Рассмотрены физические явления, протекающие с участием экситонов в слоистых кристаллах, которые являются переходным типом структур (от трёхмерных к двумерным, от ионно-ковалентных к молекулярным, от кристаллических к стеклообразным). Приводятся аргументы в пользу трёхмерного слабоанизотропного характера нижайших электронных возбуждений. Обращается внимание на наличие особенностей в диссипативной подсистеме — изгибных волн и низкоэнергетических оптических фононов, одномерного структурного беспорядка. Освещены основные закономерности экситонного поглощения света, кинетики поляритонного излучения, переноса энергии возбуждения, изменений оптических свойств в процессе фазовых структурных переходов. Особое внимание уделяется описанию коллективных экситонных процессов и резонансных явлений нелинейной оптики.

Для специалистов в области оптики и спектроскопии твёрдого тела, а также для аспирантов и студентов физических и радиофизических факультетов вузов.

Ил. 132. Табл. 17. Библиогр.: с 235—253

Первой квазичастицей, введенной в обиход физиков более полувека назад Я. И. Френкелем, был экситон — нижайшее бестоковое электронное возбуждение кристалла. Я. И. Френкель рассматривал экситон как связанную силами кулоновского взаимодействия электронно-дырочную пару, обладающую способностью свободно перемещаться по кристаллу вследствие межмолекулярного взаимодействия и трансляционной инвариантности кристалла. Энергетический спектр экситонов, их динамические свойства во многом зависят от типа химической связи между структурными элементами кристалла. Так, модель экситона Френкеля, или, как её ещё называют, модель экситона малого радиуса, оказалась приемлемой для молекулярных кристаллов, в основе устойчивости кристаллической решётки которых лежит слабая ван-дер-ваальсовская межмолекулярная связь. В ионно-ковалентных полупроводниках реализуются экситоны Ванье-Мотта с большим радиусом, охватывающим десятки постоянных решётки. Для ионных щелочно-галоидных кристаллов справедлива модель экситонов промежуточного радиуса. Интерес к физике экситонов постоянно растёт. Объясняется это важностью процессов, которые осуществляются в кристаллах с их участием. Многие из таких процессов, например поглощение света, перенос энергии возбуждения, возникновение собственного вторичного излучения, фотоструктурные превращения, уже хорошо изучены. Некоторые (экситонный механизм сверхпроводимости, фотосинтез, изменение «экситонного вещества» с увеличением его плотности) ещё находятся в состоянии развития. Экситонные процессы исследуются во многих известных лабораториях в связи с тем, что они позволяют исследовать такие редкие в природе явления, как ферми-жидкость, бозе-эйнштейновская конденсация и др. На характере протекания таких процессов сказываются энергетический спектр экситонов и их динамические свойства, которые существенно зависят от типа кристаллов.

К настоящему времени накоплено достаточное количество результатов, которые позволяют выразить обобщающий взгляд на природу экситонных возбуждений и физику процессов, которые протекают с участием экситонов в ещё одном классе структур — слоистых полупроводниках и диэлектриках. Последние вследствие их структурных особенностей, происходящих из-за сосуществования сильной ионно-ковалентной связи, действующей в пределах слоевого пакета, и слабой связи типа ван-дер-ваальсовской, действующей между слоевыми пакетами, можно рассматривать как промежуточный класс веществ между двумерными и трёхмерными, кристаллическими и стеклообразными структурами, между молекулярными и ионно-ковалентными кристаллами. В связи с этим в свойствах слоистых кристаллов возможно сочетание свойств перечисленных типов структур. Многие из процессов, происходящих в слоистых кристаллах с участием экситонов, действительно обладают своеобразием, проявляющимся в экситонном поглощении света, формировании поляритонного излучения, в некоторых коллективных экситонных процессах.

