excitonbindning

Excitonbindning är den energi som krävs för att dissociera ett exciton, ett elektron–hål-par som är bundet av Coulombskt attraktionskraft i ett material. Ett exciton uppstår när en elektron reas till konduktionsbandet och lämnar ett hål i valensbandet; elektron och hål attraherar varandra och bildar en bindning som kan röra sig genom materialet som en gemensam quasipartikel.

Det finns två huvudtyper av excitoner. Frenkel-exciton är lokaliserad till en molekyl eller ett enhetscellsställe och förekommer ofta i organiska kristaller och polymerer; bindningen är starkare och bindingenergin är vanligtvis mellan några tiondels av en eV upp till cirka 1 eV. Wannier–Mott-exciton, eller Wannier-exciton, är mer spridd över flera enhetsceller och är vanlig i oorganiska halvledare; bindningsenergierna är oftare i intervallet från några tiotals meV upp till hundra meV eller mer, beroende på material och dielektriska skärmning.

Teoretiskt behandlas excitoner ofta med en effektiv massmodell där bindningsenergin Eb ungefär kan uppskattas som Eb ≈ μ e^4 / [2 (4π ε0 ε_r)^2 ħ^2], där μ är den reducerade massan av elektron–hålparet och ε_r är materialets relativa permittivitet. Denna modell förklarar hur högre ε_r minskar bindningen medan en större massa ökar den. Dimensionalitet spelar också roll: i tvådimensionella material, till exempel monolager av vissa TMDs, är excitonbindningen vanligtvis mycket högre än i 3D-material, delvis på grund av minskad skärmning och kvantkonfinement.

Excitonbindning påverkar hur excitoner bildas, diffunderar och dissocierar i optoelectroiska enheter. Den uppträder tydligt i spektroskopi och ljusemission och är central för forskning inom solceller, ljusemitterande dioder och kvantinformation.