Электронное возбуждение — это перевод связанного электрона в более энергичное, но все еще связанное состояние . Это можно сделать с помощью фотовозбуждения (ФЭ), когда электрон поглощает фотон и получает всю его энергию [1] , или с помощью столкновительного возбуждения (СЕ), когда электрон получает энергию от столкновения с другим, энергичным электроном. [2] В кристаллической решетке полупроводника тепловое возбуждение — это процесс, при котором колебания решетки обеспечивают достаточно энергии для перевода электронов на более высокую энергетическую зону , например, на более энергетический подуровень или энергетический уровень. [3] Когда возбужденный электрон возвращается в состояние с более низкой энергией, он подвергается релаксации электрона (девозбуждение [4] ). Это сопровождается испусканием фотона (радиационная релаксация/ спонтанное излучение ) или передачей энергии другой частице. Выделяемая энергия равна разнице энергетических уровней между энергетическими состояниями электронов. [5]
Вообще возбуждение электронов в атомах сильно отличается от возбуждения в твердых телах из-за иной природы электронных уровней и структурных свойств некоторых твердых тел. [6] Электронное возбуждение (или девозбуждение) может происходить за счет нескольких процессов, таких как:
Существует несколько правил, определяющих переход электрона в возбужденное состояние, известных как правила отбора . Во-первых, как отмечалось ранее, электрон должен поглотить количество энергии, эквивалентное разнице энергий между текущим энергетическим уровнем электрона и незанятым, более высоким энергетическим уровнем, чтобы перейти на этот энергетический уровень. Следующее правило следует из принципа Франка-Кондона , который гласит, что поглощение фотона электроном и последующий скачок энергетических уровней происходят почти мгновенно. Атомное ядро, с которым связан электрон, не может приспособиться к изменению положения электрона в том же временном масштабе, что и электрон (поскольку ядра намного тяжелее), и, таким образом, ядро может быть приведено в колебательное состояние в ответ на электронный переход. . Тогда правило состоит в том, что количество энергии, поглощенной электроном, может позволить электрону перейти из колебательного и электронного основного состояния в колебательное и электронное возбужденное состояние. Третье правило — это правило Лапорта , согласно которому два энергетических состояния, между которыми переходит электрон, должны иметь разную симметрию. Четвертое правило заключается в том, что когда электрон подвергается переходу, спиновое состояние молекулы/атома, содержащего электрон, должно сохраняться. [7]
При некоторых обстоятельствах некоторые правила отбора могут быть нарушены, и возбужденные электроны могут совершать «запрещенные» переходы. Спектральные линии, связанные с такими переходами, известны как запрещенные линии .
Энергию и импульс электронов в твердых телах можно описать путем введения волн Блоха в уравнение Шредингера с применением периодических граничных условий . Решая это уравнение собственных значений , можно получить наборы решений, которые описывают диапазоны энергий, разрешенных электронам: структуру электронной зоны . Последняя страница содержит краткое изложение имеющихся в настоящее время методов моделирования свойств твердых кристаллов в равновесном состоянии, т. е. когда они не освещаются светом.
Поведение электронов, возбужденных фотонами, можно описать квазичастицей , называемой поляритоном . [8] Для их описания существует ряд методов, как с использованием классической, так и квантовой электродинамики . Одним из методов является использование понятия одетой частицы .