激子，非金屬晶體導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴，由于庫侖吸引作用組成的類似氫原子的復(fù)合體；價(jià)帶中的電子如果獲得足夠能量（如吸收光子）進(jìn)入導(dǎo)帶，在價(jià)帶中便留下空穴。由于電子帶負(fù)電荷，空穴帶正電荷，激子由兩者之間的庫侖吸引作用產(chǎn)生；激子是玻色子，服從玻色—阿爾伯特·愛因斯坦統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。
激子是電中性的，對導(dǎo)電過程沒有貢獻(xiàn)；受到熱運(yùn)動能量的影響，激子將電離成為自由運(yùn)動的電子和空穴，最終它們復(fù)合而發(fā)出相應(yīng)頻率的光。激子的能級也是分立的，分布在禁帶中靠導(dǎo)帶底的區(qū)域，對晶體光吸收的長波有明顯影響，出現(xiàn)新的吸收帶，并可由此測得激子的結(jié)合能，即激子基態(tài)能級離導(dǎo)帶底的能量值，如GaAs中激子的結(jié)合能為4.2毫電子伏，而氯化鉀晶體中激子結(jié)合能為400毫電子伏。激子中的電子和空穴相距比晶格常數(shù)大很多的稱為莫特—萬尼爾激子，電子和空穴間距比晶格常數(shù)小的稱為弗侖克爾激子。晶體中的激子，其電子與空穴在同一原子中是這種激子的實(shí)例，其結(jié)合能為1.5電子伏。
定義
一個(gè)激發(fā)態(tài)分子S*與它的一個(gè)基態(tài)分子S結(jié)合形成一個(gè)瞬態(tài)激發(fā)態(tài)二聚體(SS)*，被稱作激子或激基締合物，它比較容易在芳香族溶液體系中形成，S*+S←→(SS)*→S+S+hv通常激子的能量低于激發(fā)態(tài)分子。因此，這種激子去活時(shí)發(fā)出的熒光具較長的波長。
原理
由于吸收光子在固體中產(chǎn)生的可移動的束縛的電子空穴對。
在光躍遷過程中，被激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子和在價(jià)帶中的空穴由于庫侖相互作用，將形成一個(gè)束縛態(tài)，稱為激子。激子提供了能量平衡，使得激子體系的總能量略小于未束縛的電子和空穴的能量。
通?？煞譃槿f尼爾（Wannier）激子和弗倫克爾（Frenkel）激子，前者電子和空穴分布在較大的空間范圍，庫侖束縛較弱，電子“感受”到的是平均晶格勢與空穴的庫侖靜電勢，這種激子主要是半導(dǎo)體中；后者電子和空穴束縛在體元胞范圍內(nèi)，庫侖作用較強(qiáng)，這種激子主要是在絕緣體中。
作用
激子是固體中的一種基本的元激發(fā)，是由庫侖互作用互相束縛著的電子空穴對。半導(dǎo)體吸收一個(gè)光子之后，電子由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，但是電子由于庫侖作用仍然和價(jià)帶中的空穴聯(lián)系在一起。
激子對描述半導(dǎo)體的光學(xué)特性有重要意義；自由激子束縛在雜質(zhì)上形成束縛激子。激子束縛能大，說明自由激子容易和雜質(zhì)結(jié)合形成發(fā)光中心。激子效應(yīng)對半導(dǎo)體中的光吸收、發(fā)光、激射和光學(xué)非線性作用等物理過程具有重要影響，并在半導(dǎo)體光電子器件的研究和開發(fā)中得到了重要的應(yīng)用。與半導(dǎo)體體材料相比，在量子化的低維電子結(jié)構(gòu)中，激子的束縛能要大得多，激子效應(yīng)增強(qiáng)，而且在較高溫度或在電場作用下更穩(wěn)定。
