什么是激子束缚能

激子是固体中的一种基本的元激发，是由库仑互作用互相束缚着的电子-空穴对。半导体吸收一个光子之后，电子由价带跃迁至导带，但是电子由于库仑作用仍然和价带中的空穴联系在一起。激子对描述半导体的光学特性有重要意义；Free Exciton自由激子束缚在杂质上--施主，受主，深能级杂质形成束缚激子(Tight Bond Exciton)。激子束缚能大，说明自由激子容易和杂志结合形成发光中心。激子效应对半导体中的光吸收、发光、激射和光学非线性作用等物理过程具有重要影响，并在半导体光电子器件的研究和开发中得到了重要的应用。与半导体体材料相比，在量子化的低维电子结构中，激子的束缚能要大得多，激子效应增强，而且在较高温度或在电场作用下更稳定。在半导体吸收光谱中,本征的带间吸收过程是指半导体吸收一个光子后,在导带和价带同时产生一对自由的电子和空穴.但实际上除了在吸收带边以上产生连续谱吸收区以外,还可以观测到存在着分立的吸收谱线,这些谱线是由激子吸收引起的,其能谱结构与氢原子的吸收谱线非常类似.激子谱线的产生是由于当固体吸收光子时,电子虽已从价带激发到导带,但仍因库仑作用而和价带中留下的空穴联系在一起,形成了激子态. 自由激子作为一个整体可以在半导体中运动.这种因静电库仑作用而束缚在一起的电子空穴对是一种电中性的、非导电性的电子激发态.与氢原子一样,激子也具有相应的基态和激发态,但其能量状态与固体中的介电效应和电子空穴的有效质量有关.实际上,固体中的激子态可用类氢模型加以描述,并按此模型很好地估算出激子在带边下方分立能级的能态和电离能。总的来说,宽禁带的半导体材料,激子束缚能较大,而激子玻尔半径则比较小.而禁带较窄的材料,其激子电离能较小,激子玻尔半径则较大。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,使缺陷中心荷电,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.现在,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 KbT(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KbT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.在一些发光二极管和特殊发光器件的实际应用中,激子发光是一种重要的发光机制,特别是在一些间接带半导体材料和低维结构半导体材料制成的发光二极管中,激子发光跃迁被证明往往起着关键性的作用.例如用氮化物材料可制成篮绿光和紫外光发光二极管.众所周知,氮化物及其合金中一般缺陷浓度是很大的,但发光效率却很高,原因是受到局域化的激子有很高的复合几率,使得载流子在到达非辐射复合中心之前,就通过激子复合对发光作出贡献.人们认为, InGaN/GaN量子阱之所以发光效率很高,与InGaN中存在着组分分凝,甚至形成了量子点,激子发光得到加强有关。

对于非中心对称体系，在打破时间反演对称性后，其电荷输运性质可表现出非互易性，即单向磁电阻。不同于重金属/铁磁体或者拓扑绝缘体/铁磁体异质结的单向磁电阻，非中心对称体系的非互易输运并不需要磁性界面的参与。近年来，人们在极性半导体、拓扑绝缘体以及界面/表面Rashba等体系中观测到大的非互易电荷输运特性，但是非互易电荷输运特性仅存在于低温，这严重制约了其实际应用。寻找具有室温非互易电荷输运的非中心对称材料，以实现基于非互易响应的新型两端口整流器件是目前国际上研究的热点之一。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室成昭华课题组利用分子束外延技术生长出高质量的铁电Rashba半导体薄膜α-GeTe。前期的角分辨光电子能谱（ARPES）测量结果显示，α-GeTe同时具有表面和体Rashba能带结构，其体Rashba系数可至~4.3 eVÅ，对应的自旋劈裂能高达~2300 KBT【Xu Yang et al., Nano Lett . 21, 77–83(2021)】，这为实现室温非互易输运提供了可能性。最近，他们与沙特阿卜杜拉国王 科技 大学张西祥教授课题组合作，基于二次谐波探测技术，在α-GeTe中探测到可达室温的非互易输运行为，发现单向磁电阻与电流和外磁场强度均成正比。进一步研究表明非互易输运系数随着温度的增加而呈现非单调变化，这有别于以往的研究体系中非互易输运系数随着温度的增加而急剧减小的规律。

他们提出了Rashba体系中非线性的自旋流和电荷流的转换模型，很好地解释了实验结果，并确定α-GeTe的非互易电荷输运主要源于其体Rashba能带贡献。该工作不仅为未来整流器件的研究提供了新的思路，并且阐述了Rashba体系中非互易输运的微观机制。

相关工作近期发表于学术期刊《自然通讯》(Nature Communications).

博士后李岩（物理所博士毕业生）、博士生李阳为论文共同第一作者，成昭华研究员和沙特阿卜杜拉国王 科技 大学的张西祥教授为共同通讯作者。艾克斯-马赛大学的Aurélien Manchon教授给予了理论指导。该项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院前沿科学研究计划的资助以及阿卜杜拉国王 科技 大学的支持。

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