؛ فوغلر، م.م.؛ بوتوف، ل.ف.؛ كافوكين، أ.ف.؛ كامبمان، ك.ل.؛ غوسارد، أ.س. (2012). "التماسك التلقائي في غاز الإكسيتون البارد". مجلة نيتشر . 483 (7391): 584-588 . arXiv : 1109.0253 . Bibcode : 2012Natur.483..584H . doi : 10.1038/nature10903 . PMID : 22437498. S2CID : 3049881 .  
  49. ↑ تشانغ، نايوان جيه؛ وآخرون (2025). "الإكسيتونات في تأثير هول الكمي الكسري". نيتشر . 637 (8045): 327-332 . arXiv : 2407.18224 . Bibcode : 2025Natur.637..327Z . doi : 10.1038/s41586-024-08274-3 . PMID 39780005 .