激子

物理概念

激子是一种准粒子。激子是绝缘体或半导体中电子和空穴由其间库仑相互作用而结合成的一个束缚态系统。

定义

激子（拼音：jī zǐ；英文：exciton）

一个激发态分子S*与它的一个基态分子S结合形成一个瞬态激发态二聚体(SS)*，被称作激子或激基缔合物，它比较容易在芳香族溶液体系中形成，S*+S←→(SS)*→S+S+hv通常激子的能量低于激发态分子。因此，这种激子去活时发出的荧光具较长的波长。

应用

在一些发光二极管和特殊发光器件的实际应用中，激子发光是一种重要的发光机制，特别是在一些间接带半导体材料和低维结构半导体材料制成的发光二极管中，激子发光跃迁被证明往往起着关键性的作用.例如用氮化物材料可制成蓝绿光和紫外光发光二极管.众所周知，氮化物及其合金中一般缺陷浓度是很大的，但发光效率却很高，原因是受到局域化的激子有很高的复合几率，使得载流子在到达非辐射复合中心之前，就通过激子复合对发光作出贡献.人们认为，InGaN/GaN量子阱之所以发光效率很高，与InGaN中存在着组分分凝，甚至形成了量子点，激子发光得到加强有关。

原理

由于吸收光子在固体中产生的可移动的束缚的电子-空穴对。

在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子。激子提供了能量平衡，使得激子体系的总能量略小于未束缚的电子和空穴的能量。

通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半导体中；后者电子和空穴束缚在晶体元胞范围内，库仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中。

作用

激子是固体中的一种基本的元激发，是由库仑力作用互相束缚着的电子-空穴对。半导体吸收一个光子之后，电子由价带跃迁至导带，但是电子由于库仑作用仍然和价带中的空穴联系在一起。

激子对描述半导体的光学特性有重要意义；自由激子束缚在杂质上形成束缚激子。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。激子效应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.与半导体体材料相比，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。

在半导体吸收光谱中，本征的带间吸收过程是指半导体吸收一个光子后，在导带和价带同时产生一对自由的电子和空穴.但实际上除了在吸收带边以上产生连续谱吸收区以外，还可以观测到存在着分立的吸收谱线，这些谱线是由激子吸收引起的，其能谱结构与氢原子的吸收谱线非常类似.激子谱线的产生是由于当固体吸收光子时，电子虽已从价带激发到导带，但仍因库仑作用而和价带中留下的空穴联系在一起，形成了激子态.自由激子作为一个整体可以在半导体中运动.这种因静电库仑作用而束缚在一起的电子空穴对是一种电中性的、非导电性的电子激发态。

与氢原子一样，激子也具有相应的基态和激发态，但其能量状态与固体中的介电效应和电子空穴的有效质量有关.实际上，固体中的激子态可用类氢模型加以描述，并按此模型很好地估算出激子在带边下分立能级的能态和电离能。

总的来说，宽禁带的半导体材料，激子束缚能较大，而激子玻尔半径则比较小.而禁带较窄的材料，其激子电离能较小，激子玻尔半径则较大。

激子效应

激子效应对半导体中的物理过程和光学性质具有重要的影响.激子的吸收和复合直接影响半导体的光吸收和发光，而且，作为固体中的一种元激发，其状态与母体材料的电子能带性质和外场的作用紧密相关.此外，自由激子在半导体中可以受到杂质或缺陷中心在空间上的束缚，形成所谓的束缚激子。其吸收谱线能量位置略低于自由激子的吸收谱线.激子在电中性缺陷上的束缚过程大致可分为两种，它可以是一个自由激子整体地受到缺陷中心的束缚，也可以是一个电荷（电子或空穴）首先被缺陷的近程势所束缚，使缺陷中心带上电荷,然后再通过库仑互作用（远程势）束缚一个电荷相反的空穴或电子，形成束缚激子.束缚激子在半导体发光中有非常重要的地位.在间接带半导体材料中，由于动量选择定则的限制，材料的发光通常是很弱的，但如果存在束缚激子，其波函数在空间上是局域化的，因而发光跃迁的动量选择定则大大放松，无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率.这样，间接带材料的发光效率将大大增强。

例如，在间接带Ⅲ-Ⅴ族半导体材料磷化镓（GaP）中，通过掺入Ⅴ族氮原子（或同时掺入能形成施主受主对的锌和氧），发光就可大大增强，其原因就是因为氮在晶格中代替磷位，是一种电中性的替位式等电子杂质.这种杂质中心由于其电负性与主晶格原子不同，原子尺寸不同等原因，在晶格中会产生作用距离较短的近程势，并使激子束缚在其位置附近形成束缚激子.实验上，在掺氮的GaP中已观测到单个氮原子以及成对氮原子所引起的很强的束缚激子发光，这类掺杂方法已成为制造GaP和GaAsP等可见光发光二极管的基本工艺.

