激子

一個激發態分子S*與它的一個基態分子S結合形成一個瞬態激發態二聚體(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通常激子的能量低於激發態分子。因此，這種激子去活時發出的熒光具較長的波長。

由於吸收光子在固體中產生的可移動的束縛的電子-空穴對。

在光躍遷過程中，被激發到導帶中的電子和在價帶中的空穴由於庫侖相互作用，將形成一個束縛態，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於未束縛的電子和空穴的能量。

通常可分為萬尼爾（Wannier）激子和弗倫克爾（Frenkel）激子，前者電子和空穴分佈在較大的空間範圍，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體中；後者電子和空穴束縛在體元胞範圍內，庫侖作用較強，這種激子主要是在絕緣體中。

激子是固體中的一種基本的元激發，是由庫侖互作用互相束縛著的電子-空穴對。半導體吸收一個光子之後，電子由價帶躍遷至導帶，但是電子由於庫侖作用仍然和價帶中的空穴聯繫在一起。

激子對描述半導體的光學特性有重要意義；自由激子束縛在雜質上形成束縛激子。激子束縛能大，說明自由激子容易和雜質結合形成發光中心。激子效應對半導體中的光吸收、發光、激射和光學非線性作用等物理過程具有重要影響，並在半導體光電子器件的研究和開發中得到了重要的應用。與半導體體材料相比，在量子化的低維電子結構中，激子的束縛能要大得多，激子效應增強，而且在較高溫度或在電場作用下更穩定。

在半導體吸收光譜中，本徵的帶間吸收過程是指半導體吸收一個光子后，在導帶和價帶同時產生一對自由的電子和空穴。但實際上除了在吸收帶邊以上產生連續譜吸收區以外，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，其能譜結構與氫原子的吸收譜線非常類似。激子譜線的產生是由於當固體吸收光子時，電子雖已從價帶激發到導帶，但仍因庫侖作用而和價帶中留下的空穴聯繫在一起，形成了激子態。自由激子作為一個整體可以在半導體中運動。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、非導電性的電子激發態。

與氫原子一樣，激子也具有相應的基態和激發態，但其能量狀態與固體中的介電效應和電子空穴的有效質量有關。實際上，固體中的激子態可用類氫模型加以描述，並按此模型很好地估算出激子在帶邊下分立能級的能態和電離能。

總的來說，寬禁帶的半導體材料，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。

激子效應對半導體中的物理過程和光學性質具有重要的影響。激子的吸收和複合直接影響半導體的光吸收和發光，而且，作為固體中的一種元激發，其狀態與母體材料的電子能帶性質和外場的作用緊密相關。此外，自由激子在半導體中可以受到雜質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於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，它可以是一個自由激子整體地受到缺陷中心的束縛，也可以是一個電荷（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，然後再通過庫侖互作用（遠程勢）束縛一個電荷相反的空穴或電子，形成束縛激子。束縛激子在半導體發光中有非常重要的地位。在間接帶半導體材料中，由於動量選擇定則的限制，材料的發光通常是很弱的，但如果存在束縛激子，其波函數在空間上是局域化的，因而發光躍遷的動量選擇定則大大放鬆，無須聲子參與就可能具有很大的發光躍遷幾率。這樣，間接帶材料的發光效率將大大增強。

例如，在間接帶Ⅲ-Ⅴ族半導體材料磷化鎵（GaP）中，通過摻入Ⅴ族氮原子（或同時摻入能形成施主受主對的鋅和氧），發光就可大大增強，其原因就是因為氮在晶格中代替磷位，是一種電中性的替位式等電子雜質。這種雜質中心由於其電負性與主晶格原子不同，原子尺寸不同等原因，在晶格中會產生作用距離較短的近程勢，並使激子束縛在其位置附近形成束縛激子。實驗上，在摻氮的GaP中已觀測到單個氮原子以及成對氮原子所引起的很強的束縛激子發光，這類摻雜方法已成為製造GaP和GaAsP等可見光發光二極體的基本工藝。

