激子的激子效应

激子效应对半导体中的物理过程和光学性质具有重要的影响.激子的吸收和复合直接影响半导体的光吸收和发光，而且，作为固体中的一种元激发，其状态与母体材料的电子能带性质和外场的作用紧密相关.此外，自由激子在半导体中可以受到杂质或缺陷中心在空间上的束缚，形成所谓的束缚激子。其吸收谱线能量位置略低于自由激子的吸收谱线.激子在电中性缺陷上的束缚过程大致可分为两种，它可以是一个自由激子整体地受到缺陷中心的束缚，也可以是一个电荷（电子或空穴）首先被缺陷的近程势所束缚，使缺陷中心带上电荷,然后再通过库仑互作用（远程势）束缚一个电荷相反的空穴或电子，形成束缚激子.束缚激子在半导体发光中有非常重要的地位.在间接带半导体材料中，由于动量选择定则的限制，材料的发光通常是很弱的，但如果存在束缚激子，其波函数在空间上是局域化的，因而发光跃迁的动量选择定则大大放松，无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率.这样，间接带材料的发光效率将大大增强。

例如，在间接带Ⅲ-Ⅴ族半导体材料磷化镓（GaP）中，通过掺入Ⅴ族氮原子（或同时掺入能形成施主受主对的锌和氧），发光就可大大增强，其原因就是因为氮在晶格中代替磷位，是一种电中性的替位式等电子杂质.这种杂质中心由于其电负性与主晶格原子不同，原子尺寸不同等原因，在晶格中会产生作用距离较短的近程势，并使激子束缚在其位置附近形成束缚激子.实验上，在掺氮的GaP中已观测到单个氮原子以及成对氮原子所引起的很强的束缚激子发光，这类掺杂方法已成为制造GaP和GaAsP等可见光发光二极管的基本工艺.

激子是由库仑作用结合在一起的电子空穴对，其稳定性取决于温度、电场、载流子浓度等因素.当样品温度较高时，激子谱线由于声子散射等原因而变宽.而当kT(k是玻尔兹曼常数）值接近或大于激子电离能时，激子会因热激发而发生分解.所以，在许多半导体材料中，只有低温下才能观测到清晰的激子发光，而当温度升高后，激子谱线会展宽，激子发光强度降低，以至发生淬灭.另外，在电场的作用下，电子和空穴分别向相反方向运动，因而当半导体处于电场作用下时，激子效应也将减弱,甚至由于电场离化而失效.而当样品中载流子浓度很大时，由于自由电荷对库仑场的屏蔽作用，激子也可能分解.这些影响激子稳定性的物理因素在光电器件应用中，可以作为对激子效应和相关的光学性质进行可控调制的有效手段.但对发光和激光器件来说，特别是对一些需要在室温下大浓度注入条件工作的器件来说，将产生一些不利的影响，使激子效应的应用受到限制.总的来说，当激子束缚能较大时，激子相对比较稳定.如在宽禁带半导体材料（如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和氮化物）以及下面要更详细讨论的半导体量子阱等低维结构中，激子束缚能一般比较大，即使在室温下，激子束缚能也比kT大许多，吸收光谱中能看到明显的激子吸收，激子效应不易淬灭，甚至已实现了以激子复合效应为主的激光器件.

由于吸收光子在固体中产生的可移动的束缚的电子-空穴对。

在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子。通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半导体中；后者电子和空穴束缚在体元胞范围内，库仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中。

中国科学院半导体研究所李树深研究员、夏建白院士在《2006科学发展报告》发表了一篇题为“激子和相关现象”的文章。文章指出，早在20世纪30年代，科学家就对激子开始了研究。20世纪60年代以前，人们对激子的研究主要集中在理论方面。激光技术发明以后，大大促进了人们对激子的实验研究。特别是飞秒激光技术日益完善，大大促进了人们对激子超快相干过程的研究。20世纪70年代以前，人们对激子的研究仅限于体材料。随着低维材料生长与加工技术的进步，20世纪的最后20年，低维材料中激子特性的研究成为主流。

信息产业迅速发展，已经成为支柱产业之一。光电子是信息产业中的重要领域。在有源发光器件中，激子发光占据重要地位。器件应用的牵引作用，也极大地促进了人们对激子的广泛研究。

作者着重对未来重要研究方向及其可能进展进行了展望： 性质

受各种波长发光器件（特别是半导体激光器）需求的市场牵引，近20年来，人们对多种半导体材料（包括低维复合材料）进行了广泛研究。理论与实验取得了基本一致的研究成果。预计在未来10到20年时间范围内，随着纳米加工技术的进一步提高，各种新型微结构将会源源不断的涌现出来。这些新型人工微结构中的激子线性和非线性发光特性的研究仍将是热点研究内容之一。理论与实验的紧密结合，将对新型发光器件的研制提供有力保障。 动力学

对不同种类与结构的材料，激子寿命在皮秒到微秒的范围内。在激子形成后，激子的动力学行为是到未来若干年内热点研究课题之一。利用超短脉冲技术，人们可以对特定结构内激子态进行有效调控。制备各种理想激子态，并对其进行相干控制，是人们多年来的追求目标，对基础和应用研究都有重要意义。 量子信息

量子信息是发展起来的新型交叉学科，她是将20世纪取得巨大成就的经典信息理论与量子力学相结合后的产物。固态量子信息是量子信息未来的发展方向，是量子信息走向实用化的必然目标。人们设想激子态可以作为量子信息的有效载体。通过不同激子态之间的纠缠，可以对激子携带的量子信息进行交换、传递和处理。人们已经对单个量子点中不同磁激子之间用光激发诱导实现了激子之间的量子纠缠。距离相近的两个量子点可以形成所谓的量子点分子，在这种结构中激子的纠缠特性已经有了理论研究。用光学方法，人们已经对单个量子点内双激子进行了量子逻辑门 *** 作。但无论从理论或实验角度来看，激子在固态量子信息中的应用研究还刚刚开始。 波色

对低维半导体结构中的激子的波色－爱因斯坦凝聚研究是未来的研究热点之一。关于固体中激子的波色－爱因斯坦凝聚现象还有许多争论，理论方法还在发展中。随着量子信息研究热潮的兴起，人们提出激子可以作为固态量子信息的载体之一，低维半导体中激子波色－爱因斯坦凝聚提供了固态量子信息处理的理想基态。（摘自科学出版社出版的《2006科学发展报告》）

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