激子光谱PPT课件

1、带带带间的本征激发带间的本征激发 1.自由自由e和和h; 2.束缚束缚e-h对，对，激子激子自由自由e和和h，带，带带间本征激发带间本征激发伴随光电导伴随光电导布洛赫波，传播电荷布洛赫波，传播电荷准粒子，有效质量和动量准粒子，有效质量和动量费米子费米子束缚束缚e-h对对激子，带激子，带带间本征激发带间本征激发+库仑束缚库仑束缚无光电导无光电导激子波，传播能量，不传播电荷激子波，传播能量，不传播电荷准粒子，有效质量和动量准粒子，有效质量和动量玻色子玻色子激子凝聚激子凝聚激子分子激子分子电子电子-空穴液滴，费米子空穴液滴，费米子第1页/共36页4.1 带间吸收边的精细结构带间吸收边的精细结构 与激

2、子与激子(Exciton)假设的提出假设的提出v实验事实实验事实吸收边的精细结构吸收边的精细结构无光电导无光电导图图4.1高纯高纯GaAs 带边吸收光谱带边吸收光谱 图图4.2 Cu2O “黄激子黄激子”的吸收谱的吸收谱 第2页/共36页激子假设的提出激子假设的提出v带间激发带间激发e-h对对+库仑束缚作用库仑束缚作用v临界点的作用临界点的作用 KEc(K) = KEv(K) = 0 ， KEc(K)KEv(K) = 0 临界点上波包的群速度临界点上波包的群速度 相等相等v束缚，激子结合能束缚，激子结合能 图图4.1允许的激子跃迁：允许的激子跃迁：1.5195-1.5155 0.004 eV(

3、4meV) 图图4.2禁戒的激子跃迁禁戒的激子跃迁: 2.172-2.148 0.024 eV(24meV) 室温室温kBT 26meVv分类：分类：紧束缚，紧束缚，Frenkel激子：绝缘体，分子晶体激子：绝缘体，分子晶体弱束缚，弱束缚，Wannier激子：半导体激子：半导体eU rr20( )4 KKKVE K001() 第3页/共36页临界点的作用临界点的作用 KEc(K) = KEv(K) = 0 ， KEc(K)KEv(K) = 0 临界点上波包的群速度临界点上波包的群速度 相等相等KKKVE K001() 第4页/共36页4.2 Frenkel激子激子紧束缚激子紧束缚激子适合于适合

4、于绝缘体绝缘体：如硷卤晶体，惰性气体晶体，有机分子晶体，如硷卤晶体，惰性气体晶体，有机分子晶体，过渡金属离子（过渡金属离子（YVO4), 钨酸盐钨酸盐(CaWO4), 氰化物氰化物(BaPt(CN)4.4H2O), 和铀盐（和铀盐（Cs2UO2Cl4)Frenkel激子是在激子是在原子范围内的激发，但可以传播原子范围内的激发，但可以传播，电子和空穴波函数局域化，扩展范围小于晶格常数，束缚半径电子和空穴波函数局域化，扩展范围小于晶格常数，束缚半径小小eU rr20( )4 gjNNu uuuu121. jjjjNu uuv uu1211. jiKjakjje jnjjjHEI11() v势函数势

5、函数 中的中的 是一个复杂的函数是一个复杂的函数v由原子波函数构造激子波函数，对一维原子链由原子波函数构造激子波函数，对一维原子链基态基态激发态的传播，紧邻相互作用激发态的传播，紧邻相互作用激发态激发态F激子波函数：调制的平面波激子波函数：调制的平面波第5页/共36页 n-2I1 n+2I1 n+2I2 n-2I2一维双原子链一维双原子链F激子激子Frenkel激子的能量状态激子的能量状态一维单原子链一维单原子链F激子激子2 cosjiKjakjKkjKnHeHEEEIK a 第一布区，第一布区， 3nN个激子态，个激子态，Davydov劈裂，劈裂，类声子激发类声子激发第6页/共36页Fren

