第四章激子光譜.

1、第四章激子光譜:激子VVannier激子與Frekel激子:允許與禁戒激子躍遷*自由激子與束縛激子的光特性:激子分子與電子空穴液滴的光譜特性帶帶間的本征激發(fā)一1自由e和h;2束縛eh對(duì)，激子:-自由e和h,帶一帶間本征激發(fā)伴隨光電導(dǎo)布洛赫波，傳播電荷準(zhǔn)粒子，有效質(zhì)量和動(dòng)童費(fèi)米子:束縛一h對(duì)-激子，帶一帶間本征激發(fā)+庫(kù)侖束埒無(wú)光電導(dǎo)激子波，傳播能童，不傳播電荷»準(zhǔn)粒子，有效質(zhì)童和動(dòng)量»玻色子激子凝聚一激子分子一電子空穴液滴，費(fèi)米子4.1帶間吸收邊的精細(xì)結(jié)構(gòu) 與激子(Exciton)假設(shè)的提出©由*子唳收邊的椅細(xì)結(jié)構(gòu)無(wú)光電導(dǎo)4aAs Tu«i 六> U

2、1199.1B町療：實(shí)驗(yàn)審實(shí)圖4.2 Cu2O -黃激于的唳收譜圖J裔純伽A"邊吸收光褊激子假設(shè)的提出*帶間激發(fā)eh對(duì)+庫(kù)侖束縛作用")一(4/rt:臨界點(diǎn)的作用 v風(fēng)叭 yKfEjmo“臨界點(diǎn)上波包的群速度相等:束縛，激子結(jié)合能圖41允許的激子躍遷：1S19&L5W U.004 (AMmcV)圖4.2禁戒的激子躍遷：2.172-2.1480.024eV(24meV室溫他/26meV:分類(lèi):緊束坤，Ercnkcl激子：絕緣體，分子晶體 弱束縛，WannierM-T：半導(dǎo)體臨界點(diǎn)的作用= VkEv(A) = 0 t聲K) = 0“臨界點(diǎn)上波包的群速度 日9聲“仏相等4

3、.2 Frenkel激子一緊束縛激子適合于絕緣體：如殮鹵晶體，怡柱氣體晶偽 有機(jī)分子晶休. 過(guò)減金屬離子(VVO4h館酸鹽(UiWOJ.氯化物(陽(yáng)Pt(CN)岸H0). 和鈾比(Cs2UO2CI4) Frenkel激子是在原壬范M內(nèi)的激發(fā)但可:以幽播，電子 和空穴波函數(shù)局域化，擴(kuò)展范09小于站格常數(shù)，束縛半徑小勢(shì)函數(shù)"(" = 一中的£是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)4:由原子波函數(shù)構(gòu)造激子波函數(shù)，對(duì)一維原子鏈基態(tài)A激發(fā)態(tài)JV.I-, F激子波函數(shù)：調(diào)制的平面波激發(fā)態(tài)的傳播，緊鄰相互作用Frenkel激子的能量狀態(tài)第一布區(qū)， 3nN個(gè)激子態(tài),Davydov 劈裂, 類(lèi)聲子激發(fā)一維

4、單原子健”激子一維雙原子鏈/激子F renkel激子的吸收光譜CKKr晶體Frvnkd激子吸收雙 線(xiàn).AE=0.6tVHO 10 09 08070itTisacevi(A )110013)0 1300 I9C0 17Q0 1SOONmBi晶體F rcnkd激子吸收雙 線(xiàn).AExO5eVN“Br上的F激子基態(tài)：（由葉 或Ki原子組態(tài)IsUp*決定）,激發(fā)態(tài)：中咖巾心AE=05eV；（由第一激發(fā)態(tài)4討57決定）4.3 Wannier激子一弱束縛激子適合于半導(dǎo)體：導(dǎo)帶電子.價(jià)帶空穴波函數(shù)擴(kuò)展范SI寬，束縛半徑>50丄作用 勢(shì)函數(shù)1/ (r > "£近似常敦有心力場(chǎng)類(lèi)氫

5、模型：在輯力場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的粒子»相對(duì)坐標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)肚 i活不:) >有效質(zhì)量的約化質(zhì)壬P體系哈密頓量：pl , J激子平移厲H 盲衣瓷廠(chǎng)盍:激子內(nèi)ch的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幾Wannier激子波動(dòng)方程及其解:澈子波函數(shù)HK),由平動(dòng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)組成的包洛函 數(shù)，調(diào)制平面波(r,/f) = (r)exp(/K R:激子的波動(dòng)方程及其解H”R)十a(chǎn) + EP(D.K1E.=2Me,-(4t r 2/r £"n'm 13.6<rV ) R=j一廠(chǎng)一匚r(以導(dǎo)帶底為o點(diǎn))Wannier激子的結(jié)合能EJmeV）：結(jié)合能Wannier激子的吸收光譜考慮動(dòng)能相，譜線(xiàn)加寬:CU2（