激子是由庫侖作用結合在一起的電子空穴對，其穩定性取決於溫度、電場、載流子濃度等因素。當樣品溫度較高時，激子譜線由於聲子散射等原因而變寬。而當kT(k是玻爾茲曼常數）值接近或大於激子電離能時，激子會因熱激發而發生分解。所以，在許多半導體材料中，只有低溫下才能觀測到清晰的激子發光，而當溫度升高后，激子譜線會展寬，激子發光強度降低，以至發生淬滅。另外，在電場的作用下，電子和空穴分別向相反方向運動，因而當半導體處於電場作用下時，激子效應也將減弱，甚至由於電場離化而失效。而當樣品中載流子濃度很大時，由於自由電荷對庫侖場的屏蔽作用，激子也可能分解。這些影響激子穩定性的物理因素在光電器件應用中，可以作為對激子效應和相關的光學性質進行可控調製的有效手段。但對發光和激光器件來說，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，將產生一些不利的影響，使激子效應的應用受到限制。總的來說，當激子束縛能較大時，激子相對比較穩定。如在寬禁帶半導體材料（如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和氮化物）以及下面要更詳細討論的半導體量子阱等低維結構中，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，激子效應不易淬滅，甚至已實現了以激子複合效應為主的激光器件。

在一些發光二極體和特殊發光器件的實際應用中，激子發光是一種重要的發光機制，特別是在一些間接帶半導體材料和低維結構半導體材料製成的發光二極體中，激子發光躍遷被證明往往起著關鍵性的作用。例如用氮化物材料可製成籃綠光和紫外光發光二極體。眾所周知，氮化物及其合金中一般缺陷濃度是很大的，但發光效率卻很高，原因是受到局域化的激子有很高的複合幾率，使得載流子在到達非輻射複合中心之前，就通過激子複合對發光作出貢獻。人們認為，InGaN/GaN量子阱之所以發光效率很高，與InGaN中存在著組分分凝，甚至形成了量子點，激子發光得到加強有關。

中國科學院半導體研究所李樹深研究員、夏建白院士在《2006科學發展報告》發表了一篇題為“激子和相關現象”的文章。文章指出，早在20世紀30年代，科學家就對激子開始了研究。20世紀60年代以前，人們對激子的研究主要集中在理論方面。激光技術發明以後，大大促進了人們對激子的實驗研究。特別是飛秒激光技術日益完善，大大促進了人們對激子超快相干過程的研究。20世紀70年代以前，人們對激子的研究僅限於體材料。隨著低維材料生長與加工技術的進步，20世紀的最後20年，低維材料中激子特性的研究成為主流。

信息產業迅速發展，已經成為支柱產業之一。光電子是信息產業中的重要領域。在有源發光器件中，激子發光佔據重要地位。器件應用的牽引作用，也極大地促進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展進行了展望：

受各種波長發光器件（特別是半導體激光器）需求的市場牽引，近20年來，人們對多種半導體材料（包括低維複合材料）進行了廣泛研究。理論與實驗取得了基本一致的研究成果。預計在未來10到20年時間範圍內，隨著納米加工技術的進一步提高，各種新型微結構將會源源不斷的湧現出來。這些新型人工微結構中的激子線性和非線性發光特性的研究仍將是熱點研究內容之一。理論與實驗的緊密結合，將對新型發光器件的研製提供有力保障。

對不同種類與結構的材料，激子壽命在皮秒到微秒的範圍內。在激子形成后，激子的動力學行為是到未來若干年內熱點研究課題之一。利用超短脈衝技術，人們可以對特定結構內激子態進行有效調控。製備各種理想激子態，並對其進行相干控制，是人們多年來的追求目標，對基礎和應用研究都有重要意義。

