Có nhiều cách để phân loại exciton như phân loại theo kích thước exciton, phân loại theo loại exciton mang điện, thời gian tồn tại của exciton, trạng thái liên kết của exciton,... trong đó người ta thường dựa vào kích thước exciton, loại exciton mang điện, thời gian tồn tại của nó để phân chia exciton.
Phân loại theo kích thước, người ta chia exciton thành hai loại: exciton Frenkel
và exciton Mott-Wannier.
• Exciton Frenkel
Trong các chất cách điện, ta thấy vì hằng số điện môi nhỏ nên lực tương tác Coulomb giữa điện tử và lỗ trống trở nên lớn hơn, kích thước exciton trở nên rất nhỏ và gần bằng với kích thước của ô đơn vị trong mạng tinh thể (thậm chí có thể định xứ hoàn toàn trong cùng một ô đơn vị). Các exciton này được gọi là các exciton Frenkel (exciton phân tử hay exciton bán kính nhỏ), đặt theo tên của Jakov Frenkel, có năng lượng liên kết vào khoảng 0.1 đến 1eV. Các exciton này thường được tìm thấy trong các tinh thể của halogenua.
T r a n g 21
(a) (b)
Hình 2.1:
(a) Hình ảnh nhà Vật lý học người Nga Yakov Frenkel.
(b) Exciton Frenkel: liên kết được biểu diễn định xứ tại một nguyên tử trong một tinh thể kiểu halogenua.
• Exciton Mott-Wannier
Xét các chất bán dẫn có hằng số điện môi tương đối lớn làm tương tác Coulomb giữa điện tử và lỗ trống yếu đi. Điện tử và lỗ trống tương tác với nhau ở khoảng cách lớn hơn nhiều lần so với hằng số mạng. Khi đó, thế năng của mạng tinh thể sẽ tác động đáng kể đến chuyển động của điện tử và lỗ trống, làm giảm khối lượng hiệu dụng của chúng; lại cộng thêm thế chắn của môi trường mạng nên năng lượng liên kết của exciton thường nhỏ hơn nhiều so với năng lượng của Hydro (mức năng lượng trung bình 0.01 eV). Loại exciton này gọi là exciton Mott-Wannier, đặt theo tên hai nhà khoa học Nevil Francis Mott và Gregory Wannier. Exciton loại này thường có trong mạng tinh thể đồng hóa trị.
Hình 2.2:
Từ trái sang phải: Hình ảnh nhà Vật lý học Nevil Fracis Mott , Gregory Wannier,
T r a n g 22
Mô hình Exciton Mott-Wannier.
Kết luận:
Các exciton có thể di chuyển trong các chất bán dẫn. Đối với các exciton Mott-Wannier, dưới tác dụng của trường mạng tinh thể, các điện tử và lỗ trống tồn tại như các hạt mang điện tự do, do đó các exciton di chuyển như sóng trong mạng tinh thể. Đối với các exciton Frenkel, các exciton di chuyển xem như sự “ nhảy ” của các cặp điện tử- lỗ trống từ nút mạng này đến nút mạng khác.
Phân loại theo trạng thái liên kết của exciton trung hòa với điện tử mang điện
thứ ba.
Exciton mang điện là exciton trung hòa (một electron + một lỗ trống) liên kết thêm một lỗ trống hay một electron. Các exciton mang điện có năng lượng liên kết nhỏ hơn nhiều so với các exciton. Tùy thuộc vào exciton trung hòa liên kết với hạt thứ ba là lỗ trống hay electron mà ta các exciton mang điện được phân ra làm hai loại:
• Exciton âm
Trong một số chất bán dẫn khi mật độ electron lớn hơn nhiều so với mật độ lỗ trống, các exciton trung hòa có khuynh hướng liên kết với một electron tạo nên exciton âm. Các exciton âm có cấu trúc tương tư như ion âm của nguyên tử hydro H-
hay nguyên tử Heli. Trong các giếng lượng tử pha tạp chất, exciton âm tồn tại khi sự chênh lệch mật độ electron và lỗ trống vào khoảng 1010 cm-2. Như vậy người ta có thể điều chỉnh mật độ của exciton âm thông qua mật độ của các hạt mang điện, ví dụ như áp một hiệu điện thế vào hai đầu giếng lượng tử pha tạp chất loại n. Một tính chất quan trọng của exciton âm là nó rất nhạy dưới tác dụng của điện trường ngoài do lực đẩy Coulomb giữa hai điện tử trong cấu trúc của nó. Khi điện tử tăng, hàm sóng của điện tử và lỗ trống bị phân cực ngược hướng với nhau, phổ phát xạ của exciton bị dịch chuyển do hiệu ứng Stark. Khi đó, năng lượng exciton giảm do lực hút Coulomb giảm [7].