在半導(dǎo)體吸收光譜中，本征的帶間吸收過程是指半導(dǎo)體吸收一個(gè)光子后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶同時(shí)產(chǎn)生一對自由的電子和空穴。但實(shí)際上除了在吸收帶邊以上產(chǎn)生連續(xù)譜吸收區(qū)以外，還可以觀測到存在著分立的吸收譜線，這些譜線是由激子吸收引起的，其能譜結(jié)構(gòu)與氫原子的吸收譜線非常類似。激子譜線的產(chǎn)生是由于當(dāng)固體吸收光子時(shí)，電子雖已從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，但仍因庫侖作用而和價(jià)帶中留下的空穴聯(lián)系在一起，形成了激子態(tài)。自由激子作為一個(gè)整體可以在半導(dǎo)體中運(yùn)動。這種因靜電庫侖作用而束縛在一起的電子空穴對是一種電中性的、非導(dǎo)電性的電子激發(fā)態(tài)。
與氫原子一樣，激子也具有相應(yīng)的基態(tài)和激發(fā)態(tài)，但其能量狀態(tài)與固體中的介電效應(yīng)和電子空穴的有效質(zhì)量有關(guān)。實(shí)際上，固體中的激子態(tài)可用類氫模型加以描述，并按此模型很好地估算出激子在帶邊下分立能級的能態(tài)和電離能。
總的來說，寬禁帶的半導(dǎo)體材料，激子束縛能較大，而激子玻爾半徑則比較小。而禁帶較窄的材料，其激子電離能較小，激子玻爾半徑則較大。
效應(yīng)
激子效應(yīng)對半導(dǎo)體中的物理過程和光學(xué)性質(zhì)具有重要的影響。激子的吸收和復(fù)合直接影響半導(dǎo)體的光吸收和發(fā)光，而且，作為固體中的一種元激發(fā)，其狀態(tài)與母體材料的電子能帶性質(zhì)和外場的作用緊密相關(guān)。此外，自由激子在半導(dǎo)體中可以受到雜質(zhì)或缺陷中心在空間上的束縛，形成所謂的束縛激子。其吸收譜線能量位置略低于自由激子的吸收譜線。激子在電中性缺陷上的束縛過程大致可分為兩種，它可以是一個(gè)自由激子整體地受到缺陷中心的束縛，也可以是一個(gè)電荷（電子或空穴）首先被缺陷的近程勢所束縛，使缺陷中心帶上電荷，然后再通過庫侖互作用（遠(yuǎn)程勢）束縛一個(gè)電荷相反的空穴或電子，形成束縛激子。束縛激子在半導(dǎo)體發(fā)光中有非常重要的地位。在間接帶半導(dǎo)體材料中，由于動量選擇定則的限制，材料的發(fā)光通常是很弱的，但如果存在束縛激子，其波函數(shù)在空間上是局域化的，因而發(fā)光躍遷的動量選擇定則大大放松，無須聲子參與就可能具有很大的發(fā)光躍遷幾率。這樣，間接帶材料的發(fā)光效率將大大增強(qiáng)。
例如，在間接帶Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料磷化鎵（GaP）中，通過摻入Ⅴ族氮（或同時(shí)摻入能形成施主受主對的鋅和氧），發(fā)光就可大大增強(qiáng)，其原因就是因?yàn)榈诰Ц裰写媪孜?，是一種電中性的替位式等電子雜質(zhì)。這種雜質(zhì)中心由于其電負(fù)性與主晶格原子不同，原子尺寸不同等原因，在晶格中會產(chǎn)生作用距離較短的近程勢，并使激子束縛在其位置附近形成束縛激子。實(shí)驗(yàn)上，在摻氮的GaP中已觀測到單個(gè)氮原子以及成對氮原子所引起的很強(qiáng)的束縛激子發(fā)光，這類摻雜方法已成為制造GaP和GaAsP等可見光發(fā)光二極管的基本工藝。