量子信息是發展起來的新型交叉學科，她是將20世紀取得巨大成就的經典信息理論與量子力學相結合后的產物。固態量子信息是量子信息未來的發展方向，是量子信息走向實用化的必然目標。人們設想激子態可以作為量子信息的有效載體。通過不同激子態之間的糾纏，可以對激子攜帶的量子信息進行交換、傳遞和處理。人們已經對單個量子點中不同磁激子之間用光激發誘導實現了激子之間的量子糾纏。距離相近的兩個量子點可以形成所謂的量子點分子，在這種結構中激子的糾纏特性已經有了理論研究。用光學方法，人們已經對單個量子點內雙激子進行了量子邏輯門操作。但無論從理論或實驗角度來看，激子在固態量子信息中的應用研究還剛剛開始。

對低維半導體結構中的激子的波色－愛因斯坦凝聚研究是未來的研究熱點之一。關於固體中激子的波色－愛因斯坦凝聚現象還有許多爭論，理論方法還在發展中。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量子信息的載體之一，低維半導體中激子波色－愛因斯坦凝聚提供了固態量子信息處理的理想基態。（摘自科學出版社出版的《2006科學發展報告》）

美國加州大學聖迭戈分校的物理學家證明，一種稱為激子（excitons）的粒子，因其在衰變時可發出閃光，有可能被應用於一種新形態的運算，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，已製造出數個基於激子的晶體管，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使用激子的運算裝置。該成果發表的《科學》（Science）雜誌網路版上。晶體管是電子設備的基本模塊，均使用電子來傳遞計算所需的信號。但幾乎所有的通信設備都使用光或光子來傳送信號，信令語言需要從電子轉換成光子，因而限制了電子設備的運行速度。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，但並不需要在電路的輸出端轉換成光子。由光在砷化鎵之類的半導體中製造出來的激子，可將帶負電的電子從一個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。當電子與空穴重新結合時，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個納米的不同量子阱。這樣的設置創造出了利用電極提供電壓來控制激子流動的機會。這些電壓“門”製造出的能量衝擊，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，激子就能夠行進到晶體管的輸出端，並轉換成光，直接饋入通信電路，排除了轉換信號的需要。研究人員表示，這種激子到光子的直接耦合，橋接了運算與通信之間的缺口。科學家們通過將激子晶體管結合形成數種類型的開關，從而創造出一種簡單的集成電路，它能精確地指揮信號沿著一個或數個路徑前進。因為激子的速度很快，所以這些開關能迅速翻轉。到目前為止已證明可實現200皮秒（1皮秒為1萬億分之一秒）量級的切換時間。雖然激子運算本身也許並沒有電子電路來得快，不過當信號送往另一台機器，或在一個晶元上以光學連接的不同部位間傳遞時，速度優勢就會顯現出來。布托夫等人所研製的電路表明，激子可用來進行運算，但在實際應用時將需要使用不同的材料。砷化鎵激子電路只能在低於40K（-233℃）的寒冷溫度下運行，這是因激子結合能而產生的限制。溫度高於此，電子將不會與它們的空穴結合而在結構中形成激子。研究人員表示，通過選擇不同半導體材料可增加運行溫度。

美國羅格斯大學研究人員發現，激子在有機半導體晶體紅熒烯中的擴散距離從2微米到8微米不等，是以前認為的1000多倍，該距離與激子在製備無機太陽能電池的硅、砷化鎵等材料中的距離相媲美。而激子的擴散距離越遠，可以吸收的太陽光越多。這有望讓有機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。

激子通常可分為萬尼爾（Wannier）激子和弗倫克爾（Frenkel）激子。萬尼爾激子在晶格中移動得更快，因此，其產生光電的屬性更加突出。進一步發現，有機半導體紅熒烯晶體內的激子的行為更像無機晶體中的萬尼爾激子的行為。而之前，科學家以為，有機半導體中只會出現弗倫克爾激子。因此，該實驗證明，激子擴散的障礙不是有機半導體的固有障礙，進一步的研究有望研發出效率更高、可批量生產的有機太陽能電池。