Основное внимание в настоящей монографии уделяется вопросам, связанным с моделью экситонов, особенностями экситонного поглощения света и лежащим в его основе экситон-фононным, светоэкситонным взаимодействиям, некоторым явлениям нелинейной оптики и спектроскопии, в которых принимают участие экситоны, коллективным экситонным процессам в слоистых кристаллах, т. е, тем вопросам, которые ещё не освещены в литературе. Показано, что слоистые кристаллы являются удачными модельными объектами для изучения различных нелинейных механизмов взаимодействий квазичастиц.

Мотивом к написанию этой книги явился и возрастающий интерес исследователей к низкоразмерным, в том числе слоистым, структурам в связи с возможностью их практического использования, например, для создания малогабаритных энергоёмких источников электричества, твердотельных СВЧ микрогенераторов, приборов так называемой малой энергетики. В связи с этим в монографию включены главы, посвящённые изложению наиболее важных общефизических свойств тех слоистых кристаллов, которые уже широко используются на практике или перспективны в этом отношении. Всё это позволяет надеяться, что книга окажется полезной для всех, кто интересуется физикой твёрдого тела и спектроскопией кристаллов.

Пользуясь случаем, авторы выражают искреннюю благодарность сотрудникам отдела нелинейной оптики Института физики АН УССР, в котором работают авторы, за обсуждение некоторых вопросов, изложенных в монографии, а также за оказание технической помощи при её подготовке.

ПРЕДИСЛОВИЕ
Авторы

Книги на ту же тему

1. Теория экситонов, Нокс Р., 1966
2. Электроны и фононы в ограниченных полупроводниках, Басс Ф. Г., Бочков В. С, Гуревич Ю. Г., 1984
3. Физика фононов, Рейсленд Д., 1975
4. Распад электронных возбуждений с образованием дефектов в твёрдых телах, Лущик Ч. Б., Лущик А. Ч., 1989
5. Теория ангармонических эффектов в кристаллах, Лейбфрид Г., Людвиг В., 1963
6. Электроны и фононы в металлах: Учебное пособие. — 2-е изд., перераб. и доп., Брандт Н. Б., Чудинов С. М., 1990
7. Дефекты и колебательный спектр кристаллов: Теоретические и экспериментальные аспекты влияния точечных дефектов и неупорядоченностей на колебания кристаллов, Марадудин А., 1968
8. Квантовая теория явлений электронного переноса в кристаллических полупроводниках, Зырянов П. С., Клингер М. И., 1976
9. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны, Сидоров Н. В., Волк Т. Р., Маврин Б. Н., Калинников В. Т., 2003
10. Самоорганизация в полупроводниках. Неравновесные фазовые переходы в полупроводниках, обусловленные генерационно-рекомбинационными процессами, Шёлль Э., 1991
11. Оптические свойства полупроводников в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, Тауц Я., 1967
12. Электронные состояния и оптические переходы в твёрдых телах, Бассани Ф., Пастори Парравичини Д., 1982
13. Оптические процессы в полупроводниках, Панков Ж., 1973
14. Излучательная рекомбинация в полупроводниках: Сборник статей, Покровский Я. Е., ред., 1972
15. Субмиллиметровая спектроскопия коллективных и связанных состояний носителей тока в полупроводниках, Мурзин В. Н., 1985
16. Теория кристаллического поля и оптические спектры примесных ионов с незаполненной d-оболочкой, Вонсовский С. В., Грум-Гржимайло С. В., Черепанов В. И., Мень А. Н., Свиридов Д. Т., Смирнов Ю. Ф., Никифоров А. Е., 1969
17. Спектроскопические свойства активированных лазерных кристаллов, Гёрлих П., Каррас Х., Кётитц Г., Леман Р., 1966
18. Введение в кинетику люминесценции кристаллофосфоров, Фок М. В., 1964
19. Некоторые вопросы теории люминесценции кристаллов, Адирович Э. И., 1951
20. Люминесценция кристаллов, Кюри Д., 1961