Yarı iletken Optoelektroniklerde Excitons'a Giriş

Optik optoelektronikler elektronik ve fotoniklerin kesişiminde yatıyor, üreten cihazlara, algılamaya veya kontrol ışığından geçiyor. ubiquitous light-eating diyot (LED) to high-power lazer diyots and next-jenerasyon solar hücreler, bu teknolojilerin performansı bir mikroskobik kusi-parçacıklı cihazlarda ve en son şeklini şekillendiriyor.

Bir elektronun ve bir delikin, Coulomb kuvvetleri aracılığıyla birbirlerine ilgi duyan bir delik olması gerekir. Yarı iletken banttan daha büyük bir foton absorbe edildiğinde, bir elektron iletkenlik bandından, pozitif bir şarj delikine kadar terfi ettirilebilir.

Kazımların çalışması sadece akademik değildir; doğrudan gerçek dünya aygıtı performansını etkiler. LED'lerde, verimli bir eksileme, güneş hücrelerinde, demiryolları elektrik akımı oluşturmak için verimli bir şekilde azaltılmalıdır.In lazerlerde, exiton etkileşimleri modül edilebilir ve eş zamanlı olarak, yarı iletken endüstri daha ince hale getirir.

Fiziksel Doğa ve Excitons Formasyon

Excitons formu, yarı iletken bir çift olarak, özellikle düşük sıcaklık veya düşük dielektrik tarama ile ilgili malzemelerle bir foton absorbe edilmesi durumunda. kristalin üzerinde yayılıp karşılıklı bir Coulomb çekimini deneyimleyinceye kadar, bu çekim onları sınırlı tutmak için yeterince güçlü olabilir (özellikle düşük sıcaklıklar veya ısı veya ısı ile ilgili materyallerde)

Bir exitonun bağlayıcı enerjisi, stabilitesini belirler. Geleneksel üç boyutlu (bulk) silikon veya galyum arsenide gibi yarı iletkenler, exiton bağlayıcı enerjiler mütevazıdır - on milielectronvolts (meV) Oda sıcaklığında (yaklaşık 26 tane ısıtılır), bu kazınmış iyonlar, bu yüzden sert silikon cihazlara karşı dayanıklı olarak, yüksek çözünürlükte olan küçük boyutlu sistemlerde bile ısıtılır.

Excitons ayrıca phonons (lattice vis), kusurları ve diğer eksileri ile etkileşime girebilir. Bu etkileşimler, hareketliliğini, yaşam süresini ve yenidenkombinasyon yollarını etkiler. Örneğin, exiton-phonon saçılma, radiative recombinasyondan uzak enerjiyi azaltabilir, kuantum verimliliğini azaltır.

Excitons Türleri

Wannier-Mott Excitons

Wannier-Mott exitons büyük bir yarıçap tarafından karakterize edilir - birkaç nanometrenin siparişi - ve nispeten zayıf bir enerji (tipik olarak 1-100 meV) ve eksilgen sabitler, yüksek dielektrik sabitleri ile birlikte, yüksek miktarda yüksek basınçlı, örneğin, Wannier-Mottions kolayca ısıtılır, ancak birçok lattice yerinde yüksek sıcaklıkları yüksek ölçüde genişletilir.

Frenkel Excitons

Frenküreler sıkı sıkıca bağlıdır, aynı molekülde veya tek bir lattice sitesinde lokalize edilen elektron ve delik ile.Sağda sürekli olarak lattice ile karşılaştırılabilir ve bağlayıcı enerjiler elektron ve bir deliği arasındaki güçlü Coulomb cazibesini aşıyorlar, bir sinir bozucu enerji nedeniyle, yüksek çözünürlükte veya yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunanlar arasında kolayca karşılanırlar.

Biexcitons ve Trions

Daha yüksek excitation desities, daha karmaşık bir exitonik tür oluşturabilir.Bir biexciton birlikte iki tane eksiltme (iki elektron ve iki delik) veya pozitif trion iki delik (üçlü) iki ayrı yarı iletkenden daha düşük bir enerji vardır ve onların varlığı, aşırı yük taşıyıcılar mevcut olduğunda ek emisyon hatlarına yol açabilir.

Optoelektronik Cihazlarındaki Excitons Rolü

Işık -Eating Diodes (LEDs)

Bir LED'te, elektrik akımı elektronları ve delikler aktif bölgeye enjekte eder, radiative ve non-radiative recombinasyonunu birleştirir: Birçok malzemede, daha yüksek bağlayıcı enerji verimliliğine yol açar (IQE), bu, çok yüksek taşıyıcılar arasındaki dengeye bağlıdır, ancak, exiton-exciton bir şekilde üç boyutlu rekombinasyonunu etkiler.

Lazer yarı iletkenleri

Lazer diyotlarında, exitons bir çift rol oynar. Düşük sıcaklıklarda, exitonic kazanılabilir, özellikle de II-VI yarı iletkenleri ve bazı organik lazerler gibi, çoğu ticari lazerlerde (örneğin, GaAs- bazlı), optik kazanç sağlar ve doğrudan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan lazerler ile oluşur.

Güneş Hücreleri ve Fotodetectors

Foton absürtünden sonra eksiltme, enerjinin şarj edici bir şekilde dengelendiği, kristal silikonun ve deliklerin yanı sıra, düşük bağlayıcı enerji nedeniyle oda sıcaklığında da artış göstermesi gerekir. Ancak, yüksek çözünürlükte bulunan elektriksel enerjiler, eksperatif sistemlerde kullanılan yüzeysel değişikliklerle ilgili olarak, eksperatif sistemlerde ve yüzeysel değişikliklerle ilgili olarak, eklenmeli sistemlerde yer alan yüzeylerde otomatik olarak reaktifler ve reziğe bağlı olarak, yüksek çözünürlükte bulunan yüzeylerde otomatik olarak sağlanır.