6、kel激子的吸收光谱激子的吸收光谱Kr晶体晶体Frenkel激子吸收双激子吸收双线线, E=0.6eVNaBr晶体晶体Frenkel激子吸收双激子吸收双线线, E=0.5eVNaBr上的上的F激子基态：激子基态：1S0(由由Br- 或或Kr原子组态原子组态4s24p6决定决定)，激发态：激发态：2P3/2, 2P1/2, E=0.5eV, (由第一激发态由第一激发态 4p55s1决定）决定）第7页/共36页4.3 Wannier激子激子弱束缚激子弱束缚激子v适合于半导体适合于半导体:导带电子、价带空穴波函数扩展范围宽，束缚半径导带电子、价带空穴波函数扩展范围宽，束缚半径50, 作用作用势函数势

7、函数 近似常数近似常数, 有心力场有心力场2220224ehehehppeHmmrr ehrrr ()e eh hehm rm rRMmm 1/1/1/ehmmm 20( )4eU rr 2220()224RrPpeHMmr v类氢模型：在辏力场运动的粒子类氢模型：在辏力场运动的粒子相对坐标相对坐标r, 质心坐标质心坐标R,有效质量的约化质量有效质量的约化质量m*, 体系哈密顿量：体系哈密顿量： 激子平移激子平移PR 激子内激子内e-h的相对运动的相对运动pr第8页/共36页Wannier激子激子波动方程及其解波动方程及其解v激子波函数激子波函数 (K)，由平动和相对运动组成的包洛函，由平动和

8、相对运动组成的包洛函数，调制平面波数，调制平面波( ,)( )exp()r RriK R ( ,)( ,)KnHr REEr R22*42222220022202*1*(4) 2* 13.6()*KHnKEMRm emEnmnmeVRmnn （以导带底为（以导带底为0 0点）点）v激子的波动方程及其解激子的波动方程及其解第9页/共36页Wannier激子的结合能激子的结合能Eb(meV)v结合能结合能22000.053()*exBmmrn an nmmm 120*13.6()bmEEReVm 材料材料 Eb 材材料料Eb 材料材料 Eb Si14.7ZnSe17MoS250 Ge3.8-4.1

9、ZnTe12BaO56GaAs4.2InP4.0LiF1000GaP21.5InSb0.4KBr400GaSb1.6AgBr20KCl400ZnO59Cu2O21RbCl440GaN28*TiBr6.0KI480CdS29.0AgCl30 ZnS40TiCl11 *B.Monemar, Phys. Rev.B10,676(74), *R.Dingle,et al.,Phys. Rev.1211(71) m* 小，小， 大大v典型半导体典型半导体 m* 0.1, 10, Eb(n=1) 10 meV, rex(n=1) 50 , v束缚半径束缚半径第10页/共36页Wannier激子的激子的吸收

10、光谱吸收光谱v吸收光谱吸收光谱exgehgRKEEnmmREnKq222*2*2()*0 vCu2O吸收光谱与激子结合能吸收光谱与激子结合能12278617520()0.097522.1736()nabexcmnEeVn (n=2,3,4,)！拟合给出拟合给出n, Eb, Eg 等参数等参数考虑动能相，谱线加宽考虑动能相，谱线加宽第11页/共36页4.4 自由激子与束缚激子的复合发光自由激子与束缚激子的复合发光-PLv自由激子（自由激子（FE）复合）复合直接与间接复合直接与间接复合声子伴线声子伴线221*21*13.6()2(),1,2,.,exexggehNexnnKmEEEEeVmmmKq

11、nN 2*13.6()exgPmEEeVNEm 激发激发复合复合Wannier激子激发与复合示意图激子激发与复合示意图CdS声子伴随的激子发光声子伴随的激子发光“- -” 发射声子发射声子“+ +”吸收声子吸收声子第12页/共36页GaN的能带结构的能带结构 晶体场晶体场+自自旋旋轨道耦合轨道耦合价带：价带： EAB=6 meV, EBC=37meV, 激子结合能激子结合能 EAb= EBb =20 meV, Ecb=18meV第13页/共36页GaN自由激子自由激子(FE)的的PLE与与PL本征与轻本征与轻n-掺杂掺杂GaN低温下发光谱低温下发光谱PL 样品样品1-本征本征GaN: 激子线激

