Российские ученые впервые в мире обнаружили экситоны в оксиде никеля
Москва, 18:25, 12 Янв 2018, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.
Российские ученые из Уральского федерального университета (УрФУ) совместно со своими коллегами из Института физики металлов Уральского отделения РАН изучили фундаментальные характеристики нанокристаллов оксида никеля и впервые обнаружили экситоны на краю поглощения света.
Экситон — электронно-дырочная пара, связанная с электростатическим взаимодействием, которое мигрирует в кристалле и передает энергию внутри него. Наличие экситона в исследуемой области позволяет детально исследовать краевые параметры в разрешенных энергетических диапазонах. Это может быть полезно для разработки оптоэлектронных устройств нового поколения. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physica B: Physics of Condensed Matter.
Невозможно представить современный мир без электричества. Благодаря способности проводить электричество все твердые объекты, жидкости и (при определенных обстоятельствах) газы делятся на проводники и диэлектрики. Первые проводят электричество, а последние, соответственно, нет. Группа между ними называется полупроводниками. В их случае проводимость возникает из-за движения заряженных электронов и дырок в кристалле. Они встречаются в системах с примесями, которые могут либо высвобождать, либо получать электроны, а также после облучения высокоэнергетическим светом.
«В физике полупроводников существует понятие фундаментального адсорбционного края, которое указывало на энергию краевого уровня световой адсорбции. Оно соответствует энергетической щели — области энергий, которые электрон должен пройти в процессе движения под воздействием света из валентной зоны (где она обычно располагается) в зону проводимости. Положительно заряженное пустое пространство, которое возникает в этом месте, называется дырой. Его электростатическое (кулоновское) взаимодействие с электроном в зоне проводимости обусловливает образование электронно-дырочной пары или экситона. В оптическом спектре его можно рассматривать как узкую линию немного ниже основного края адсорбции. Примечательно, что экситон не участвует в электропроводности, а передает поглощенную энергию», — комментирует Анатолий Зацепин , соавтор статьи и руководитель научной лаборатории УрФУ.
Энергия связи экситонов слишком мала, поэтому температура должна быть низкой, чтобы регистрировать их. После облучения светом короткого диапазона длин волн, такого как УФ-излучение, электронно-дырочная пара разрушается по мере того, как возбуждение слишком велико. Избыточная энергия выделяется также в виде излучения, и ее спектр может регистрироваться. Так были обнаружены экситоны в наноразмерных кристаллах оксида никеля. Следует отметить, что такая система сильно коррелирует, т. е. взаимодействие между ее частями очень сильное, что определяет появление таких интересных явлений. Исследовательская группа изучила основную границу адсорбции при низких температурах и обнаружила линии, в которых интенсивность уменьшалась при росте температуры. Эти факты, а также значения энергии указывают на их экситонную природу. Ученые также изучили фундаментальные характеристики нанокристаллов оксида магния с небольшими примесями никеля. В этом случае экситоны формировались при переходе электрона (и, следовательно, отрицательного заряда) из валентной зоны основного компонента в область примеси. Отверстие было связано с электростатическим полем, генерируемым электроном. Обнаружение экситонов является чувствительным инструментом для изучения сложной структуры пограничной области между валентной зоной и полосой проводимости в полупроводниках.
«Впервые обнаружены экситоны с переносом заряда на границе основной адсорбции в оксиде никеля и на примесной границе адсорбции в оксиде магния. Эти результаты могут представлять интерес для специалистов теоретической физики, которые изучают зонную структуру оксидов с сильными корреляциями. NiO долгое время считался прототипом таких оксидов, и многие расчетные схемы были протестированы с использованием этого объекта. Результаты могут также иметь значение для разработки новых оптоэлектронных устройств», — заключает Анатолий Зацепин.
Экспериментальная работа выполнена в новом отделении УрФУ — Физики функциональных материалов в лаборатории микро- и оптоэлектроники Института физики и технологии УрФУ.
