非晶态半导体的吸收方式

光与非晶态半导体作用所产生的光吸收包括本征吸收、 激子吸收、 自由载流子吸收、 声子吸收及杂质吸收等， 由于吸收方式不同， 它们分别发生在不同的光谱波段。

本征吸收

当用能量足够大的光子照射某种非品态半导体时， 可其价带中电子吸收光子后跃迁到导带， 形成电子 一空穴对，种带问跃迁吸收是本征吸收。由于非晶态半导体不具有长有序， 简约波矢 k 不再是电子态的好量子数 ， 故电子的跃迁受准动量守恒的限制。

激子吸收

实验发现， 在本征吸收的长波边缘有一系列吸收线， 它们对应激子吸收线。这些吸收线不像本征吸收那样伴有光电导， 说明受激电子并未进入导带形成 自由电子， 而是与留下的空穴束缚在一起形成电子一空穴对， 即激子。这种光吸收叫做激子吸收。理论极限上， 可以区分两种不同类型的激子幢，即弗仑克尔( F r e n k d) 激子和万尼尔激子。在弗仑克尔激子情况下， 电子和空穴形成一个点偶极矩， 电子 一空穴间距离和晶格常数相近。弗仑克尔激子常出现在绝缘体和分子 晶体中， 并伴随着强烈的电子一声子相互作用。在万尼尔激子情况下电子和空穴间相互作用较弱， 电子和空穴相距远大于晶格常数， 电子沿束缚或非束缚的类氢轨道绕空穴转动， 通常在非晶态半导体中碰到的下正是这种激子。激子的能态与氢原子的相似， 由一系列能级组成， 位于导带带尾附近。激子可以在非晶半导体中一处运动到另一处， 很易演变成亚稳态D与 D 一 对。

自由载流子吸收

自由载流子吸收是重要的和最普通的一种带内电子跃迁 光吸收过程。当入射光子能量不够高， 不足以引起带间跃迁或激子吸收时， 可以发生自由载流子在同一能带中的跃迁吸 收， 称做自由载流子吸收。自由载流子吸收光谱的特点在于 吸收曲线无明显结构和随波长的单调增加， 当其吸收谱位于红外和微波波段在一定范围内变化时， 某些材料对同一光子能量的吸收系数与其直流电导率成正比， 说明这种吸收是自由载流子吸收引起的。

声子吸收

晶态半导体在红外波具有由于光子与晶格振动相互作用引起的吸收区域， 被晶格吸收的光子能量转变成为晶格原子的振动能。对非晶态半导体， 在红外波段也存在着类似的光吸收。这是一种入射光子与非晶半导体的网格的相互作用，引起网格振动模式的光吸收。以 a —S i ： H为例， 材料中存在着 S i l l、 S i H 2 、 S i H 3 及( s i H) 等各种组态， 其红外吸收谱就是这 些组态振动能量间的跃迁所引起的吸收光谱。

激子是固体中的一种基本的元激发，是由库仑互作用互相束缚着的电子-空穴对。半导体吸收一个光子之后，电子由价带跃迁至导带，但是电子由于库仑作用仍然和价带中的空穴联系在一起。

激子对描述半导体的光学特性有重要意义；自由激子束缚在杂质上形成束缚激子。激子束缚能大，说明自由激子容易和杂质结合形成发光中心。激子效应对半导体中的光吸收、发光、激射和光学非线性作用等物理过程具有重要影响，并在半导体光电子器件的研究和开发中得到了重要的应用.与半导体体材料相比，在量子化的低维电子结构中，激子的束缚能要大得多，激子效应增强，而且在较高温度或在电场作用下更稳定。

在半导体吸收光谱中，本征的带间吸收过程是指半导体吸收一个光子后，在导带和价带同时产生一对自由的电子和空穴.但实际上除了在吸收带边以上产生连续谱吸收区以外，还可以观测到存在着分立的吸收谱线，这些谱线是由激子吸收引起的，其能谱结构与氢原子的吸收谱线非常类似.激子谱线的产生是由于当固体吸收光子时，电子虽已从价带激发到导带，但仍因库仑作用而和价带中留下的空穴联系在一起，形成了激子态.自由激子作为一个整体可以在半导体中运动.这种因静电库仑作用而束缚在一起的电子空穴对是一种电中性的、非导电性的电子激发态.