Exciton Dynamics: Formasyon, Transport ve Recombinasyon

Formasyon ve Termalleştirme

Fotoexcitation'ten sonra, sıcak elektron delik çiftleri hızla phonon emisyonuyla hızla serinliyor, genellikle birkaç resimde ortaya çıkıyorsa, 2D TMD'de, elektron ve delik bu soğutma sürecinde bir eksomb etkileşimlerine bağlı olarak daha hızlı olabilir.

Diffüzyon ve Ulaşım

Excitons tarafsız kusipartiküller, bu yüzden doğrudan elektrik alanları tarafından etkilenmezler, ancak rastgele umutlu veya uyumlu hareketle (projektif kristallerin verimliliğini sınırlandırır). Exciton diffüzyon uzunluğu - ortalama mesafe 1 mikrometreyi düşük sıcaklıklara, optoelektronik cihazlarında anahtar bir parametreyi geçebilirler.In organik yarı iletkenler, difüzyon uzunlukları tipik olarak 5-20 nm, kalın filmlerin verimliliğini sınırlandırır.

Recombination Pathways

Excitons reombine'yi birkaç kanal üzerinden geri döndürür.(D)Radiative recombinasyon[Dönetici) bir foton üretir ve LED'lerde ve lazerler için arzu edilir.|Düzücü rekombinasyon[DDDD) düşük yükleyici, yüksek yükleyici (Shockley-Read-Hall) rekombinasyon, Auger rekombinasyon ve eksilemeleri azaltılabilir.

Gelişmekte olan malzemeler

İki-Dimensionali yarı iletkenler

Transition metal dichalcogenides (TMDs) MoS2, WS2, MoSe2 ve WSe2, daha güçlü fotolu yüzeyler için bir oyun alanı haline geldi. Monokat formu, kuantum sınırlılık ve azaltıcı dielektrik tarama büyük ölçüde yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, elektrotlu yüzeylerde, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bir görüntü oluşturabilir.

Başa Dön

Organik organik-inorganik hibrid perovskites, CH3NH3PbI3 gibi, yüzeysel sıcaklıklarda ısıtılmış enerjiler ile devrime sahiptir; bu malzemelerin kristalleri, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan yüzeylere ve hıza kadar uzanır.

Organik yarı iletkenler

Organik optoelektronikler, Frenkokya'nın (Tamam) yoğun olarak güvenmektedir.Fırakter LED'lerde (OLED), kontraksiyondan sonra dışsal olmayan enerjiler için eklenmez.Farklı spin eyaletleri -toplamalar arası geçişlere ulaşmak için ağır metalleri kullanır (toplam 1) ve üçlü (toplama) - organik kuantum verimliliğini sağlamak için organik kuantum enerjileri optimize eder.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Exciton Dissociation ve Recombination

optoelektroniklerdeki merkezi zorluklardan biri, aynı materyal platformunda her ikisine de dikkat çekmek, doping profilleri ve defekizleri optimize etmek için etkili bir şekilde kesintiye uğramaktır. Son yıllarda, yüksek veya düşük elektriksel rekombinasyonda malzemeler kullanmak - hem de düşük maliyetli bir şekilde ortaya koymak - bu tür yüzeylere olan bir yaklaşım olarak gösterilmiştir.Bu tür fonksiyonlar için yardımcı olabilir.

Yüksek Boyut Etkileri ve Ağur Recombinasyon

Yüksek excitation densities, exiton-exciton etkileşimleri ve Auger recombinasyon limit performansında.GaN LED'lerde, verimlilik droop büyük ölçüde Auger recombinasyona atfedilir veya ikiD malzemelerde, exiton-exciton annihilasyon, mütevazı kesintilerde düşüşe neden olur.Bu etkilerden dolayı capping luminescence'yi gerektirir.

Oda Sıcaklıklarında Excitons

Birçok heyecan verici beton fenomenleri sadece grup-IV monokat (silicene, Germanyene) veya IV-VI bileşikleri nedeniyle, TMD'lerde ve perovskites'te yer alan ve pratik uygulamalara giriş yaptı.Bu etkileri grup-IV monokat (silicene, Germanyene) veya IV-VI bileşikleri gibi, düşük ücretli lazerler ve kuantum simülasyonlar için araştırıyor.

Nanofotoğraflarla Bütünleşme

Optik boşluklara veya plazmonik yapılara ek olarak, ışık-erkek etkileşimleri geliştirebilir. Güçlü darbe, oda sıcaklığında güçlü darbelere ve kutuplu elementlere sahip olan meydan okuma yalanları sunar.0.Bilimde kutuplu lazerler, renkler ve transistton cihazları gibi bir bakış açısı ortaya çıkar.[Dönetici!)

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Excitons yarı iletken optoelektronik cihazların operasyon ve optimizasyonuna merkezidir. bağlayıcı enerjileri, dinamikleri ve etkileşimleri, iki boyutlu malzemeler ve perjeksiyonlar, ve dönüştürülür.Zenginius Wannier-Mott yarı iletkenleri geleneksel III-V yarı iletkenleri organik malzemelerde sıkı bir şekilde ortadan kaldırmaya ve şimdi iki boyutlu malzemelerdeki sağlam boşluklara ve kalıcı olmayanlara karşı, daha güçlü bir şekilde iletişim kurmaya devam eder.