Введение
Перевод связанного электрона в более энергичное состояние
Electron excitation is the transfer of a bound electron to a more energetic, but still bound state. This can be done by photoexcitation (PE), where the electron absorbs a photon and gains all its energy or by collisional excitation (CE), where the electron receives energy from a collision with another, energetic electron. Within a semiconductor crystal lattice, thermal excitation is a process where lattice vibrations provide enough energy to transfer electrons to a higher energy band such as a more energetic sublevel or energy level. When an excited electron falls back to a state of lower energy, it undergoes electron relaxation (deexcitation). This is accompanied by the emission of a photon (radiative relaxation/spontaneous emission) or by a transfer of energy to another particle. The energy released is equal to the difference in energy levels between the electron energy states. In general, the excitation of electrons in atoms strongly varies from excitation in solids, due to the different nature of the electronic levels and the structural properties of some solids. The electronic excitation (or deexcitation) can take place by several processes such as:
collision with more energetic electrons (Auger recombination, impact ionization, )
absorption / emission of a photon,
absorption of several photons (so called multiphoton ionization); e. g., quasi monochromatic laser light. There are several rules that dictate the transition of an electron to an excited state, known as selection rules. First, as previously noted, the electron must absorb an amount of energy equivalent to the energy difference between the electron's current energy level and an unoccupied, higher energy level in order to be promoted to that energy level. The next rule follows from the Frank Condon Principle, which states that the absorption of a photon by an electron and the subsequent jump in energy levels is near instantaneous. The atomic nucleus with which the electron is associated cannot adjust to the change in electron position on the same time scale as the electron (because nuclei are much heavier), and thus the nucleus may be brought into a vibrational state in response to the electron transition. Then, the rule is that the amount of energy absorbed by an electron may allow for the electron to be promoted from a vibrational and electronic ground state to a vibrational and electronic excited state. A third rule is the Laporte Rule, which necessitates that the two energy states between which an electron transitions must have different symmetry. A fourth rule is that when an electron undergoes a transition, the spin state of the molecule/atom that contains the electron must be conserved. Under some circumstances, certain selection rules may be broken and excited electrons may make "forbidden" transitions. The spectral lines associated with such transitions are known as forbidden lines.
Электронное возбуждение – это перевод связанного электрона в более энергичное, но все еще связанное состояние. Это может быть осуществлено посредством фотовозбуждения (ФВ), при котором электрон поглощает фотон и приобретает всю его энергию, или посредством коллизионного возбуждения (КВ), при котором электрон получает энергию от столкновения с другим энергичным электроном. В кристаллической решетке полупроводника термическое возбуждение – это процесс, при котором колебания решетки обеспечивают достаточную энергию для перехода электронов в более высокую энергетическую зону, например, на более энергетический подуровень или энергетический уровень. Когда возбужденный электрон возвращается в состояние с более низкой энергией, он подвергается электронной релаксации (девозбуждению). Это сопровождается излучением фотона (радиационная релаксация/спонтанная эмиссия) или передачей энергии другой частице. Выделяемая энергия равна разнице энергетических уровней между энергетическими состояниями электрона. В целом, возбуждение электронов в атомах существенно отличается от возбуждения в твердых телах из-за различной природы электронных уровней и структурных свойств некоторых твердых тел. Электронное возбуждение (или девозбуждение) может происходить несколькими путями, такими как: столкновение с более энергичными электронами (рекомбинация Аугера, ударная ионизация), поглощение/излучение фотона, поглощение нескольких фотонов (так называемая многофотонная ионизация); например, квазимонохроматический лазерный свет. Существует ряд правил, определяющих переход электрона в возбужденное состояние, известных как правила отбора. Во-первых, как уже отмечалось, электрон должен поглотить количество энергии, эквивалентное разнице энергии между текущим энергетическим уровнем электрона и незанятым, более высоким энергетическим уровнем, чтобы перейти на этот уровень. Следующее правило вытекает из принципа Франка-Кондона, который утверждает, что поглощение фотона электроном и последующий скачок на энергетический уровень происходят практически мгновенно. Атомное ядро, связанное с электроном, не может адаптироваться к изменению положения электрона в той же временной шкале, что и сам электрон (поскольку ядра намного тяжелее), и, следовательно, ядро может прийти в колебательное состояние в ответ на электронный переход. Далее, правило заключается в том, что количество энергии, поглощаемой электроном, может позволить ему перейти из колебательного и электронного основного состояния в колебательное и электронное возбужденное состояние. Третье правило – правило Лапорта, которое требует, чтобы два энергетических состояния, между которыми происходит переход электрона, имели различную симметрию. Четвертое правило состоит в том, что при переходе электрона спиновое состояние молекулы/атома, содержащего электрон, должно сохраняться. В некоторых случаях определенные правила отбора могут быть нарушены, и возбужденные электроны могут совершать «запрещенные» переходы. Спектральные линии, связанные с такими переходами, называются запрещенными линиями.