激子是由库仑作用结合在一起的电子空穴对，其稳定性取决于温度、电场、载流子浓度等因素.当样品温度较高时，激子谱线由于声子散射等原因而变宽.而当kT（k是玻尔兹曼常数）值接近或大于激子电离能时，激子会因热激发而发生分解.所以，在许多半导体材料中，只有低温下才能观测到清晰的激子发光，而当温度升高后，激子谱线会展宽，激子发光强度降低，以至发生淬灭.另外，在电场的作用下，电子和空穴分别向相反方向运动，因而当半导体处于电场作用下时，激子效应也将减弱,甚至由于电场离化而失效.而当样品中载流子浓度很大时，由于自由电荷对库仑场的屏蔽作用，激子也可能分解.这些影响激子稳定性的物理因素在光电器件应用中，可以作为对激子效应和相关的光学性质进行可控调制的有效手段.但对发光和激光器件来说，特别是对一些需要在室温下大浓度注入条件工作的器件来说，将产生一些不利的影响，使激子效应的应用受到限制.总的来说，当激子束缚能较大时，激子相对比较稳定.如在宽禁带半导体材料（如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和氮化物）以及下面要更详细讨论的半导体量子阱等低维结构中，激子束缚能一般比较大，即使在室温下，激子束缚能也比kT大许多，吸收光谱中能看到明显的激子吸收，激子效应不易淬灭，甚至已实现了以激子复合效应为主的激光器件.

相关现象

中国科学院半导体研究所李树深研究员、夏建白院士在《2006科学发展报告》发表了一篇题为“激子和相关现象”的文章。文章指出，早在20世纪30年代，科学家就对激子开始了研究。20世纪60年代以前，人们对激子的研究主要集中在理论方面。激光技术发明以后，大大促进了人们对激子的实验研究。特别是飞秒激光技术日益完善，大大促进了人们对激子超快相干过程的研究。20世纪70年代以前，人们对激子的研究仅限于体材料。随着低维材料生长与加工技术的进步，20世纪的最后20年，低维材料中激子特性的研究成为主流。

信息产业迅速发展，已经成为支柱产业之一。光电子是信息产业中的重要领域。在有源发光器件中，激子发光占据重要地位。器件应用的牵引作用，也极大地促进了人们对激子的广泛研究。

作者着重对未来重要研究方向及其可能进展进行了展望：

一、性质

受各种波长发光器件（特别是半导体激光器）需求的市场牵引，近20年来，人们对多种半导体材料（包括低维复合材料）进行了广泛研究。理论与实验取得了基本一致的研究成果。预计在未来10到20年时间范围内，随着纳米加工技术的进一步提高，各种新型微结构将会源源不断的涌现出来。这些新型人工微结构中的激子线性和非线性发光特性的研究仍将是热点研究内容之一。理论与实验的紧密结合，将对新型发光器件的研制提供有力保障。

二、动力学

对不同种类与结构的材料，激子寿命在皮秒到微秒的范围内。在激子形成后，激子的动力学行为是到未来若干年内热点研究课题之一。利用超短脉冲技术，人们可以对特定结构内激子态进行有效调控。制备各种理想激子态，并对其进行相干控制，是人们多年来的追求目标，对基础和应用研究都有重要意义。

三、量子信息

量子信息是发展起来的新型交叉学科，她是将20世纪取得巨大成就的经典信息理论与量子力学相结合后的产物。固态量子信息是量子信息未来的发展方向，是量子信息走向实用化的必然目标。人们设想激子态可以作为量子信息的有效载体。通过不同激子态之间的纠缠，可以对激子携带的量子信息进行交换、传递和处理。人们已经对单个量子点中不同磁激子之间用光激发诱导实现了激子之间的量子纠缠。距离相近的两个量子点可以形成所谓的量子点分子，在这种结构中激子的纠缠特性已经有了理论研究。用光学方法，人们已经对单个量子点内双激子进行了量子逻辑门操作。但无论从理论或实验角度来看，激子在固态量子信息中的应用研究还刚刚开始。

