Возбуждение электронов — это перевод связанного электрона в более энергичное, но все еще связанное состояние . Это может быть сделано путем фотовозбуждения (ПЭ), когда электрон поглощает фотон и получает всю свою энергию [1] или путем столкновительного возбуждения (СВ), 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 в более высокую энергетическую зону , такую как более энергетический подуровень или энергетический уровень. [3] Когда возбужденный электрон возвращается в состояние с более низкой энергией, он подвергается электронной релаксации (девозбуждению [4] ). Это сопровождается испусканием фотона (радиационная релаксация/ спонтанное испускание ) или передачей энергии другой частице. Высвобождаемая энергия равна разнице уровней энергии между энергетическими состояниями электронов. [5] [6]
Возбужденные состояния в ядерных, атомных и молекулярных системах имеют различные значения энергии, что позволяет поглощать внешнюю энергию в соответствующих пропорциях. [6]
В целом, возбуждение электронов в атомах сильно отличается от возбуждения в твердых телах из-за различной природы электронных уровней и структурных свойств некоторых твердых тел. [7] Электронное возбуждение (или девозбуждение) может происходить посредством нескольких процессов, таких как:
Существует несколько правил, которые определяют переход электрона в возбужденное состояние, известных как правила отбора . Во-первых, как уже отмечалось, электрон должен поглотить количество энергии, эквивалентное разнице энергий между текущим уровнем энергии электрона и незанятым, более высоким уровнем энергии, чтобы перейти на этот уровень энергии. Следующее правило следует из принципа Франка-Кондона , который гласит, что поглощение фотона электроном и последующий скачок уровней энергии происходят практически мгновенно. Атомное ядро, с которым связан электрон, не может подстроиться под изменение положения электрона в том же масштабе времени, что и электрон (потому что ядра намного тяжелее), и, таким образом, ядро может перейти в колебательное состояние в ответ на переход электрона. Затем правило заключается в том, что количество энергии, поглощенное электроном, может позволить электрону перейти из колебательного и электронного основного состояния в колебательное и электронное возбужденное состояние. Третье правило — это правило Лапорта , которое требует, чтобы два энергетических состояния, между которыми переходит электрон, имели различную симметрию. Четвертое правило заключается в том, что когда электрон претерпевает переход, спиновое состояние молекулы/атома, содержащего электрон, должно сохраняться. [8]
При некоторых обстоятельствах определенные правила отбора могут быть нарушены, и возбужденные электроны могут совершать «запрещенные» переходы. Спектральные линии, связанные с такими переходами, известны как запрещенные линии .
Энергия и импульс электронов в твердых телах могут быть описаны путем введения волн Блоха в уравнение Шредингера с применением периодических граничных условий . Решая это уравнение собственных значений , получаем наборы решений, которые описывают полосы энергий, разрешенных электронам: электронную зонную структуру . Последняя страница содержит сводку методов, которые в настоящее время доступны для моделирования свойств твердых кристаллов в равновесии, т. е. когда они не освещаются светом.
Поведение электронов, возбужденных фотонами, можно описать квазичастицей, называемой « поляритон ». [9] Существует ряд методов их описания, как с использованием классической, так и квантовой электродинамики . Один из методов заключается в использовании концепции одетой частицы .