Forskere fandt excitoner i nikkeloxid for første gang

Russiske videnskabsmænd fra Ural Federal University (UrFU), sammen med deres kolleger fra Institute of Metal Physics i Ural Department of Russian Academy of Sciences, har studeret fundamentale egenskaber ved nikkeloxidnanokrystaller og fundet excitoner på lysabsorptionskanten for første gang. En exciton er et elektron-hul-par bundet med elektrostatisk kobling, der migrerer i en krystal og transmitterer energi i den. Tilstedeværelsen af ​​en exciton i dette område giver mulighed for detaljeret forskning af kantparametre i tilladte energibånd. Dette kan være nyttigt til udviklingen af ​​næste generation af optoelektroniske enheder. Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i Physica B:Fysik af kondenseret stof tidsskrift.

Væsker og (under visse omstændigheder) gasser opdeles i ledere og dielektriske stoffer. Førstnævnte leder elektricitet, og sidstnævnte, henholdsvis, lade være med. Halvledere falder mellem disse to kategorier - ledningsevne opstår på grund af bevægelsen af ​​ladede elektroner og huller i krystallen. De findes i systemer med urenheder, der enten kan frigive eller modtage elektroner, samt efter bestråling med højenergilys.

"I halvledernes fysik, der er en forestilling om fundamental adsorptionskant, der indikerede lysadsorptionens kantniveauenergi. Det svarer til energigabet - det område af energier, en elektron skal passere i løbet af bevægelsen under påvirkning af lys fra valensbåndet (hvor det normalt er placeret) til ledningsevnebåndet. Et positivt ladet tomt rum, der opstår på dette sted, kaldes et hul. Dens elektrostatiske (coulombiske) interaktion med elektronen i ledningsbåndet forårsager dannelsen af ​​et elektron-hul-par, eller og exciton. I det optiske spektrum kan det ses som en smal linje lidt under den fundamentale adsorptionskant. Især en exciton deltager ikke i elektrisk ledningsevne, men overfører den absorberede energi, " siger Anatoly Zatsepin, en medforfatter til artiklen, og leder af et videnskabeligt laboratorium på UrFU.

Excitonbindingsenergien er for lav, så temperaturen skal være lav for at kunne registrere dem. Efter at være blevet bestrålet med lys med kort bølgelængde, et elektron-hul-par kollapser, da excitationen er for høj. Overdreven energi frigives også i form af stråling, og dets spektrum kan registreres. Sådan blev excitoner fundet i krystaller af nikkeloxid i nanostørrelse. Et system som dette er meget korreleret, dvs. interaktionen mellem dens dele er meget stærk. Forskerholdet undersøgte den fundamentale adsorptionskant ved lave temperaturer og fandt linjer, hvor intensiteten faldt, når temperaturen voksede.

Disse fakta, samt energiværdierne, angive deres exciton karakter. Forskere studerede også grundlæggende egenskaber ved magnesiumoxid-nanokrystaller med små blandinger af nikkel. I dette tilfælde, excitoner dannet ved overgangen af ​​elektronen (og derfor den negative ladning) fra valensbåndet af hovedkomponenten til blandingsområdet. Hullet var bundet med et elektrostatisk felt genereret af elektronen. Detektionen af ​​excitoner er et følsomt værktøj til at studere den komplicerede struktur af grænseområdet mellem valensbåndet og ledningsevnebåndet i halvledere.

"Vi fandt først excitoner med ladningsoverførsel ved grænsen af ​​fundamental adsorption i nikkeloxid og ved urenhedsadsorptionskanten i magnesiumoxid. Disse resultater kan være interessante for specialister i teoretisk fysik, som studerer båndstrukturen af ​​oxider med stærke korrelationer. NiO har været betragtet som prototype af sådanne oxider i lang tid, og mange beregningsskemaer er blevet testet med dette objekt. Resultaterne kan også være relevante for udviklingen af ​​nye optoelektroniske enheder, " siger Anatoly Zatsepin.