激子

激子是电子和电子空穴通过静电库仑力相互吸引的束缚态。 它是一种存在于绝缘体、半导体和一些液体中的电中性准粒子。 激子被认为是凝聚态物质的基本激发，可以在不传输净电荷的情况下传输能量。

当材料吸收比其带隙能量更高的光子时，就会形成激子。 这将电子从价带激发到导带。 反过来，这会留下一个带正电的电子空穴（对电子移动位置的抽象）。 由于空穴周围大量电子和激发电子的库仑排斥力，导带中的电子较少被该局部空穴吸引。 这些排斥力提供稳定的能量平衡。 因此，激子的能量略低于未结合的电子和空穴。 束缚态的波函数被称为氢原子，一种类似于氢原子的奇异原子态。 然而，结合能小得多，粒子的尺寸比氢原子大得多。 这是因为半导体中其他电子对库仑力的屏蔽（即其相对介电常数），以及激发电子和空穴的有效质量小。 电子和空穴的复合，即激子的衰变，由于电子和空穴波函数的重叠而受到共振稳定的限制，从而延长了激子的寿命。

电子和空穴可以具有平行或反平行自旋。 自旋通过交换相互作用耦合，产生激子精细结构。 在周期性晶格中，激子的特性表现出动量（k 向量）依赖性。

他提出，这种激发态能够以类似粒子的方式穿过晶格，而无需净转移电荷。

激子通常在小介电常数和大介电常数的两种极限情况下处理； 分别对应 Frenkel 激子和 Wannier-Mott 激子。

在介电常数相对较小的材料中，电子和空穴之间的库仑相互作用可能很强，因此激子往往很小，与晶胞尺寸的数量级相同。 分子激子甚至可能完全位于同一个分子上，就像在富勒烯中一样。 弗伦克尔激子通常存在于碱金属卤化物晶体和由芳香族分子组成的有机分子晶体中，例如蒽和并四苯。 Frenkel 激子的另一个例子包括在具有部分填充的 d 壳层的过渡金属化合物中的现场 d-d 激发。 虽然 d-d 跃迁原则上被对称性所禁止，但当对称性被结构松弛或其他效应破坏时，它们在晶体中变得微弱允许。 吸收与 d-d 跃迁共振的光子导致在单个原子位点上产生电子-空穴对，这可以被视为 Frenkel 激子。

在半导体中，介电常数通常很大。 因此，电场屏蔽往往会降低电子和空穴之间的库仑相互作用。 结果是 Wannier-Mott 激子，其半径大于晶格间距。 半导体典型的小有效电子质量也有利于大激子半径。 结果，晶格势能的影响可以合并到电子和空穴的有效质量中。 同样，由于较低的质量和屏蔽的库仑相互作用，结合能通常远小于氢原子的结合能，通常约为 0.01eV。

激子通常存在于具有小能隙和高介电常数的半导体晶体中，但也存在于液体中，例如液态氙。 它们也被称为大激子。

在单壁碳纳米管中，激子同时具有 Wannier-Mott 和 Frenkel 特性。 这是由于一维电子和空穴之间的库仑相互作用的性质。 纳米管本身的介电函数足够大，允许波函数的空间范围沿管轴延伸几纳米到几纳米，而纳米管外部真空或介电环境中的不良屏蔽允许大（ 0.4 至 1.0eV) 结合能。