Физики вуза обнаружили экситоны на границе зоны проводимости полупроводников

Открытие сделано совместно с коллегами из Института физики металлов УрО РАН при исследовании нанокристаллов оксида никеля Экситоны на  границе запрещенной зоны выявили ученые УрФУ совместно с  коллегами из  Института физики металлов имени М.  Н.  Михеева УрО РАН при исследовании фундаментальных характеристик нанокристаллов оксида никеля. Запрещенная зона  — это область значений энергии, которую нужно преодолеть электрону, чтобы вещество проводило ток. Экситоном называется связанная пара электрон-дырка, мигрирующая в  кристалле и  переносящая по  нему энергию. Наличие экситона на  границе запрещенной зоны искажает свойства проводимости физических тел, что представляет интерес при создании новейших наноэлектронных приборов. Результаты работы опубликованы в  журнале Physica B: Physics of  Condensed Matter.

Современный мир невозможно представить без электричества. По  способности проводить ток все твердые тела, жидкости и  при определенных условиях газы принято разделять на  проводники и  диэлектрики, пропускающие и  не  пропускающие электричество соответственно. Между ними расположились полупроводники. Под действием электрического поля от  атомов в  узлах решетки отрываются электроны, в  результате чего образуется положительно заряженная дырка. Электроны путешествуют по  кристаллу, перескакивая по  «брешам» с  одного атома на  другой, перенося таким образом заряд и  обеспечивая проводимость. Однако возможна и  иная ситуация: электрон и  дырка оказываются связаны и  перемещаются совместно, словно пара танцующих, образуя экситон. В  полупроводниках расстояние между ними не  ограничивается периодом кристаллической решетки, то  есть расстоянием между двумя соседними атомами. Именно это свойственно для экситонов Ванье  — Мотта, обнаруженных российскими учеными.

«В  физике полупроводников существует понятие края фундаментального поглощения, обозначающего границу поглощения света. Она соответствует запрещенной зоне  — области значений энергии, которую необходимо преодолеть электрону при переходе из  валентной зоны „обычных“ состояний в  „возбужденную“ зону проводимости под действием электрического поля. Экситону для этого перехода не  хватает энергии, а  потому он  остается на  краю фундаментального поглощения, при этом искажая решетку полупроводника и  изменяя свойства его проводимости»,  — поясняет один из  авторов статьи, кандидат технических наук, доцент кафедры «Физические методы и  приборы контроля качества» УрФУ Анатолий Зацепин.

В  нормальных температурных условиях в  полупроводниках перенос электрического заряда происходит в  результате отрыва от  атома электрона, преодолевшего запретную энергетическую зону, и  его дальнейшего перехода по  узлам кристаллической решетки. О  существовании экситонов при этом говорить не  приходится: их  энергия и  время жизни слишком малы. Однако при глубокой заморозке полупроводника (порядка −300 °С) они не гибнут, и  их  можно зарегистрировать, особенно применяя в  качестве образца нанокристаллы (размеры которых не  превышают десятимиллионной доли метра). В  таких масштабах энергия связи электрон-дырка имеет обратную зависимость от  размера кристалла: чем он  меньше, тем крепче связь в  экситоне.

«Мы  исследовали фундаментальные характеристики нанокристаллов оксида лития с  добавлением примесных количеств магния. В  результате мы  обнаружили фотолюминесценцию  — свечение, вызванное возбуждением светом,  — при схлопывании пары электрон-дырка. Интересно, что изначально эти экситоны образовались при переносе заряда на  краю примесного поглощения»,  — рассказывает Анатолий Зацепин.

В  условиях температур, близких к  абсолютному нулю, любое движение, в  том числе колебательное, прекращается. Это явление накладывает определенные ограничения. Так, облучение нанокристалла светом коротковолнового диапазона, в  частности, ультрафиолетом сообщает частицам большую энергию, однако существовать могут лишь низкоэнергетические состояния, например, экситонное. Неспособное обеспечить проводимость из-за строгого лимита подвижности, оно живет, пока «танец» электрона и  дырки рано или поздно не  завершается их  схлопыванием и  «гибелью» пары. При этом избыток энергии выделяется в  виде излучения, спектр которого можно зарегистрировать. Именно так и  были обнаружены экситоны. Особенностью полученного результата является  то, что это состояние возникло при переходе электронов между атомами основного вещества полупроводника и  включенными в  его решетку примесями. И  если само по  себе существование экситонов в  полупроводниках уже давно доказано, то  факт их  появления в  результате поглощения света примесными атомами является настоящим открытием.

«Исследование столь тонких, можно сказать, интимных процессов представляет особый интерес как для теоретиков, занимающихся изучением зонной структуры полупроводников и  диэлектриков, так и  для разработчиков наноэлектронных устройств. Нанокристаллы как аккумуляторы можно использовать практически везде, начиная с  компьютеров и  смартфонов и  заканчивая медициной. Технологии будущего: наноэлектроника и  нанофотоника  — тоже основаны на  их  применении. Наше исследование получит развитие в  изучении характеристик тонких пленок из  оксида никеля, где, вероятно, задействованы аналогичные механизмы, однако их  особенности еще предстоит обнаружить»,  — заключает Анатолий Зацепин.

Работа выполнена в  новом подразделении УрФУ  — лаборатории «Фотоника и  ВУФ-спектроскопия» кафедры физических методов и  приборов контроля физико-технологического института УрФУ при участии зарубежных коллег из  Гамбурга и  Тартуского института физики Эстонской  АН.

  • Ознакомиться с исследованием
  • УрФУ — участник Проекта 5-100, ключевым результатом которого должно стать появление в России к 2020-му году современных университетов-лидеров с эффективной структурой управления и международной академической репутацией, способных задавать тенденции развития мирового высшего образования.
     
    По теме
    1. Срок подачи заявки: с 1 апреля 2024 года по 3 апреля 2024 года с 8.00 до 19:00 часов ежедневно посредством отправки письма на электронную почту социально значимого объекта;
    ОСТОРОЖНО. МОШЕННИКИ!!! - Газета Серовский рабочий По данным ГУ МВД России по Свердловской области, с начала года в регионе наблюдается тенденция роста преступлений, совершаемых от имени якобы «сотрудников ФСБ».
    Газета Серовский рабочий
    Осуждены похитители - SysertNews.Ru Чуть более года назад в Сысерти прогремела история о том как похитил девушку.
    SysertNews.Ru
    зенин.jpeg - ОТВ Отделение лучевой диагностики клиники «Здоровье 365» похоже на что-то космическое: мощные аппараты, куда «въезжает» человек, на экранах мониторов – разноцветные графики, схемы, проекции, выдающие максимально достоверную информацию.
    ОТВ
    В 2023 году процент смертей в СМП в Свердловской области оказался ниже, чем по стране Егор СОЛОВЬЕВ Догоспитальная летальность в Свердловской области оказалась на 0,8% ниже, чем в среднем по России Фото:
    КП Екатеринбург
    Я читаю и рисую 2024 - Библиотека Гавань Традиционная выставка картин Детской школы искусств памяти Владимира Алексеевича Кашкина.
    Библиотека Гавань
    Паруса надежды и веры в наших сердцах - GorodNS.Ru Театральная Салда начинает потихоньку привыкать, что время от времени на подмостках городского Дворца культуры происходит удивительное событие, имя которому – Премьера.
    GorodNS.Ru