Научные открытия России
Государственный реестр открытий СССР
 


МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
Научные открытия в области физики твёрдого тела.



Научное открытие "Экситон в полупроводниках и диэлектриках"

Формула открытия: "Установлено неизвестное ранее явление – существование особого возбужденного состояния кристалла – экситона, который представляет собой связанную систему из электрона и дырки, способную двигаться по решетке и проявляющуюся в виде водородоподобной серии узких линий в спектре собственного поглощения света кристаллом".
Авторы: А. Ф. Иоффе, Е. Ф. Гросс, Я. Н. Френкель, Н. А. Карыев.
Номер и дата приоритета: № 105 по двум датам от 1931 г. (по времени сформулированного Я. Н. Френкелем положения о существовании экситона) и от 1951 г. (по времени экспериментального обнаружения экситона Е. Ф. Гроссом и Н. А. Карыевым).


Описание открытия.
Ученые Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе АН СССР члены-корреспонденты АН СССР Е. Ф. Гросс и Я. Н. Френкель и кандидат физико-математических наук Н. А. Карыев обнаружили неизвестное ранее явление существования в полупроводниках и диэлектриках особого возбужденного состояния кристалла – новой квантовой частицы экситона. Экситоны участвуют во многих физических процессах: оптических, фотоэлектрических, тепловых. Они присутствуют в явлениях люминесценции, преобразования солнечной энергии в электрическую и т. д. Роль экситонов здесь нередко определяющая.
"Появлению в физике понятия "экситон", - рассказывает Н. А. Карыев, - предшествовал целый ряд экспериментальных исследований фотоэлектрических явлений, в которых обнаружилось совершенно непонятное поведение кристаллов при поглощении света. Было установлено, что в процессе поглощения света, которое всегда протекает как результат взаимодействия квантов света с веществом, возбужденный электрон может покинуть твердое тело. Это явление, называемое внешним фотоэффектом, возникает лишь тогда, когда энергия кванта света равна работе выхода электрона из вещества или превышает ее.

Вместе с тем существует другая разновидность фотоэффекта – внутренний фотоэффект, или фотопроводимость, которая вызывается при относительно меньших энергиях квантов света. В этом случае возбужденный электрон не отрывается от вещества, а лишь переводится в свободное состояние, оставаясь внутри кристалла. В результате поглощения света увеличивается электропроводность вещества, уменьшается его сопротивление. Отсюда, казалось бы: чем больше поглощается квантов света, тем лучше кристалл должен проводить электрический ток.
Однако изучение внутреннего фотоэффекта обнаружило новое свойство полупроводников и диэлектриков, которое не нашло объяснения в рамках сложившейся к 30-м гг. квантовой теории тела, т. е. зонной теории. Суть дела в следующем. При облучении кристалла светом в диапазоне длин волн, который полностью поглощался уже в тончайшем слое вещества, согласно зонной теории, ожидалось лавинообразное появление свободных носителей заряда. Однако фотоэлектрический ток либо вовсе не регистрировался, либо число образовавшихся носителей заряда составляло ничтожную долю поглощенных квантов света (фотонов).

В 1931 г. советский физик Я. Н. Френкель теоретически обосновал свою идею о существовании ранее неизвестной частицы, способной поглощать свет, но в то же время электрически нейтральной. Предполагаемую частицу Френкель назвал экситоном (от английского слова "возбуждение"). Идеи Френкеля получили широкое развитие в теоретических работах как советских, так и зарубежных ученых. Но вопрос о том, не является ли экситон только лишь умозрительным понятием и существует ли в кристаллах такая квазичастица, оставался открытым целых 20 лет. Лишь в 1951 г. советскими учеными было получено прямое экспериментальное доказательство существования экситонов в кристаллической решетке".

Экситон состоит из пары частиц – возбужденного электрона и частицы с некомпенсированным положительным зарядом, образовавшейся на месте ушедшего электрона, т. е. дырки. Такая система из двух противоположно заряженных частиц, связанных друг с другом силами притяжения, во многом напоминает атом водорода. Отсюда следует, что экситон должен иметь водородоподобный спектр поглощения, а равно и излучения. Реальность существования новой частицы могла быть подтверждена лишь прямыми наблюдениями водородоподобной серии спектральных линий в поглощении или излучении света кристаллами. Было известно, что серии спектральных линий наблюдаются в спектрах излучения элементов только в газообразном состоянии. В твердых телах спектральные серии никогда не наблюдались.

В условиях разреженного атомарного газа, когда атомы отделены друг от друга значительным расстоянием, каждый из них можно рассматривать в виде самостоятельной электрической системы. Излучение такого изолированного атома фиксируется на фотопластинке в виде чрезвычайно узких линий. Каждой линии соответствует определенная длина волны, частота и энергия. Спектральные линии свидетельствуют о наличии в атоме энергетических уровней и дают картину электронных переходов между энергетическими уровнями. Частоты излучения атома образуют закономерную последовательность, называемую спектральной серией. Получаемый спектр позволяет определить положение уровней энергии атома, массу электрона, заряд ядра, количество нейтронов в атомном ядре и т. д.

Закономерность в спектре излучения атомов с особой четкостью и простотой проявляется у водорода. Сведения, полученные путем исследования оптического спектра водорода, сыграли первостепенную роль в создании атомной физики и послужили Н. Бору экспериментальной основой для создания квантовой теории атома. Но другое дело – экситон. Ведь существование зкситона предполагалось в твердом теле, где электроны ведут себя совершенно иначе.

