高激發(fā)密度下的發(fā)光

高激發(fā)密度下發(fā)光兩激可結(jié)成個子子電穴可凝為電子和穴系成等子，或電穴滴EHD)。激分和子空穴液都從光象研中發(fā)的在高發(fā)度低條下更易察。3.7.1激子分子的發(fā)光（激子分子的發(fā)光首次在中被報道,后來證明不是激子分子,而是電子-空穴液滴年對在低溫下紅寶石激光激發(fā)晶得到CuCl的發(fā)光光譜除了已知的由激子發(fā)光線在低能方向出現(xiàn)M線和線發(fā)光強度在一范圍內(nèi)與激密度的平方成正比,因被歸結(jié)為激子子的發(fā)光

。

此后在、大多數(shù)II-VI化合物：CdSe和ZnO等，以III-V半導(dǎo)體中都相繼觀測到激子分子的發(fā)光。激子分子總能量等于個激子的能量去激子分子的結(jié)合能GmE2[(E*)g

2k2]2M

激子分子發(fā)光可以理為其中一個電空穴對復(fù)合,剩下一個保持為激子因此，發(fā)光的量為一個自激子62

m61m61的能量E減激子分子結(jié)能。exm*Lm

22M

其中M為電子和空穴的總有效質(zhì)量，k為激子波矢。因此激子分子發(fā)光能量比自由激子要低一個G。如果伴隨聲子發(fā)射，還要減去發(fā)射聲子的能量E。對于直接躍遷，與K有關(guān)的動能項可以忽略不計。ex激子分子的發(fā)光，除了能量較低之外，有一個與激子發(fā)光明顯不同的特點，就是

激子分子光的強度隨激發(fā)度的提高，線性增大

。這一點常常用來判斷是激子發(fā)光還是激子分子發(fā)光。設(shè)激子的度為，激子發(fā)光的光強度In。激子密度一般比于激發(fā)強I，即II。ex激子分子由兩個激子合在一起形成，其密度與子密度的方成比例，而其發(fā)光強度II。mex圖顯晶體1.8K下的發(fā)光光譜弱的汞燈激發(fā)下，只察到自激子發(fā)[A]及束縛激子的發(fā)光I和I線。當使用高強度的脈沖（納秒）N分子激光激發(fā)時新M，其強度隨激發(fā)強度超線性地增長，因此被指認為激子分子發(fā)光意，圖中M線的強度被按比例壓縮。圖在1.8K低下，晶中激子分子的發(fā)光63

**假設(shè)激子分子的運動遵從麥克斯韋-玻耳茲曼分其動能可用一等效溫度T來描述，激子分子的發(fā)光光譜可以表示為IALg

*

1/2m

exp(

*mk

)

其中，E*g

，A為與無關(guān)的常數(shù)。圖3.7-2表示CuCl發(fā)光的M帶以及用(3.7-3)式擬合的結(jié)果?？梢?.7-3)式適合于激子分子發(fā)光過程的描述，同時說明激子分子的熱分布遵從玻耳茲曼統(tǒng)計。從擬合中得到參數(shù)T=26K,effCuCl激子分子的結(jié)合能G=meV。激子分子的結(jié)合能很低，因此關(guān)激子m分子發(fā)光的實驗必須在低溫下進行。圖CuCl激子分子發(fā)譜與線的理論計算實驗溫為4.2K,激發(fā)強250mW計中假定子分子動能麥克斯-玻耳茲曼分,等效溫度為26K3.7.2電子空穴滴的發(fā)光2.2節(jié)中已提到，在低溫和強的激發(fā)強度下，電子和空穴可以進一步凝聚成電子—空穴液滴在這種激發(fā)態(tài)于組成液滴的帶電子和價帶穴之間存強關(guān)聯(lián)和交作用，使得每對電子和空穴的平均能量更低，它們復(fù)合發(fā)光的特征峰位出現(xiàn)在激子峰的低能方向

,以理解為電子-空穴液滴具有較低的能隙。g電子液滴最早是從對Ge光現(xiàn)象的研究中被發(fā)現(xiàn)的圖3.7-3(a)和(分別表示在和1.7K的低溫和強激發(fā)條件下,半導(dǎo)體Ge發(fā)光光譜。其中峰位在714的A線聲子伴隨的自由激子(FELA)發(fā)光在比A低5的709meV處的B線，為聲子伴隨的電子液滴(EHD的發(fā)光,位64

1212于meV的B線為EHD聲子伴隨的復(fù)合發(fā)光其峰位比同樣低大約5。3.7-3(b)中的FE線消失,可能由于在更低的溫度下，自由激子全部凝結(jié)為。而在高能方向出現(xiàn)位于meV的EHD聲子伴線B峰，它也比FE-TA發(fā)光峰低。些新的發(fā)峰

BB、出現(xiàn)的12條件是

激發(fā)密度高臨界密度測量溫度于臨界溫。cc同時這些

發(fā)光過程伴隨光電導(dǎo)，因此被為是電子空穴液滴的發(fā)光而不是激子激子分子的發(fā)。圖3.7-3(a)4.2K下Ge半體的發(fā)光譜。其中

A為聲子隨自由激子FELA)

的發(fā)光,和分別為LA和1聲子隨的發(fā)光。圖3.7-3(b)1.7K半體發(fā)光譜由子

A(FELA)線消失，只有電子-空穴液滴的B線B線在較高能量方面出現(xiàn)

聲子伴隨的EHD發(fā)光B線265

ff10ff10gL電子空穴液滴的發(fā)光作為一個實體曾經(jīng)被拍攝下來,其大小為級。EHD可以類比為液態(tài)金屬?？蓪Χx一個功函數(shù)和費米能（圖sf3.7-4用金屬電子氣費米能與電子濃度的關(guān)系Ef

23(m*

)

,

可以從電子液滴的濃度n和電子有效質(zhì)量m*計算E計算的再與EHD發(fā)光峰寬度進行比較反過來從發(fā)峰寬度得到利用(3.74)式對電子f和空穴的密度進行計算Ge和一系列的實驗n10/cm10/cm量級，理論和實驗?zāi)軌蜉^好地符合，說明用液態(tài)金屬來模擬電子空穴液滴是合理的。圖在K下,的發(fā)光光。發(fā)光量714meV為LA伴隨的自激子(FE-LA)發(fā)光EHD發(fā)光為709meV的寬帶,表示EHD到脫出功由高激發(fā)密度的電子氣凝聚為EHD,能量進一步降低導(dǎo)體Ge,激子的結(jié)合能為4meV,而EHD的功函數(shù)(EHD費米面到自由激子發(fā)光峰)僅為meV。因此只有在極低溫的條件下，才能觀察到EHD的發(fā)光。圖給出半導(dǎo)體Ge有關(guān)自由激子、激子的聲子伴線、以及EHD發(fā)光躍遷能帶圖。其中帶間間接躍遷發(fā)光能量為E=745718meV;中自由激子結(jié)合能為4meV,因此FELA子發(fā)光能量為718714除了LA子TA和TO聲子都可能參與自由激子的發(fā)光。從的費米面到自由激子基態(tài)的結(jié)合能為2meV,電子空穴液滴的費米能約為，因此從EHD發(fā)光峰到由激子發(fā)光峰的間隔為5meV。66

圖3.7-5導(dǎo)