电子－空穴液滴

锗和硅中高密度激子气凝聚、形成具有金属性的液滴

电子－空穴液滴，在足够低的温度下，锗和硅中高密度激子气凝聚，形成一种具有金属性的液滴。

解释

纯净半导体中一个电子被激发到导带以后，在价带中留下一个空穴(见固体的能带)。电子和空穴带有符号相反的等量电荷，由于它们之间的库仑作用而形成一个束缚的体系，称为激子（见固体中的元激发）。

经过一段时间（称为寿命，在锗中约为10微秒）以后，电子和空穴复合而发光。激子的存在和它的结合能可由这个发光谱线来表征。在很低的温度下，用适当波长的强光照射半导体时，其中不断产生激子，它们同时还经历扩散和复合的过程，因而可在晶体中维持一个动态平衡，形成具有一定密度的激子“气体”。

光照强度提高，激子密度随之提高。像真实气体一样，当温度低于一定临界值，密度超过某一临界值时，激子气凝聚，形成一种液体，从而降低整个系统的能量。

1966年美国的J.R.海恩斯首先发现硅晶体在极低温度下荧光光谱出现另一个宽峰，其波长比激子谱线波长稍长。两年后，苏联的Б.М.阿什宁等在类似条件下研究了锗晶体，观测到一种异乎寻常的电导跳跃。A.B.凯尔德什对这些现象作了解释，认为它们表征硅、锗晶体中高密度激子气发生凝聚，成为一种具有金属性的液体。在这种新型液体中，电子和空穴不再成对地束缚成激子，而是形成一种等离子体状态，命名为电子－空穴液滴。

这是一种具有量子特性的液体，吸引了物理学界的注意，关于锗的研究工作最多，其次有硅、磷化镓等。现在已经可以利用荧光光谱、光散射微波特性等实验测定这种液滴的大小、分布并估算液滴中所含电子－空穴对的数目。同时还研究了液滴的相图和成核、长大、衰变的动力学性质，以及当撤去激发源之后，液滴以电子－空穴复合的方式消失的过程。另外还研究了液滴在晶体中应力场的作用下会发生的漂移运动，以及液滴在磁场中和超声波场中的行为。

理论研究表明，高密度激子气凝聚成电子－空穴液滴时，半导体的复杂的能带结构以及多体的交换、关联等量子特性起重要作用。

目前理论工作有关于电子－空穴液滴基态能量的计算，关于金属性凝聚态性质的理论以及液滴动力学性质的理论等。

现以锗为例，列出它的一些典型实验数据。用强激光激发在样品中可产生直径约1毫米左右的微滴云团，其中约含105个微滴。液相形成的临界温度Tc。约6.5K，临界密度nc。约为8×1016厘米-3。液滴直径平均约4×10-3毫米，约含2.5×107对电子和空穴。

粒子密度2.4×1017厘米-3，平均间距100埃。激发源撤去后液滴约在40微秒后消失。实验还揭示锗晶体在不均匀应力下可以产生巨大的液滴，其直径约0.3毫米，寿命延长达10倍以上。附图是J.P.沃尔夫等用红外光导摄像管拍下的一个液滴的发光照片。

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