Introduzione agli eccitoni in semiconduttore Optoelettronica

L'optoelettronica di semiconduttore è all'incrocio tra elettronica e fotonica, consentendo ai dispositivi che generano, rilevano o controllano la luce. Dal diodo di emissione luminosa onnipresente (LED) ai diodi laser ad alta potenza e alle celle solari di prossima generazione, le prestazioni di queste tecnologie sono in grado di emettere quasi particella microscopica: l'esciton.

Un eccitone è uno stato legato di un elettrone e un buco che si attraggono l'uno dall'altro tramite le forze Coulomb. Quando un fotone con energia maggiore del bandgap semiconduttore viene assorbito, un elettrone viene promosso dalla banda di valenza alla banda di conduzione, lasciando dietro un buco carica positivamente. Piuttosto che rimanere come portanti carica indipendenti, l'elettrone e il foro possono formare una coppia di opt-like dell'idrogeno, con l'orbita elettrone che si muove il carico quasi-

Lo studio degli eccitoni non è semplicemente accademico; influisce direttamente sulle prestazioni dei dispositivi reali. Nei LED, la ricombinazione efficiente dell'eccitone produce luce. Nelle celle solari gli eccitoni devono essere dissociati in modo efficiente per generare corrente elettrica. Nei laser, le interazioni dell'eccitone possono modulare le correnti di guadagno e di soglia.

Natura fisica e formazione degli eccitoni

L'elettrone e il foro sono creati in prossimità e sperimentano un'attrazione reciproca di Coulomb. Questa attrazione può essere abbastanza forte da tenerli correlati come coppia di limiti, specialmente a basse temperature o in materiali con bassa proiezione dielettrica. L'escitone può essere considerato come una particella neutrale che si diffonde attraverso il cristallo fino a quando non si ricombinano o si rassodiscono.

In ambiente tridimensionale (bulk) convenzionale semiconduttori come arsenide di silicio o di gallio, le energie leganti di eccitone sono modeste—sull'ordine di pochi a decine di millielectronvolts (meV).A temperatura ambiente (circa 26 meV energia termica), questi eccitoni sono facilmente dissociati, così i dispositivi di silicio di massa si basano su vettori liberi.

Gli eccitoni possono interagire anche con i fononi (vibrazioni reticolari), i difetti e altri eccitanti. Queste interazioni influenzano la loro mobilità, la vita e le vie di ricombinazione. Ad esempio, la dispersione di exciton-phonon può distruggere l'energia dalla ricombinazione radiante, riducendo l'efficienza quantistica.

Tipi di eccitazione

Eccitoni Wannier-Mott

Gli eccitoni Wannier-Mott sono caratterizzati da un ampio raggio, sull'ordine di diversi nanometri, e da un'energia di legame relativamente debole (di solito 1–100 meV), sono comuni in semiconduttori inorganici con elevate costanti dielettriche, come ad esempio l'arsenide galio (GaottA), la telluride cadmium (CdTe), e il silicio.

Frenkel Excitons

Gli eccitatori di Frenkel sono strettamente legati, con l'elettrone e il foro localizzato sulla stessa molecola o all'interno di un unico sito di reticolo. Il raggio è paragonabile alla costante di reticolo, e le energie vincolanti possono superare gli eccitoni di Frenkel sono tipici nei semiconduttori organici, cristalli molecolari e alcuni isolanti.

Biexcitons e Trion

In caso di densità di eccitazione più elevate, possono formarsi specie eccitoniche più complesse. Un bieccitone consiste in due eccitoni legati insieme, cioè due elettroni e due buchi. I bieccitoni hanno una minore energia totale di due eccitoni separati, e la loro presenza può portare ad ulteriori linee di emissione di spettro di fotoluminescenza. Un trion è un eccitone carico: o un tricone positivo negativo (due elettroni

Il ruolo degli eccitatori nei dispositivi optoelettronici

Diodi emissione di luce (LED)

In un LED, la corrente elettrica inietta elettroni e fori nella regione attiva, dove si combinano per formare eccitoni. Ricombinazione radiale di eccitoni rilascia energia come fotoni. L'efficienza di questo processo è quantificata dall'efficienza quantistica interna (IQE), che dipende dall'equilibrio tra radiative e non radiative ricombinazione.

Laser a semiconduttore

In ambienti a bassa temperatura, il guadagno eccitonico può contribuire al lasing, soprattutto in semiconduttori II-VI e in alcuni laser organici.

