Ryska forskare från Ural Federal University (UrFU), tillsammans med sina kollegor från Institute of Metal Physics vid Ural Department of Russian Academy of Sciences, har studerat grundläggande egenskaper hos nanokristaller av nickeloxid och hittat excitoner på ljusabsorptionskanten för första gången. En exciton är ett elektron-hål-par bundet med elektrostatisk koppling som migrerar i en kristall och överför energi inom den. Närvaron av en exciton i detta område möjliggör detaljerad forskning av kantparametrar i tillåtna energiband. Detta kan vara användbart för utvecklingen av nästa generations optoelektroniska enheter. Resultaten av studien publicerades i Physica B:Fysik av kondenserad materia tidning.

Vätskor och (under vissa omständigheter) gaser delas in i ledare och dielektrikum. De förra leder elektricitet, och den senare, respektive, låt bli. Halvledare faller mellan dessa två kategorier - ledningsförmåga uppstår på grund av rörelsen av laddade elektroner och hål i kristallen. De finns i system med föroreningar som antingen kan frigöra eller ta emot elektroner, samt efter bestrålning med högenergiljus.

"I halvledarnas fysik, det finns en idé om fundamental adsorptionskant som indikerade kantnivåenergin för ljusadsorption. Det motsvarar energigapet - det område av energier som en elektron måste passera under rörelsen under påverkan av ljus från valensbandet (där det vanligtvis är beläget) till konduktivitetsbandet. Ett positivt laddat tomt utrymme som uppstår på denna plats kallas ett hål. Dess elektrostatiska (coulombiska) interaktion med elektronen i ledningsbandet orsakar bildandet av ett elektron-hål-par, eller och exciton. I det optiska spektrumet kan det ses som en smal linje lite under den fundamentala adsorptionskanten. I synnerhet, en exciton deltar inte i elektrisk ledningsförmåga, men överför den absorberade energin, säger Anatolij Zatsepin, en medförfattare till artikeln, och chef för ett vetenskapligt labb vid UrFU.

Excitonbindningsenergin är för låg, så temperaturen bör vara låg för att kunna registrera dem. Efter att ha bestrålats med ljus med kort våglängd, ett elektron-hålspar kollapsar då excitationen är för hög. Överdriven energi frigörs också i form av strålning, och dess spektrum kan registreras. Så här hittades excitoner i kristaller av nickeloxid i nanostorlek. Ett system som detta är starkt korrelerat, dvs samspelet mellan dess delar är mycket starkt. Forskargruppen studerade den fundamentala adsorptionskanten vid låga temperaturer och fann linjer där intensiteten minskade när temperaturen växte.

Dessa fakta, såväl som energivärdena, indikera deras excitonnatur. Forskare studerade också grundläggande egenskaper hos magnesiumoxidnanokristaller med små inblandningar av nickel. I detta fall, excitoner som bildas vid övergången av elektronen (och därför den negativa laddningen) från valensbandet för huvudkomponenten till blandningsområdet. Hålet var bundet med ett elektrostatiskt fält som genererades av elektronen. Detekteringen av excitoner är ett känsligt verktyg för att studera den komplicerade strukturen av gränsområdet mellan valensbandet och konduktivitetsbandet i halvledare.

"Vi hittade först excitoner med laddningsöverföring vid gränsen för fundamental adsorption i nickeloxid och vid föroreningsadsorptionskanten i magnesiumoxid. Dessa resultat kan vara av intresse för specialister inom teoretisk fysik som studerar bandstrukturen hos oxider med starka korrelationer. NiO har ansetts vara prototyp för sådana oxider under lång tid, och många beräkningsscheman har testats med detta objekt. Resultaten kan också vara relevanta för utvecklingen av nya optoelektroniska enheter, säger Anatoly Zatsepin.