12、子线 A-3.488eV; B-3.495, C-3.506eV; FWHM=3meV 样品样品2- n-轻掺杂轻掺杂: 只有带边发射宽带。只有带边发射宽带。A CPLEEg1.6KPR1234发发光光强强度度3.403.453.503.55(eV)PLE-PL激发谱激发谱PR-光反射谱光反射谱PLA: 3.472 eV ， 9V - 7C, B: 3.4815 0.001 eV, 7V - 7C C : 3.493 eV， 7V - 7C , (n=2)样品样品:本征本征GaN (Eg=3.504eV)厚膜厚膜PLE&PL: Eg , EbA, EbB, EbC第14页/共36页自由

13、激子发射与带边发射自由激子发射与带边发射PL谱谱GaN的的(a)低温下激子发光和低温下激子发光和(b)室温下带边紫外发光室温下带边紫外发光v 自由激子自由激子PL谱：谱线，精细结构；材料纯度高，结晶质量好谱：谱线，精细结构；材料纯度高，结晶质量好v 带边发射：谱带，无精细结构；升温，掺杂，改变维度带边发射：谱带，无精细结构；升温，掺杂，改变维度(a)(b)第15页/共36页v束缚激子束缚激子v种类种类束缚于中性施主束缚于中性施主D0X束缚于中性受主束缚于中性受主A0X束缚于离化施主束缚于离化施主D+X束缚于离化受主束缚于离化受主A-X束缚于等电子陷阱束缚于等电子陷阱v特点特点 谱线窄化谱线窄化

14、振子强度高振子强度高束缚能低，温度敏感束缚能低，温度敏感(低温低温)束缚激子的复合，束缚激子的复合，PL谱谱ZnSe晶体晶体10K下自由和束缚激子的发下自由和束缚激子的发光。材料系用光。材料系用MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy)方法，原材料为方法，原材料为二甲基锌（二甲基锌（DMZn）和二甲基硒，上）和二甲基硒，上图：普通图：普通DMZn ；下图：纯化；下图：纯化 DMZnbexgbBXEEEE第16页/共36页束缚激子结合能束缚激子结合能v低温下，低温下，BX为主为主v升温，升温，BX快速下降快速下降v本征本征GaN为为n-型，型， 束缚激子为

15、束缚激子为D0Xv激子结合能与束缚能激子结合能与束缚能3.5040.0203.4760.008bbDXgFEDXEEEE3.5040.0203.4590.025bbAXgFEAXEEEE3.5043.4840.02bFEgFEEEEeVHaynes经验规则：束缚激子的束缚经验规则：束缚激子的束缚能与相应杂质离化能之比为常数能与相应杂质离化能之比为常数GaN: a a=0.215第17页/共36页ZnO薄膜激子自发辐射与受激辐射薄膜激子自发辐射与受激辐射Normalized spectra taken at(A)low 66 kW cm-2, (B) intermediate 660 kW cm

16、-2(C) high 1.32 MW cm-2 excitation levels. Intensitiesare plotted on a linear scale.!The room-temperature dependence of integrated output intensity onexcitation intensity.Bagnall et al.， Appl. Phys. Lett., Vol. 70, No. 17, 2231 （1997）v受激辐射的判据受激辐射的判据超线性激发强度关系超线性激发强度关系 粒子数反转粒子数反转谱线窄化谱线窄化相干性相干性第18页/共36

17、页ZnO微晶激子自发辐射微晶激子自发辐射与受激辐射与受激辐射Room-temperature ultraviolet laser emission from self-assembled ZnOmicrocrystallite thin filmsZ. K. Tang,a) G. K. L. Wong, and P. YuKowloon, Hong Kong, M. Kawasaki, A. Ohtomo, and H. Koinuma, Y. SegawaAPPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 72, NUMBER 25, (1998) 3270第19页/共36页激子

18、光谱分析激子光谱分析 带隙带隙Eg 自由激子结合能自由激子结合能 束缚激子结合能束缚激子结合能 杂质能激级杂质能激级ED, EA (见下文）见下文）FELbgFEEREE*BXLbgBXEERE*第20页/共36页Photoluminescence of GaN grown by molecular-beam epitaxy on a freestanding GaN template，M. A. Reshchikov,a) D. Huang, F. Yun, L. He, and H. Morkoc， D. C. Reynolds，S. S. Park and K. Y. Lee，APPLI