激子是由庫侖作用結(jié)合在一起的電子空穴對，其穩(wěn)定性取決于溫度、電場、載流子濃度等因素。當(dāng)樣品溫度較高時(shí)，激子譜線由于聲子散射等原因而變寬。而當(dāng)kT(k是玻爾茲曼常數(shù)）值接近或大于激子電離能時(shí)，激子會因熱激發(fā)而發(fā)生分解。所以，在許多半導(dǎo)體材料中，只有低溫下才能觀測到清晰的激子發(fā)光，而當(dāng)溫度升高后，激子譜線會展寬，激子發(fā)光強(qiáng)度降低，以至發(fā)生滅。另外，在電場的作用下，電子和空穴分別向相反方向運(yùn)動，因而當(dāng)半導(dǎo)體處于電場作用下時(shí)，激子效應(yīng)也將減弱，甚至由于電場離化而失效。而當(dāng)樣品中載流子濃度很大時(shí)，由于自由電荷對庫侖場的屏蔽作用，激子也可能分解。這些影響激子穩(wěn)定性的物理因素在光電器件應(yīng)用中，可以作為對激子效應(yīng)和相關(guān)的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行可控調(diào)制的有效手段。但對發(fā)光和激光器件來說，特別是對一些需要在室溫下大濃度注入條件工作的器件來說，將產(chǎn)生一些不利的影響，使激子效應(yīng)的應(yīng)用受到限制?？偟膩碚f，當(dāng)激子束縛能較大時(shí)，激子相對比較穩(wěn)定。如在寬禁帶半導(dǎo)體材料（如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和氮化物）以及下面要更詳細(xì)討論的半導(dǎo)體量子阱等低維結(jié)構(gòu)中，激子束縛能一般比較大，即使在室溫下，激子束縛能也比kT大許多，吸收光譜中能看到明顯的激子吸收，激子效應(yīng)不易淬滅，甚至已實(shí)現(xiàn)了以激子復(fù)合效應(yīng)為主的激光器件。
應(yīng)用
在一些發(fā)光二極管和特殊發(fā)光器件的實(shí)際應(yīng)用中，激子發(fā)光是一種重要的發(fā)光機(jī)制，特別是在一些間接帶半導(dǎo)體材料和低維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料制成的發(fā)光二極管中，激子發(fā)光躍遷被證明往往起著關(guān)鍵性的作用。例如用氮化物材料可制成籃綠光和紫外光發(fā)光二極管。眾所周知，氮化物及其合金中一般缺陷濃度是很大的，但發(fā)光效率卻很高，原因是受到局域化的激子有很高的復(fù)合幾率，使得載流子在到達(dá)非輻射復(fù)合中心之前，就通過激子復(fù)合對發(fā)光作出貢獻(xiàn)。人們認(rèn)為，InGaN/GaN量子阱之所以發(fā)光效率很高，與InGaN中存在著組分分凝，甚至形成了量子點(diǎn)，激子發(fā)光得到加強(qiáng)有關(guān)。
現(xiàn)象
中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所李樹深研究員、夏建白院士在《2006科學(xué)發(fā)展報(bào)告》發(fā)表了一篇題為“激子和相關(guān)現(xiàn)象”的文章。文章指出，早在20世紀(jì)30年代，科學(xué)家就對激子開始了研究。20世紀(jì)60年代以前，人們對激子的研究主要集中在理論方面。激光技術(shù)發(fā)明以后，大大促進(jìn)了人們對激子的實(shí)驗(yàn)研究。特別是飛秒激光技術(shù)日益完善，大大促進(jìn)了人們對激子超快相干過程的研究。20世紀(jì)70年代以前，人們對激子的研究僅限于體材料。隨著低維材料生長與加工技術(shù)的進(jìn)步，20世紀(jì)的最后20年，低維材料中激子特性的研究成為主流。
第四產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，已經(jīng)成為支柱產(chǎn)業(yè)之一。光電子是信息產(chǎn)業(yè)中的重要領(lǐng)域。在有源發(fā)光器件中，激子發(fā)光占據(jù)重要地位。器件應(yīng)用的牽引作用，也極大地促進(jìn)了人們對激子的廣泛研究。
作者著重對未來重要研究方向及其可能進(jìn)展進(jìn)行了展望：
性質(zhì)
