Новости науки13.02.02. Электронно-дырочная жидкость в алмазе.

При определенных условиях в полупроводниках может существовать весьма необычное состояние системы электронов и дырок - электронно-дырочная жидкость. Японским ученым впервые удалось наблюдать образование электронно-дырочная жидкости в алмазе.

Большинство явлений в физике полупроводников можно описать в терминах свободных носителей заряда - электронов и дырок. Система этих квазичастиц может рассматриваться как "газ" (точнее, плазма) свободных носителей заряда. Так происходит потому, что кулоновское взаимодействие между носителями заряда не оказывает принципиального влияния на свойства системы (оно мало по сравнению с кинетической энергией носителей заряда). Однако при низких температурах вследствие кулоновского взаимодействия между электроном и дыркой в полупроводниках образуются связанные состояния электрона и дырки (экситоны), которые можно уподобить атому водорода с тем отличием, что экситон имеет конечное время жизни. При больших концентрациях электронов и дырок (возникающих, например, при оптическом возбуждении полупроводника - его облучении фотонами с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны) и низких температурах в системе неравновесных носителей заряда может иметь место фазовый переход экситонный газ - электронно-дырочная жидкость. Образование же "электронно-дырочного кристалла" невозможно даже при нулевой температуре из-за больших амплитуд нулевых колебаний частиц (электронно-дырочная жидкость - это квантовая жидкость).

Экспериментально конденсация неравновесных носителей заряда в капли электронно-дырочной жидкости была обнаружена в конце шестидесятых годов прошлого века. Свойства электронно-дырочной жидкости были хорошо исследованы в "классических" полупроводниках, таких как германий и кремний. Капли электронно-дырочной жидкости обладают необычными свойствами, например, они способны без разрушения перемещаться внутри кристалла на большие расстояния (порядка 1 см). В обычных условиях размер капель не превышает нескольких микрон, но, используя неоднородную деформацию кристалла, оказывается возможным получать капли макросколического размера (порядка миллиметра), время жизни которых может достигать одной миллисекунды (в германии).

Рис.1. Спектр люминесценции алмаза при температуре 15 К. Плотность энергии возбуждения I_p увеличивается сверху вниз.

Алмаз не является полупроводником, но различие между полупроводниками и диэлектриками достаточно условно: вещества с большей шириной запрещенной зоны называют диэлектриками, а с меньшей - полупроводниками (например, у алмаза ширина запрещенной зоны почти в 5 раз больше, чем у кремния). Хотя теоретические расчеты свойств электронно-дырочной жидкости для алмаза были проведены более 20 лет назад, экспериментально наблюдать конденсацию экситонного газа в алмазе удалось только в прошлом году [1]. Это связано с тем, что для образования электронно-дырочной жидкости в алмазе требуются очень большие концентрации неравновесных носителей заряда, что резко уменьшает время жизни электронно-дырочных капель (из-за высокой скорости безызлучательной рекомбинации электронно-дырочных пар). При оптическом возбуждении кристаллов алмаза фемтосекундными импульсами (длина волны излучения - 202 нм) японским ученым удалось наблюдать образование электронно-дырочной жидкости и исследовать ее свойства. На рис. 1 приведен спектр люминесценции алмаза при различных уровнях оптического возбуждения. Видно, что если при малых мощностях оптического возбуждения в наблюдается только линия люминесценции свободных экситонов, то при повышении мощности в длинноволновой области спектра возникает дополнительная полоса люминесценции, связанная с образованием электронно-дырочной жидкости. Эксперименты японских исследователей показывают, что, как и следовало ожидать, критическая температура для электронно-дырочной жидкости в алмазе выше, чем во всех других исследованных материалах - 165 К (для сравнения, в германии T_c - около 7 К).

1. Ryo Shimano, Masaya Nagai, Kenij Horiuch and Makoto Kuwata-Gonokami. Phys.Rev.Lett., v.88, 057404 (2002).

перейти к началу страницы