Russische wetenschappers van de Ural Federal University (UrFU), samen met hun collega's van het Instituut voor Metaalfysica van het Ural-departement van de Russische Academie van Wetenschappen, hebben fundamentele kenmerken van nikkeloxide-nanokristallen bestudeerd en voor het eerst excitonen op de lichtabsorptierand gevonden. Een exciton is een elektron-gatpaar gebonden met elektrostatische koppeling dat migreert in een kristal en energie daarin overdraagt. De aanwezigheid van een exciton in dit gebied maakt gedetailleerd onderzoek van randparameters in toegestane energiebanden mogelijk. Dit kan nuttig zijn voor de ontwikkeling van opto-elektronische apparaten van de volgende generatie. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Fysica B:Fysica van gecondenseerde materie logboek.

Vloeistoffen en (onder bepaalde omstandigheden) gassen worden onderverdeeld in geleiders en diëlektrica. De eerstgenoemden geleiden elektriciteit, en de laatste, respectievelijk, Niet doen. Halfgeleiders vallen tussen deze twee categorieën - geleiding treedt op als gevolg van de beweging van geladen elektronen en gaten in het kristal. Ze worden aangetroffen in systemen met onzuiverheden die elektronen kunnen afgeven of ontvangen, evenals na bestraling met hoogenergetisch licht.

"In de fysica van halfgeleiders, er is een notie van fundamentele adsorptierand die de energie op randniveau van lichtadsorptie aangeeft. Het komt overeen met de energiekloof - het energiegebied dat een elektron in de loop van beweging moet passeren onder invloed van licht van de valentieband (waar het zich gewoonlijk bevindt) naar de geleidbaarheidsband. Een positief geladen lege ruimte die op deze plek ontstaat, wordt een gat genoemd. De elektrostatische (Coulombic) interactie met het elektron in de geleidingsband veroorzaakt de vorming van een elektron-gatpaar, of en exciton. In het optische spectrum kan het worden gezien als een smalle lijn iets onder de fundamentele adsorptierand. Opmerkelijk, een exciton neemt niet deel aan elektrische geleidbaarheid, maar draagt ​​de geabsorbeerde energie over, " zegt Anatoly Zatsepin, een co-auteur van het artikel, en het hoofd van een wetenschappelijk laboratorium bij UrFU.

Excitonbindingsenergie is te laag, dus de temperatuur moet laag zijn om ze te registreren. Na te zijn bestraald met licht van korte golflengte, een elektron-gatpaar bezwijkt als de excitatie te hoog is. Ook komt er te veel energie vrij in de vorm van straling, en het spectrum ervan kan worden geregistreerd. Zo werden excitonen gevonden in nanokristallen nikkeloxide. Een systeem als dit is sterk gecorreleerd, d.w.z. de interactie tussen de onderdelen is erg sterk. Het onderzoeksteam bestudeerde de fundamentele adsorptierand bij lage temperaturen en vond lijnen waarin de intensiteit afnam als de temperatuur toenam.

deze feiten, evenals de energiewaarden, geven hun exciton-aard aan. Wetenschappers bestudeerden ook fundamentele kenmerken van magnesiumoxide-nanokristallen met kleine toevoegingen van nikkel. In dit geval, excitonen gevormd bij de overgang van het elektron (en dus de negatieve lading) van de valentieband van de hoofdcomponent naar het bijmenggebied. Het gat was gebonden met een elektrostatisch veld dat door het elektron werd gegenereerd. De detectie van excitonen is een gevoelig instrument voor het bestuderen van de gecompliceerde structuur van het grensgebied tussen de valentieband en de geleidbaarheidsband in halfgeleiders.

"We vonden voor het eerst excitonen met ladingsoverdracht aan de grens van fundamentele adsorptie in nikkeloxide en aan de onzuiverheidsadsorptierand in magnesiumoxide. Deze resultaten kunnen interessant zijn voor specialisten in theoretische fysica die de bandstructuur van oxiden met sterke correlaties bestuderen. NiO lange tijd als prototype van dergelijke oxiden beschouwd, en veel rekenschema's zijn getest met dit object. De resultaten kunnen ook relevant zijn voor de ontwikkeling van nieuwe opto-elektronische apparaten, ' zegt Anatoly Zatsepin.