Electron excitation is the transfer of a bound electron to a more energetic, but still bound state. This can be done by photoexcitation (PE), where the electron absorbs a photon and gains all its energy or by collisional excitation (CE), where the electron receives energy from a collision with another, energetic electron. Within a semiconductor crystal lattice, thermal excitation is a process where lattice vibrations provide enough energy to transfer electrons to a higher energy band such as a more energetic sublevel or energy level. When an excited electron falls back to a state of lower energy, it undergoes electron relaxation (deexcitation). This is accompanied by the emission of a photon (radiative relaxation/spontaneous emission) or by a transfer of energy to another particle. The energy released is equal to the difference in energy levels between the electron energy states. In general, the excitation of electrons in atoms strongly varies from excitation in solids, due to the different nature of the electronic levels and the structural properties of some solids. The electronic excitation (or deexcitation) can take place by several processes such as:
collision with more energetic electrons (Auger recombination, impact ionization, )
absorption / emission of a photon,
absorption of several photons (so called multiphoton ionization); e. g., quasi monochromatic laser light. There are several rules that dictate the transition of an electron to an excited state, known as selection rules. First, as previously noted, the electron must absorb an amount of energy equivalent to the energy difference between the electron's current energy level and an unoccupied, higher energy level in order to be promoted to that energy level. The next rule follows from the Frank Condon Principle, which states that the absorption of a photon by an electron and the subsequent jump in energy levels is near instantaneous. The atomic nucleus with which the electron is associated cannot adjust to the change in electron position on the same time scale as the electron (because nuclei are much heavier), and thus the nucleus may be brought into a vibrational state in response to the electron transition. Then, the rule is that the amount of energy absorbed by an electron may allow for the electron to be promoted from a vibrational and electronic ground state to a vibrational and electronic excited state. A third rule is the Laporte Rule, which necessitates that the two energy states between which an electron transitions must have different symmetry. A fourth rule is that when an electron undergoes a transition, the spin state of the molecule/atom that contains the electron must be conserved. Under some circumstances, certain selection rules may be broken and excited electrons may make "forbidden" transitions. The spectral lines associated with such transitions are known as forbidden lines.
Подготовка грунтового состояния
Энергию и импульс электронов в твердых телах можно описать, вводя волны Блоха в уравнение Шрёдингера с использованием периодических граничных условий. Решение этого уравнения собственных значений дает наборы решений, описывающих энергетические зоны, допустимые для электронов: электронную зонную структуру. На следующей странице содержится обзор методов, доступных в настоящее время для моделирования свойств твердых кристаллов в состоянии равновесия, то есть когда они не подвергаются воздействию света.
Возбуждение электрона светом: поляритон
Поведение электронов, возбужденных фотонами, может быть описано квазичастицей, называемой "поляритоном". Существует несколько методов для их описания, как с использованием классической, так и квантовой электродинамики. Один из этих методов заключается в использовании концепции "одетой частицы".