• Exciton dương
Khi mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ electron, các exciton trung hòa liên kết với lỗ trống tạo nên exciton dương. Chúng có cấu trúc tương tự như ion âm hidro H+. Các nghiên cứu cho thấy năng lượng liên kết của exiton âm và exciton dương gần bằng nhau khi không có từ trường ngoài. Khi có ảnh hưởng của từ trường ngoài thì năng lượng liên kết của exciton âm tăng lên rất nhanh (khoảng 60% ở 7T) trong khi đó năng lượng liên kết của exciton dương gần như không đổi [7].
T r a n g 23
Phân loại theo không gian tiếp xúc giữa electron và lỗ trống, người ta chia
exciton thành hai loại: exciton trực tiếp và exciton gián tiếp.
• Exciton trực tiếp: là trạng thái liên kết giữa electron và lỗ trống ở cùng một phân lớp
Exciton trực tiếp thông thường tồn tại trong thời gian rất ngắn do sự kết hợp trực tiếp của các electron với lỗ trống dưới tác dụng của ánh sáng kích thích.
• Exciton gián tiếp: là trạng thái liên kết giữa electron và lỗ trống ở hai phân lớp khác nhau.
Exciton gián tiếp hình thành trong các hệ bán dẫn nhiều lớp thấp chiều và có sự tồn tại của một không gian tách biệt lớn giữa electron và lỗ trống. Exciton gián tiếp có thời gian sống dài hơn nhiều so với exciton trực tiếp.
Nhận xét: Người ta thường nghiên cứu exciton gián tiếp trong các giếng lượng tử kép bởi 2 yếu tố thuận lợi sau:
o Khoảng cách không gian giữa electron và lỗ trống làm giảm tốc độ kết hợp thành photon của chúng.
Hình 2.3: Mô hình exciton trung hòa, exciton dương và exciton âm lần lượt từ trái sáng phải.
T r a n g 24
o Khoảng cách không gian giữa chúng là nguyên nhân làm cho exciton cư xử như một lượng cực điện, tại đó tồn tại một lực đẩy. Lực đẩy này ngăn cản electron và lỗ trống từ trạng thái ngưng tụ chuyển thành trạng thái plasma electron-lỗ trống không mong muốn.
Hình 2.4: Mô hình exciton trực tiếp (màu xanh) và gián tiếp (màu đỏ).
Phân loại dựa vào sự xuất hiện của các loại giả hạt mớimà trong đó thành
phần chính là exciton, người ta thường chia exciton theo hai loại giả hạt mới
là: polariton và biexciton.
Exciton là cơ chế chính của sự phát quang ánh sáng trong bán dẫn ở nhiệt độ thấp. Sự tồn tại exciton có thể suy ra từ sự hấp thụ ánh sáng kết hợp với kích thích của chúng. Thông thường exciton được quan sát ngay ở dưới khe hở vùng dẫn.
o Khi exciton tương tác với phonon thì ta có giả hạt polariton. Những exciton này đôi khi được gọi là exciton mặc quần áo.
o Exciton tương tác lực hấp dẫn với exciton khác tạo thành một biexciton. Tương tự như phân tử hydrogen. Nếu tồn tại một mật độ exciton lớn trong vật liệu thì chúng có thể tương tác với nhau tạo thành một trạng thái lỏng electron-lỗ trống , trạng thái này chi có thể được quan sát trong không gian ảo k chiều.
T r a n g 25
Ngoài ra, exciton có những hạt có spin nguyên tuân theo thống kê Bose ở nhiệt độ thấp sẽ tạo ra một số hệ thống trong đó tồn tại các lực đẩy hình thành nên trạng thái ngưng tụ Bose- Einstein của Excitoncơ bản.
Bên cạnh đó còn có một số cách phân loại khác:
o Dựa vào trạng thái hình thành của exciton từ sự kích thích của nguyên tử hay phân tử mà ta có hai loại exciton: Exciton nguyên tử và phân tử. o Exciton mà ở đó trạng thái liên kết của lỗ trống trong chất rắn liên kết
với electron trong chân không được gọi là exciton bề mặt: những cặp electron-lỗ trống này chỉ có thể di chuyển dọc theo bề mặt vật rắn.