6、）吸收光譜與激子結(jié)合能7«6.匕 17520(cm )n“0.09752= 2.1736-:ieV)擬合給出6仇幾等參數(shù)4.4自由激子與束縛激子的復(fù)合發(fā)光PL:自由激子(FE)復(fù)合 粘&,國(guó)卜諾三7；氣三直接與間接復(fù)合¥A聲子伴錢(qián)幺魚(yú)“気子 112 (eV)CdS聲子伴隨的激子發(fā)光FIG. 16. !( Ltfevt of cry4al tkkland «pn-cxbH cwplm on UcLwd msAi llie I |x nil ul ZCaN Rel !60i. Al 4 Q. the uk:iKc hand k 甲i by frcMintwd

7、trtiCcciul .eld nd «p2fbheMph ukoSil*) and C(T*) staltc «b< Cakuljtedof tbe bondCStfp IwlsiRef. 1611 n.-nr theW A.3F( arc lhe hiMirj： cwefkscf th? 4 R and C nestis rc<pectivdyaQ.meV. V：A:.妙*GaN的能帶結(jié)構(gòu)晶體場(chǎng)+自 旋_u道揭合 價(jià)帶：AP：ab=6 nwV, AEB(*=37meV, 激子結(jié)合能 E.?= E J =20 meV, Ech=l«meVGaN自由激

8、子(FE)的PLE與PLPLE&PL:皿Efi,EbE譏Ebc討)44348 IMFbolMEMvy«V)(Eji=3.5<MeV)rtA:3.472eV, r?-r7c；B: 3.4«15±0.()01 e； I>、 r7cC : 3.493 eV. r7v-r7c Jn=2)發(fā)光強(qiáng)度本征與徑n冷雜GbMUL下發(fā)光譜PI 樣品1桶GN:激子錢(qián)A-3.4M8eV; B-3.495, C-3.5O6eV： FWHM=3meV 樣品2(1 輕摻雜:只有帶邊發(fā)射寬軌自由激子發(fā)射與帶邊發(fā)射PL譜自由激子PLit：譜線(xiàn)，精細(xì)結(jié)構(gòu)；材料純度高，結(jié)晶質(zhì)量好

9、帶邊發(fā)射：譜帶，無(wú)赭細(xì)結(jié)構(gòu)；升溫，摻雜，改變維度J443 463 4« ISO 152PK3 eaefgy (eV)-33 q二三B3W2a»83. a-L.rM M l> ” M M B3 M » MZR frwgy (V)GnN的(a)低溫下激子發(fā)光和b) 宣溫下帶邊紫外發(fā)光束縛激子的復(fù)合，PL譜:束縛激子£*a:種類(lèi)A東婷于中性施主D<»XA束縛于中性受主A°X于離化施主irx于離化受主ax"束縛于等電子陷阱:特點(diǎn)»譜線(xiàn)窄化»振子冬度高“束坤能低，湛度緘感（低溫）FOTOH EMERGY

10、ZnSeAlOKT自由于的發(fā) 尢.材料系用 1O PE (nwtal organic %apor phaw epitaxy)法.原材料為 二-基鋅(DMZn )和二甲懇用.上 S: «l)MZn;下圖：飩化 DMZn束縛激子結(jié)合能:低溫下，BX為主:升溫，BX快迷下降:.本征GalS為n型，束縛激子為MX:激子結(jié)合能與束縛能$ KJ W limnoccnoc ocra ulm tam a 7 J/m G«N firmvi <m m|«w b, MCA FF *b» Tyyvcd hnnmacwr MMCUJ uKlMimg ib«

11、71;IMOU9V «I tw tow wr(yhmfKWe (tan i imm*lh u*do(wd Ge <IUf 47).E；e - Erc 3.504- 3.484 « 0.02rV=3.504 - 0.020 - 3.476 « 0.008> 3.504 - 0.020 - 3.459 « 0.025Havnes經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：束垮激子的束埒 能烏相應(yīng)雜質(zhì)高化能之比為常數(shù)GaN: a=<）.215Zn()薄膜激子自發(fā)輻射與受激輻射K al. Appi Phg Le«<, Vol. 70. No. 17.2231 (

12、1W7 ):受激輻射的判據(jù)"超線(xiàn)性激發(fā)強(qiáng)度關(guān)系A(chǔ)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”譜線(xiàn)窄化A相干性»iBteHMt)|The room-lritipcraturv ckfwndem'r of Intexmted output lnUnslt> on exdtutkm iiUensin (mb)Vornwll/rd <4NVlrn Ukrn i*l "* *2 on* iB) inutwiau hW cm > lO hieh -M2 on ： nrlutta. Bn 土. -iBtrttoilin«rr phiUrd m Uimr xfZnO微晶激子自

13、發(fā)輻射與受激輻射Room-temperature ultraviolet laser emission from self-assembled ZnO microcrystalUte thin films Z. K. Tang.a) G. K L Wong, and P. Y uKowhnm. Hong Kon M. Kawasaki, A. Ohtomo, and H Koinuma, Y S<x»MSI3.0 3.1 3.2 3.3 3* 3.5 Hhotixi tLntTgy (eV)APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 72. NUMBER 2