19、ED PHYSICS LETTERS VOLUME 79, 3779（ 2001）束缚激子的双电子跃迁束缚激子的双电子跃迁(DBE)束缚激子的电子与空穴复合所释放的能量一部分用于发光，束缚激子的电子与空穴复合所释放的能量一部分用于发光，另一部分用于对中性施主中另一电子的激发，该过程被称另一部分用于对中性施主中另一电子的激发，该过程被称为为束缚激子的双电子跃迁束缚激子的双电子跃迁第21页/共36页v束缚激子双电子跃迁：束缚激子双电子跃迁：束缚激子中的一个电子与空穴复合发光束缚激子中的一个电子与空穴复合发光同时激发杂质中的另一个电子同时激发杂质中的另一个电子(n=1n=2),等于杂质电离能等于杂质

20、电离能ED的的3/4.v计算施主能级的电离能计算施主能级的电离能 采用杂质态的类氢模型采用杂质态的类氢模型2213()4:12LLDBXBXeDDBXBXEEEEEnn LnLnDBXADBEeAeDDDED XED XEEmeV0101112121()() ()33.47203.44750.024544/332.6 LnLnDBXADBEeAeDDDED XED XEEmeV010122222222()() ()30.021644/328.8 Donner SiDonner O第22页/共36页n激子发光线形激子发光线形由由 Elliott 理论理论, ,激子复合发光强度可表示为激子复合发光

21、强度可表示为 E0-激子基态能量激子基态能量E-Eg g- -R* *- -EP , EP 为声子能量为声子能量C - -常数常数D( (E)-)-激子态密度激子态密度, , (E-E0)1/2由此可得由此可得0( )()exp()LBEEICD Ek T 1/200( )()exp()LBEEIC EEk T 第23页/共36页低温下高纯低温下高纯GeGe的发光光谱的发光光谱理论与实验的比较理论与实验的比较第24页/共36页4.6 激子分子激子分子电子和空穴电子和空穴-激子激子-激子分子激子分子-电子电子-空穴液滴空穴液滴v激子分子激子分子低温（激子分子的结合能很低）低温（激子分子的结合能很

22、低）高激发密度，产生高密度高激发密度，产生高密度Wannier激子，激子间碰撞激子，激子间碰撞机会大增机会大增产生两个激子相吸的共价产生两个激子相吸的共价交换作用交换作用，形成激子分子，形成激子分子（ EM或双激子），类似于由两个氢原子形成氢分子或双激子），类似于由两个氢原子形成氢分子研究研究CuCl，CuBr, CdS，CdSe和和 ZnO等体系的发光相等体系的发光相继被发现继被发现.第25页/共36页低温下低温下CuCl在红宝在红宝石激光激发下的发石激光激发下的发光光谱光光谱, ,激发功率分激发功率分别为别为(a)50mW(b)40mW(c)26mW(d)16.5mW第26页/共36页v复

23、合发光能量复合发光能量:可理解为其中一个电子可理解为其中一个电子-空穴对复合空穴对复合,剩下剩下一个仍保持为激子一个仍保持为激子特征特征激发阈值激发阈值发光能量比发光能量比FE低一个特征结合能低一个特征结合能EM 10meV发光强度发光强度I Iex2 (Iex: 激发强度激发强度)22*2()4LgMKEREm 其中其中:m=me*+mh*, EM为激子分子的结合能为激子分子的结合能22*()2gKERm22*4gMKEREm第27页/共36页激子分子复合激子分子复合激子复合，单分子过程激子复合，单分子过程 ， 激子分子复合，双分子过程激子分子复合，双分子过程CdS单晶单晶1.8K下的发光光

24、谱下的发光光谱. M激子分子的发光线，激子分子的发光线，A( 6)自由激子，自由激子，I1, I2束缚激子发光。束缚激子发光。用普通用普通Hg灯激发，只能测到灯激发，只能测到FX和和BX，用，用N分子分子激光激发，出现激光激发，出现EM, 其强度超线性增加其强度超线性增加(注意纵坐标的标度注意纵坐标的标度) 1/19 1/10 1/3.8 1/1.9波长波长(nm)A( 6)发光强度发光强度光子能量光子能量(eV)LrIP n exnAI LexIBI LrLexIP nIB I22() 线性关系线性关系超线性关系超线性关系问题问题: :由此类推由此类推, ,若两个电子束缚到一空穴若两个电子束缚到一空穴上上, ,或两个空穴束缚在一个电子上或两个空穴束缚在一个电子上, ,这样体这样