四、波色

对低维半导体结构中的激子的波色－爱因斯坦凝聚研究是未来的研究热点之一。关于固体中激子的波色－爱因斯坦凝聚现象还有许多争论，理论方法还在发展中。随着量子信息研究热潮的兴起，人们提出激子可以作为固态量子信息的载体之一，低维半导体中激子波色－爱因斯坦凝聚提供了固态量子信息处理的理想基态。（摘自科学出版社出版的《2006科学发展报告》）

证实

美国加州大学圣迭戈分校的物理学家证明，一种称为激子（excitons）的粒子，因其在衰变时可发出闪光，有可能被应用于一种新形态的运算，从而加快通信速度。该校物理教授莱昂尼德?布托夫及其同事，已制造出数个基于激子的晶体管，这些晶体管有望成为新型电脑的基本模块，他们所装配出的电路也成为世界上第一个使用激子的运算装置。该成果发表的《科学》（Science）杂志网络版上。晶体管是电子设备的基本模块，均使用电子来传递计算所需的信号。但几乎所有的通信设备都使用光或光子来传送信号，信令语言需要从电子转换成光子，因而限制了电子设备的运行速度。布托夫称，新型晶体管使用激子来处理信号，如同电子一样可由电压来控制，但并不需要在电路的输出端转换成光子。由光在砷化镓之类的半导体中制造出来的激子，可将带负电的电子从一个带正电的空穴中分离。如果这一对仍有连接，它就会形成激子。当电子与空穴重新结合时，激子就会衰变，其能量将以一道闪光释出。布托夫等人使用了一种特别类型的激子，电子与其空穴被限制在相距数个纳米的不同量子阱。这样的设置创造出了利用电极提供电压来控制激子流动的机会。这些电压“门”制造出的能量冲击，能够暂停激子的移动或允许它们的流动。一旦能量壁垒被移除，激子就能够行进到晶体管的输出端，并转换成光，直接馈入通信电路，排除了转换信号的需要。研究人员表示，这种激子到光子的直接耦合，桥接了运算与通信之间的缺口。科学家们通过将激子晶体管结合形成数种类型的开关，从而创造出一种简单的集成电路，它能精确地指挥信号沿着一个或数个路径前进。因为激子的速度很快，所以这些开关能迅速翻转。已证明可实现200皮秒（1皮秒为1万亿分之一秒）量级的切换时间。虽然激子运算本身也许并没有电子电路来得快，不过当信号送往另一台机器，或在一个芯片上以光学连接的不同部位间传递时，速度优势就会显现出来。布托夫等人所研制的电路表明，激子可用来进行运算，但在实际应用时将需要使用不同的材料。砷化镓激子电路只能在低于40K（-233℃）的寒冷温度下运行，这是因激子结合能而产生的限制。温度高于此，电子将不会与它们的空穴结合而在结构中形成激子。研究人员表示，通过选择不同半导体材料可增加运行温度。

与太阳能

美国罗格斯大学研究人员发现，激子在有机半导体晶体红荧烯中的扩散距离从2微米到8微米不等，是以前认为的1000多倍，该距离与激子在制备无机太阳能电池的硅、砷化镓等材料中的距离相媲美。而激子的扩散距离越远，可以吸收的太阳光越多。这有望让有机太阳能电池的成本更低、性能更卓越，或许可以取代硅基太阳能电池。

激子通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激子。万尼尔激子在晶格中移动得更快，因此，其产生光电的属性更加突出。进一步发现，有机半导体红荧烯晶体内的激子的行为更像无机晶体中的万尼尔激子的行为。而之前，科学家以为，有机半导体中只会出现弗伦克尔激子。因此，该实验证明，激子扩散的障碍不是有机半导体的固有障碍，进一步的研究有望研发出效率更高、可批量生产的有机太阳能电池。

科学研究

2022年9月，美国科学家研究表明，磁性半导体溴化铬中的磁振子可与激子配对，激子准粒子会发光。

2023年，德国首次在拓扑绝缘体中制造出激子，为新一代光控电脑芯片和量子技术奠定了基础。

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