Exciton


Exciton

Un exciton est, en physique, une quasi-particule que l'on peut voir comme une paire électron-trou liée par des forces de Coulomb. Une analogie souvent utilisée consiste à comparer l'électron et le trou respectivement à l'électron et au proton d'un atome d'hydrogène. Ce phénomène se produit dans les semi-conducteurs et les isolants. On distingue généralement deux sortes d'exciton : l'exciton de Mott-Wannier, dont le rayon (l'analogue du rayon de Bohr dans l'atome d'hydrogène) est nettement plus grand que le paramètre de maille du matériau cristallin dans lequel il se produit, et l'exciton de Frenkel, beaucoup plus petit, qui se produit quand la constante diélectrique du matériau est plus faible.

Une autre façon de décrire un exciton est de le voir comme étant une onde de polarisation neutre dans le matériau.

Dans les matériaux semi-conducteurs, l'exciton se manifeste par la présence d'un pic d'absorption situé à une énergie plus faible que l'énergie de bande interdite du matériau[1]. La différence entre les deux énergies est l'énergie de liaison El de l'exciton, et le pic excitonique n'est observable que lorsque l'énergie de liaison est faible devant l'énergie thermique : E_l \ll k_BT. Dans un puits quantique, l'énergie de la transition excitonique peut être modifiée par l'application d'un champ électrique (grâce à l'effet Stark), ce qui est à la base d'un modulateur d'intensité lumineuse : le modulateur à électro-absorption.

Le concept d’excitons a été proposé pour la première fois par Yakov Frenkel en 1931[2], quand il a décrit l’excitation des atomes d’un réseau dans un isolant. Il a proposé que cet état excité soit en mesure de voyager telle une particule à travers le réseau sans transfert de charge apparent.

Références

  1. (en) Gérald Bastard, Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures, Les éditions de physique, coll. « Monographies de physique », 1988, 327 p. (ISBN 2-86883-092-7) 
  2. J. Frenkel, « On the Transformation of light into Heat in Solids. I », dans Physical Review, vol. 37, 1931, p. 17 [texte intégral, lien DOI] 

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