受各種波長發(fā)光器件（特別是半導(dǎo)體激光器）需求的市場牽引，近20年來，人們對多種半導(dǎo)體材料（包括低維復(fù)合材料）進(jìn)行了廣泛研究。理論與實(shí)驗(yàn)取得了基本一致的研究成果。預(yù)計(jì)在未來10到20年時(shí)間范圍內(nèi)，隨著納米加工技術(shù)的進(jìn)一步提高，各種新型微結(jié)構(gòu)將會源源不斷的涌現(xiàn)出來。這些新型人工微結(jié)構(gòu)中的激子線性和非線性發(fā)光特性的研究仍將是熱點(diǎn)研究內(nèi)容之一。理論與實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合，將對新型發(fā)光器件的研制提供有力保障。
動力學(xué)
對不同種類與結(jié)構(gòu)的材料，激子壽命在皮秒到微秒的范圍內(nèi)。在激子形成后，激子的動力學(xué)行為是到未來若干年內(nèi)熱點(diǎn)研究課題之一。利用超短脈沖技術(shù)，人們可以對特定結(jié)構(gòu)內(nèi)激子態(tài)進(jìn)行有效調(diào)控。制備各種理想激子態(tài)，并對其進(jìn)行相干控制，是人們多年來的追求目標(biāo)，對基礎(chǔ)和應(yīng)用研究都有重要意義。
量子信息
量子信息是發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，她是將20世紀(jì)取得巨大成就的經(jīng)典信息理論與量子力學(xué)相結(jié)合后的產(chǎn)物。固態(tài)量子信息是量子信息未來的發(fā)展方向，是量子信息走向?qū)嵱没谋厝荒繕?biāo)。人們設(shè)想激子態(tài)可以作為量子信息的有效載體。通過不同激子態(tài)之間的糾纏，可以對激子攜帶的量子信息進(jìn)行交換、傳遞和處理。人們已經(jīng)對單個(gè)量子點(diǎn)中不同磁激子之間用光激發(fā)誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了激子之間的量子糾纏。距離相近的兩個(gè)量子點(diǎn)可以形成所謂的量子點(diǎn)分子，在這種結(jié)構(gòu)中激子的糾纏特性已經(jīng)有了理論研究。用光學(xué)方法，人們已經(jīng)對單個(gè)量子點(diǎn)內(nèi)雙激子進(jìn)行了量子邏輯門操作。但無論從理論或?qū)嶒?yàn)角度來看，激子在固態(tài)量子信息中的應(yīng)用研究還剛剛開始。
波色
對低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的激子的波色－阿爾伯特·愛因斯坦凝聚研究是未來的研究熱點(diǎn)之一。關(guān)于固體中激子的波色－愛因斯坦凝聚現(xiàn)象還有許多爭論，理論方法還在發(fā)展中。隨著量子信息研究熱潮的興起，人們提出激子可以作為固態(tài)量子信息的載體之一，低維半導(dǎo)體中激子波色－愛因斯坦凝聚提供了固態(tài)量子信息處理的理想基態(tài)。（摘自科學(xué)出版社出版的《2006科學(xué)發(fā)展報(bào)告》）
證實(shí)
加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的物理學(xué)家證明，一種稱為激子（excitons）的粒子，因其在衰變時(shí)可發(fā)出閃光，有可能被應(yīng)用于一種新形態(tài)的運(yùn)算，從而加快通信速度。該校物理教授萊昂尼德?布托夫及其同事，已制造出數(shù)個(gè)基于激子的晶體管，這些晶體管有望成為新型電腦的基本模塊，他們所裝配出的電路也成為世界上第一個(gè)使用激子的運(yùn)算裝置。該成果發(fā)表的《科學(xué)》（Science）雜志網(wǎng)絡(luò)版上。