Excíton

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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[editar | editar código-fonte]

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[editar | editar código-fonte]

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[editar | editar código-fonte]

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[editar | editar código-fonte]

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]

onde é a permissividade relativa, é a massa reduzida do sistema de buracos de elétrons, é a massa de elétrons e é o raio de Bohr.

Referências

  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 
  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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