Excíton

Um excíton^[br] ou excitão^[pt] é uma quasipartícula (ou excitação elementar) dos sólidos formada por um elétron e um "buraco" ligados através da interação coulombiana.^[1] Se dá unicamente em semicondutores e isolantes.

Uma forma de entender a formação do excíton é a seguinte: um fóton alcança um semicondutor, excitando um elétron desde a banda de valência à banda de condução. O "buraco" que deixa atrás de si o elétron na banda de valência, ao ter carga oposta, interage com ele, atraindo-o através da força de Coulomb, de forma que ficam ligados um ao outro. O sistema que resulta de tal vínculo é justamente o excíton, e possui uma energia ligeiramente menor que a de um elétron e um "buraco" livres.

Dado que este sistema é similar ao que formam, nos átomos hidrogenóides, o elétron e o núcleo, sua função de onda também será hidrogenóide. Entretanto, a energia de ligação é muito menor, e seu tamanho muito maior que os do átomo de hidrogênio, devido aos efeitos de dispersão (que se traduz em uma permissividade dielétrica maior que a do vácuo) e à massa efetiva do elétron e o "buraco", que são característicos do material.

Num átomo de hidrogênio o núcleo e o elétron podem ter o spin paralelo ou antiparalelo, e o mesmo se sucede ao excíton.

Excíton de Frenkel

Em materiais com uma constante dielétrica relativamente pequena, a interação Coulomb entre um elétron e um buraco pode ser forte e os excitons tendem a ser pequenos, da mesma ordem que o tamanho da célula unitária.^[2] A absorção de um fóton ressonante com uma transição d-d leva à criação de um par de elétrons-orifícios em um único local atômico, que pode ser tratado como um excíton de Frenkel.^[3]

Excíton de Wannier-Mott

Nos semicondutores, a constante dielétrica é geralmente grande. Consequentemente, a triagem de campo elétrico tende a reduzir a interação de Coulomb entre elétrons e buracos. O resultado é um exciton de Wannier-Mott, que possui um raio maior que o espaçamento da rede.^[4]

Excíton de Mahan

O exciton de Mahan é um tipo de exciton previsto em 1967, por Gerald Mahan, que ainda pode persistir acima da densidade de Mott.^[5] Essa quase partícula foi observada em uma perovskita com halogeneto de chumbo à temperatura ambiente,^[6] um semicondutor barato e abundante que é intensamente investigado para aplicações como energia fotovoltaica, materiais luminescentes ou lasers.^[7]

Excitões em nanopartículas

Nas nanopartículas de cristalito semicondutoras que exibem efeitos de confinamento quântico e, portanto, se comportam como pontos quânticos, os raios excitônicos são dados por^[8]^[9]

a_{\text{X}}={\frac {\varepsilon _{r}}{\mu /m_{0}}}a_{0}

onde $\varepsilon _{r}$ é a permissividade relativa, $\mu \equiv (m_{e}^{*}m_{h}^{*}/(m_{e}^{*}+m_{h}^{*})$ é a massa reduzida do sistema de buracos de elétrons, $m_{0}$ é a massa de elétrons e $a_{0}$ é o raio de Bohr.

Referências

↑ Crockett, Christopher (26 de julho de 2018). «Strange new entities called collexons hint at undiscovered physics in semiconductors». Science News (em inglês)
↑ Combescot, Monique; Shiau, Shiue-Yuan (1 de dezembro de 2015). Frenkel Excitons (em inglês). [S.l.]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-181528-7. doi:10.1093/acprof:oso/9780198753735.001.0001/acprof-9780198753735-chapter-4
↑ Gaididei, Yu. B.; Loktev, V. M. (1992). Davydov, Aleksandr S.; Loktev, Vadim M., eds. «On the Theory of dd-Absorption in High-Temperature Superconductors». Berlin, Heidelberg: Springer. High-Tc Superconductivity. Research Reports in Physics (em inglês): 126–135. ISBN 978-3-642-77293-1. doi:10.1007/978-3-642-77293-1_9
↑ Wannier, Gregory H. (agosto de 1937). «The Structure of Electronic Excitation Levels in Insulating Crystals». PhRv (em inglês). 52 (3): 191–197. ISSN 1536-6065. doi:10.1103/PhysRev.52.191
↑ Mediacom (2 de dezembro de 2020). «New quasiparticle unveiled in room temperature semiconductors» (em inglês)
↑ Steffen Richter; et al. (23 de novembro de 2019). «Ultrafast dynamics of hot charge carriers in an oxide semiconductor probed by femtosecond spectroscopic ellipsometry» (PDF). arXiv:1902.05832v2 [cond-mat.mtrl-sci]
↑ «Scientists unveiled new quasiparticle in the room temperature». Tech Explorist (em inglês). 12 de fevereiro de 2020. Consultado em 12 de fevereiro de 2020
↑ Brus, Louis (1986). «Electronic wave functions in semiconductor clusters: experiment and theory». ACS Publications. The Journal of Physical Chemistry. 90 (12): 2555–2560. doi:10.1021/j100403a003
↑ Edvinsson, T. (2018). «Optical quantum confinement and photocatalytic properties in two-, one- and zero-dimensional nanostructures». Royal Society Open Science. 5 (9). 180387 páginas. ISSN 2054-5703. PMID 30839677. doi:10.1098/rsos.180387

[1] Crockett, Christopher (26 de julho de 2018). «Strange new entities called collexons hint at undiscovered physics in semiconductors». Science News (em inglês)

[2] Combescot, Monique; Shiau, Shiue-Yuan (1 de dezembro de 2015). Frenkel Excitons (em inglês). [S.l.]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-181528-7. doi:10.1093/acprof:oso/9780198753735.001.0001/acprof-9780198753735-chapter-4

[3] Gaididei, Yu. B.; Loktev, V. M. (1992). Davydov, Aleksandr S.; Loktev, Vadim M., eds. «On the Theory of dd-Absorption in High-Temperature Superconductors». Berlin, Heidelberg: Springer. High-Tc Superconductivity. Research Reports in Physics (em inglês): 126–135. ISBN 978-3-642-77293-1. doi:10.1007/978-3-642-77293-1_9

[4] Wannier, Gregory H. (agosto de 1937). «The Structure of Electronic Excitation Levels in Insulating Crystals». PhRv (em inglês). 52 (3): 191–197. ISSN 1536-6065. doi:10.1103/PhysRev.52.191

[5] Mediacom (2 de dezembro de 2020). «New quasiparticle unveiled in room temperature semiconductors» (em inglês)

[6] Steffen Richter; et al. (23 de novembro de 2019). «Ultrafast dynamics of hot charge carriers in an oxide semiconductor probed by femtosecond spectroscopic ellipsometry» (PDF). arXiv:1902.05832v2 [cond-mat.mtrl-sci]

[7] «Scientists unveiled new quasiparticle in the room temperature». Tech Explorist (em inglês). 12 de fevereiro de 2020. Consultado em 12 de fevereiro de 2020

[8] Brus, Louis (1986). «Electronic wave functions in semiconductor clusters: experiment and theory». ACS Publications. The Journal of Physical Chemistry. 90 (12): 2555–2560. doi:10.1021/j100403a003

[Edvinsson2018-9] Edvinsson, T. (2018). «Optical quantum confinement and photocatalytic properties in two-, one- and zero-dimensional nanostructures». Royal Society Open Science. 5 (9). 180387 páginas. ISSN 2054-5703. PMID 30839677. doi:10.1098/rsos.180387

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