14、5. (1998)3270:激子光譜分析»帶隙Q”自由激子結(jié)合能 E： = R，= E-E二x束縛激子結(jié)合能 屮"廠(chǎng)i-昭"雜質(zhì)能激級(jí)比(見(jiàn)下文)束縛激子的雙電子躍遷(DBE)束博激子的電子與空穴復(fù)合所釋放的能量一部分用于發(fā)光, 另一部分用于對(duì)中性施主中另一電子的激發(fā)，該過(guò)程被稱(chēng) 為束縛激子的雙電子躍遷rn2 AJWU3U 二 a3 443.453.463.473.483.493 5Phfiion Fnergy (eV)Photoluminescence of (；aN grown by molecular-beam epitaxy on a freestandi

15、ng GaN template, M A Reshchikova) I). Huangs E. Yun, L. lie. and li. Morkoc. D. C. Reynolds, S. S. Park and K. Y. Lee, PPI II I) PHYSICS LETTERS VOLUME 79,3779 ( 2(H) I )束縛激子雙電子躍遷：束縛激子中的一個(gè)電子與空穴復(fù)合發(fā)光 同時(shí)激發(fā)雜質(zhì)中的另一個(gè)電子(11=1>n=2)于雜質(zhì)電離能®的3/4.計(jì)算施主能級(jí)的電離能采用雜質(zhì)態(tài)的類(lèi)氫模型.34，匸 E” (£S|« E»如碼"

16、; 4 以。：K ：*兒Donner O X4720- 3.4475 0.0245 - -fc*0&機(jī)-x4/3- 32.*mrVDonner Si如-略 3：x ： I %"£；* 7* b OO216 Em - 28.8mrVr=4.2KH k7137147152發(fā)光找度低溫下高純Go的發(fā)光光譜理論與實(shí)驗(yàn)的比校4.6激子分子電子和空穴> 激子>激子分子> 電子空穴液滴激子分子低溫（激子分子的結(jié)合能很低）“高激發(fā)密度，產(chǎn)生高密度Wannier激子，激子間碰撞 機(jī)會(huì)大增”產(chǎn)生兩個(gè)激子相吸的共價(jià)交換作用，形成激子分子 （EM或雙激子），類(lèi)似于由兩個(gè)氫

17、原子形成氫分子”研究CuCI, CuBr,CdS, CdSe和加O等體系的發(fā)光相 繼被發(fā)現(xiàn).發(fā)尤強(qiáng)度Wa3920 波長(zhǎng)(cm")光子能量(eV)3.17M低溫下CuCI在紅寶 石激光激發(fā)下的發(fā) 光光譜，激發(fā)功率分 別為(a) 50mW(b) 40mW(c) 26mW16.5mW訃tl>tX發(fā)光衣度問(wèn)題:由此類(lèi)推若兩個(gè)電子隸婷到一空穴 上,攻兩個(gè)空穴未博在一個(gè)電子上,這樣體 系的發(fā)光冬度與激發(fā)廓度有怎樣的關(guān)系？激子分子復(fù)合:激子復(fù)合，單分子過(guò)程I! = Prn > fl = Alti錢(qián)牲關(guān)系：激子分子復(fù)合，雙分子過(guò)程11；兒二超線(xiàn)性關(guān)系光于能量2V)(JdS單晶1*K下的發(fā)

18、光光誅M嶽子分子的發(fā)光A(r6>自由激 子.Ipl2束縛激子發(fā)光用普通兒燈激發(fā)，只能測(cè)到FX和BX.用N 分子激乂激發(fā)，出現(xiàn)EM其冬度趨錢(qián)性增加(注意縱坐標(biāo)的標(biāo)度)4.7電子空穴液滴電子空穴液滴(EHD)的形成k低溫提高激發(fā)密度，大童Wannier自由激子共價(jià)交換作 用一雙引力自由電子空穴氣(EHG),(類(lèi)水蒸氣)電子空穴液滴(EHD),(水滴)電子空穴等離子體Bose子凝聚 Fermi子”相變：在臨界溫度和臨街密度下的一級(jí)相變 Tc： 82«K,nc： 7xl0,6 8xl0,7/cm間接帶半導(dǎo)體中S3從體中EHG與EHL并存區(qū)的相圖色悝(«EHD相圖與水蒸氣相圖比較(«>)水與水汽并片時(shí)的相圖電子空穴液的怕甌與水的相圈比牧EHD性質(zhì)特征>金屬反射性匸表面張力>光電導(dǎo)性與激子和激子分子區(qū)別特征結(jié)合能5meV 低溫發(fā)光性卜電卜它九«冷的UN於 皿哎蚌應(yīng)初忙乂佩mtn個(gè)我仏卩 <>* V-Tf 外 42PfV 、HI.W】 引n 兒 r” “X W （I9T5W706Xtt710?I2?14齊*光子能*(.33«義EHD發(fā)光光譜3K下（；c的發(fā)光光譜4表示EHD到FE的脫出功E 一丄（竺嚴(yán)2m* 阮（習(xí)題 19, 26）發(fā)光