晶體管是汽車傳感器的基本模塊，均使用電子來傳遞計(jì)算所需的信號。但幾乎所有的通信設(shè)備都使用光或光子來傳送信號，信令語言需要從電子轉(zhuǎn)換成光子，因而限制了電子設(shè)備的運(yùn)行速度。布托夫稱，新型晶體管使用激子來處理信號，如同電子一樣可由電壓來控制，但并不需要在電路的輸出端轉(zhuǎn)換成光子。由光在砷化鎵之類的半導(dǎo)體中制造出來的激子，可將帶負(fù)電的電子從一個(gè)帶正電的空穴中分離。如果這一對仍有連接，它就會形成激子。當(dāng)電子與空穴重新結(jié)合時(shí)，激子就會衰變，其能量將以一道閃光釋出。布托夫等人使用了一種特別類型的激子，電子與其空穴被限制在相距數(shù)個(gè)納米的不同量子阱。這樣的設(shè)置創(chuàng)造出了利用電極提供電壓來控制激子流動的機(jī)會。這些電壓“門”制造出的能量沖擊，能夠暫停激子的移動或允許它們的流動。一旦能量壁壘被移除，激子就能夠行進(jìn)到晶體管的輸出端，并轉(zhuǎn)換成光，直接饋入通信電路，排除了轉(zhuǎn)換信號的需要。研究人員表示，這種激子到光子的直接耦合，橋接了運(yùn)算與通信之間的缺口。科學(xué)家們通過將激子晶體管結(jié)合形成數(shù)種類型的開關(guān)，從而創(chuàng)造出一種簡單的集成電路，它能精確地指揮信號沿著一個(gè)或數(shù)個(gè)路徑前進(jìn)。因?yàn)榧ぷ拥乃俣群芸欤赃@些開關(guān)能迅速翻轉(zhuǎn)。到目前為止已證明可實(shí)現(xiàn)200皮秒（1皮秒為1萬億分之一秒）量級的切換時(shí)間。雖然激子運(yùn)算本身也許并沒有電子電路來得快，不過當(dāng)信號送往另一臺機(jī)器，或在一個(gè)芯片上以光學(xué)連接的不同部位間傳遞時(shí)，速度優(yōu)勢就會顯現(xiàn)出來。布托夫等人所研制的電路表明，激子可用來進(jìn)行運(yùn)算，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)將需要使用不同的材料。砷化鎵激子電路只能在低于40K（-233℃）的寒冷溫度下運(yùn)行，這是因激子結(jié)合能而產(chǎn)生的限制。溫度高于此，電子將不會與它們的空穴結(jié)合而在結(jié)構(gòu)中形成激子。研究人員表示，通過選擇不同半導(dǎo)體材料可增加運(yùn)行溫度。
與太陽能
美國羅格斯大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)，激子在有機(jī)半導(dǎo)體晶體紅熒烯中的擴(kuò)散距離從2微米到8微米不等，是以前認(rèn)為的1000多倍，該距離與激子在制備無機(jī)化合物太陽能電池的硅、化鎵等材料中的距離相媲美。而激子的擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，可以吸收的太陽光越多。這有望讓有機(jī)太陽能電池的成本更低、性能更卓越，或許可以取代硅基太陽能電池。
激子通?？煞譃槿f尼爾（Wannier）激子和弗倫克爾（Frenkel）激子。萬尼爾激子在晶格中國移動通信集團(tuán)得更快，因此，其產(chǎn)生光電的屬性更加突出。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，有機(jī)半導(dǎo)體紅熒烯晶體內(nèi)的激子的行為更像無機(jī)晶體中的萬尼爾激子的行為。而之前，科學(xué)家以為，有機(jī)半導(dǎo)體中只會出現(xiàn)弗倫克爾激子。因此，該實(shí)驗(yàn)證明，激子擴(kuò)散的障礙不是有機(jī)半導(dǎo)體的固有障礙，進(jìn)一步的研究有望研發(fā)出效率更高、可批量生產(chǎn)的有機(jī)太陽能電池。
參考資料 >
激子.中國大百科全書.2024-04-08