В кристаллах, если представить себе их энергетическую топографию, валентные электроны вместо отдельных энергетических уровней имеют непрерывный ряд значений энергии в определенном интервале, т. е. зону энергии. В зонах электроны приобретают коллективные свойства. Они перестают принадлежать отдельным атомам и обобществляются по всему кристаллу. Интервал энергии нормальных состояний коллективизированных электронов называется валентной зоной. Есть здесь и зона возбужденных состояний – зона проводимости. Она отделена от валентной зоны энергетическим барьером, называемым запрещенной зоной.

Пребывание электронов в запрещенной, зоне чистого кристалла считалось невозможным. Согласно зонной теории фотопроводимость возникает в результате скачкообразного перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Существование энергетических зон, которое вытекает из квантовомеханического рассмотрения электронных состояний в твердом теле, подтверждается, например, оптическим спектром, который в отличие от чрезвычайно узких атомных линий в данном случае имеет вид широкой полосы. Сплошной спектр показывает, что энергия электрона и соответственно ей частоты излучения атома изменяются непрерывно.
Но реальность существования экситона в твердом теле в первую очередь требует прямого наблюдения в излучении или поглощении света кристаллом стройной серии узких спектральных линий.
В 1951 г. Е. Ф. Гросс и Н. А. Карыев зафиксировали серию узких спектральных линий в спектре поглощения кристаллов закиси меди и сернистого кадмия при охлаждении их до температуры – 200-270° С. К настоящему времени получены опытные доказательства существования экситонов во многих кристаллах, - в том числе рентгеновских экситонов, и изучены их свойства.

В 1951 г. было обнаружено семь узких спектральных линий, отвечающих разным состояниям возбуждения экситона. Порядок расположения их энергетических уровней был аналогичен существующему в атоме водорода. Экспериментальные данные позволили определить важные параметры: эффективную массу экситона и эффективную массу электрона в кристалле. Последняя оказалась почти в 2 раза меньше массы свободного электрона. Были определены и энергия образования и фотодиссоциации экситона, и другие его характеристики. Оказалось, что в экситоне процессы протекают также и в обратном направлении – в сторону уменьшения энергии. При этом экситон переходит с высоких уровней возбуждения на низкие и исчезает вследствие рекомбинации электрона с положительным зарядом. В этих процессах запасенная энергия выделяется в виде излучения (люминесценции) или тепла. При этом могут наблюдаться и другие явления, например экситонные удары, приводящие к ионизации атомов примеси.

Между экситоном и атомом водорода есть не только сходство, но и принципиальное различие. Атом водорода является устойчивым образованием и в нормальном состоянии может существовать сколь угодно долго. Экситон же имеет ограниченную продолжительность жизни, и все его состояния без исключения являются уровнями возбуждения. Как динамическое образование экситон способен перемещаться по кристаллу на значительные расстояния и переносить энергию. Кроме поступательного движения он вращается вокруг общего центра, т. е. обладает собственным моментом количества движения (спином). В отличие от электрона, экситон относится к разряду частиц с целочисленным спином, как, например, у фотона. На подобие экситона фотону в настоящее время обращается особое внимание в связи с перспективой создания сверхмощных экситонных квантовых генераторов.

Для ряда кристаллов уже получен режим квантовых генераторов на экситенах с КПД более 30%. Об этом докладывалось на IX Международной конференции по свойствам полупроводников, проведенной в Москве в 1968 г. Тогда же в журнале "Эврика" появилось сообщение об обнаружении экситонной молекулы – биэкситона, что служит доказательством способности экситонов вступать в соединения друг с другом, подобно атомам химических элементов. Сейчас научились создавать целые экситонные комплексы, образующиеся в условиях больших концентраций экситонов. Получены, данные о конденсации экситонного газа.
Важные результаты достигнуты в исследованиях коллективных свойств экситонов. Перспективны надежды, возлагаемые на сверхплотные состояния экситонов. Работы, ведущиеся в этом направлении, нацелены на получение в конечном счете новой формы вещества – экситонного вещества. Это вещество должно обладать свойством сверхтекучести. Оно будет способно существовать в двух агрегатных состояниях – жидком и газообразном.
"Изучение экситонного вещества, - подчеркивает академик Б. М. Вул, - несомненно, откроет новые его свойства, а возможно, и такие свойства вещества, о которых мы в настоящее время не знаем".

Экситоны участвуют во многих физических процессах, и не только физических. Высказываются идеи о существенной роли экситонов в процессах фотосинтеза растений и о возможности изучения их на атомном уровне. Судя по сообщениям, появившимся в печати разных стран, некоторые биологи придерживаются мнения, что экситоны высоких энергий в будущем помогут раскрыть механизмы раковых заболеваний. Большое значение имеют экситоны для химической технологии. С их помощью будут созданы новые способы катализа реакции, что намного ускорит производственные процессы.
Выдающееся открытие советских физиков получило мировое признание. Успехи современной физики твердого тела во многом обязаны этому открытию. Оно создало новое направление – экситонную физику – и послужило основой новой полупроводниковой техники – экситоники.




Главная
КОСМОС
ЗЕМЛЯ
ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ
ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ
ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
МИРОЗДАНИЕ
Сайт создан в системе uCoz