与氢原子一样，激子也具有相应的基态和激发态，但其能量状态与固体中的介电效应和电子空穴的有效质量有关.实际上，固体中的激子态可用类氢模型加以描述，并按此模型很好地估算出激子在带边下分立能级的能态和电离能。

总的来说，宽禁带的半导体材料，激子束缚能较大，而激子玻尔半径则比较小.而禁带较窄的材料，其激子电离能较小，激子玻尔半径则较大。

在对一种叫做“激子”的微小而短暂的物体的本质进行了近一个世纪的 探索 之后，研究人员终于成功地对其结构进行了成像，揭示了电子的真实位置。这些发现最终可能会“帮助物理学家创造新的物质状态或新的量子技术。

“激子”出现在半导体和绝缘体等其他材料中。当半导体吸收光子或光粒子时，它会导致电子跃迁到更高的能级，在其位置上留下带正电的空穴。电子和空穴相互环绕，形成一个“激子” —— 本质上是电子和空穴的整个区域。因为，电子带负电荷而空穴带正电荷，所以激子本身是中性的。但激子是短暂的，因为电子几乎总是突然回到它们的洞中。当电子落回内部时，它们会发射出一个光子。

主持这项研究的科学家告诉我们：“大约在90年前，科学家们首次发现了激子。但直到最近，人们通常只能看到激子的光学特征。例如，当激子熄灭时发出的光。它们性质的其他方面，比如它们的动量，以及电子和空穴如何相互绕转，就只能从理论上描述了。”

因为电子同时扮演粒子和波的角色，它们的位置和动量不能同时被确定。一个激子的“概率云”（它所构成的影响范围）是电子可能位于空穴周围的最佳指示器。

研究人员试图绘制激子的波函数，这将能直接定义结构的形状和大小。他们描述了一种探测激子动量的方法。在今天发表在《科学进展》(Science Advances）杂志上的最新研究中，该团队用激光照射半导体，催化光子的吸收。这个半导体非常薄，是一种只有几个原子厚的二维物质薄片。

当激子形成后，研究小组用高能光子将它们分解，将电子轰走。 他们用电子显微镜绘制电子出口的地图。

上图：激子的平方波函数。

这是研究人员一直在努力解决的问题。去年12月，他们发表了一种直接观测电子动量的方法。该技术使用一种名为钨二硒化物的二维半导体材料，放置在一个温度为90开尔文（-183.15摄氏度，或-297.67华氏度）的真空室内。这个温度需要保持，以防止激子过热。

激光脉冲在这种材料中产生激子。然后，第二束超高能量激光将电子完全踢出，进入由电子显微镜监控的真空室。仪器测量电子的速度和轨迹，这些信息可以用来计算出粒子在被踢出激子时的初始轨道。

科学家表示：“这项技术与高能物理的对撞机实验有一些相似之处，在对撞机实验中，粒子以巨大的能量被撞在一起，使它们断裂。在这里，我们正在做一些类似的事情，我们使用极端紫外光光子来分离激子，并测量电子的轨迹来描绘里面的东西。”

通过测量电子离开半导体的方式，研究人员可以将激子的位置、形状和大小拼合在一起。本文顶部的图像，看起来有点像晴朗天空中的太阳，但它描绘的是激子的概率云。换句话说，就是电子最有可能绕着它留下的洞飞来飞去的空间。

主持这项研究的科学家解释道：“这项工作是该领域的一个重要进展。当粒子形成更大的复合粒子时，能够可视化粒子的内部轨道，可以让我们以前所未有的方式了解、测量和最终控制复合粒子。这可以让我们在这些概念的基础上创造新的物质量子态和技术。”

自1931年第一次预测激子以来，现在已经将近一个世纪了，人类已经更接近于描述亚原子结构是如何实际表现出来的。这次最新的研究使我们对这些量子力学有了更全面的理解，相信当激子达到百年诞辰时，肯定会有更多、更广阔的的研究发展起来。

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