Celle solari e fotorilevatori

In apparecchi fotovoltaici, la formazione di eccitoni dopo l'assorbimento di fotone è il primo passo. Per una conversione efficiente di energia, gli eccitoni devono essere dissociati in elettroni e buchi liberi prima di ricombinare. In celle solari organiche di eterogizione di massa, questo è raggiunto all'interfaccia tra un donatore di elettroni e un materiale di accettazione, dove l'energia compensa la separazione carica di unità.

Dinamica dell'eccitone: Formazione, Trasporto e Ricombinazione

Formazione e Termotecnizzazione

Dopo la fotoeccitazione, una coppia di elettroni caldi si raffredda rapidamente tramite emissione fononica, tipicamente all'interno di picosecondi. Se l'energia di legame è significativa, l'elettrone e il foro possono legarsi per formare un eccitone durante questo processo di raffreddamento. Il tempo di formazione dipende dalle proprietà materiali e dalla densità di eccitazione.

Diffusione e Trasporti

Gli eccitoni sono quasiparticelle neutre, quindi non sono influenzati direttamente dai campi elettrici. Tuttavia, possono diffondere attraverso un'oscillazione casuale o un movimento coerente (in cristalli di alta qualità). La lunghezza di diffusione di eccitoni — la distanza media di un viaggio di eccitone prima di ricombinare — è un parametro chiave nei dispositivi optoelettronici.

Percorsi di ricombinazione

La ricombinazione degli eccitoni attraverso diversi canali. La passività radiativa produce un fotone ed è desiderata in LED e laser. La ricombinazione non razionale include l'efficienza dei difetti (Shockley-Read-Hall) la ricombinazione, la ricombinazione dell'Auguri

Eccitoni nei materiali emergenti

Semiconduttori bidimensionali

I sistemi di misurazione dei costi di trasporto, i sistemi di controllo e le procedure di valutazione dei costi, i sistemi di controllo e le procedure di valutazione dei costi, i sistemi di controllo e le procedure di valutazione dei costi, i sistemi di controllo e le procedure di valutazione dei costi, i sistemi di controllo e le procedure di valutazione dei costi, i sistemi di controllo e le procedure di valutazione.

Guidare Halide Perovskites

I perovskiti ibridi di tipo organico-LT, come CH3NH3PbI3, hanno rivoluzionato il fotovoltaico con l'efficienza di conversione di potenza superiore al 26%. Gli eccitoni nei perovskiti sono intermedi tra i tipi di Wannier-Mott e Frenkel, con energie di legame intorno a 10–50 meV a temperatura ambiente, sufficienti per gli eccitoni stabili, ma anche per consentire una dissociazione efficiente.

Semiconduttori organici

L'ottimizzazione organica della natura si basa su eccitoni Frenkel. Nei LED organici (OLED), la formazione dell'eccitone dopo l'iniezione di carica porta all'elettroluminescenza. I diversi stati di rotazione degli eccitoni—singolo (totale spin 0) e triplo (totale spin 1)—hanno effetti profondi.

Sfide e direzioni future

Dissociazione e ricombinazione dell'eccitone di controllo

Una delle sfide centrali dell'optoelettronica è quella di controllare quando e come gli eccitanti dissociano o ricombinano. Nelle celle solari vogliamo una dissociazione efficiente nei vettori liberi; nei LED, vogliamo una ricombinazione razionale efficiente. Raggiungere sia nella stessa piattaforma materiale richiede un'attenta ingegneria delle interfacce, dei profili doping e delle densità di difetti.

Effetti ad alta densità e ricombinazione Auger

In blu-emissione InGaN LED, l'efficienza droop è ampiamente attribuito alla ricombinazione Auger. In materiali 2D, l'ecciton-exciton annichilazione diventa grave a densità spaziali modeste, cattura luminescenza.

Eccitoni a temperatura ambiente

Molti fenomeni eccitanti eccitonici sono osservati solo a temperature criogeniche a causa della dissociazione termica. Tuttavia, la scoperta di eccitoni stabili a temperatura ambiente in TMD e perovskites ha aperto la porta a applicazioni pratiche.

Integrazione con Nanophotonics

L'accoppiamento forte produce stati ibridi chiamati eccitoni-polari, che hanno sia carattere fotonico che eccitonico. Dispositivi polariton, come laser polariton, interruttori e transistor, stanno emergendo come una piattaforma per la logica ultra-alttica. La sfida consiste nel raggiungere un forte accoppiamento elettronico a temperatura ambiente

Conclusioni

La loro capacità di legame, la loro dinamica e le interazioni determinano come la luce sia generata, assorbita e convertita. Dai grandi radi Wannier-Mott eccitoni nei semiconduttori convenzionali III-V ai più stretti eccitoni Frenkel nei materiali organici, e ora ai robusti eccitoni in materiali bidimensionali e periferici.