電子－空穴液滴

純淨半導體中一個電子被激發到導帶以後，在價帶中留下一個空穴(見固體的能帶)。電子和空穴帶有符號相反的等量電荷，由於它們之間的庫侖作用而形成一個束縛的體系，稱為激子（見固體中的元激發）。經過一段時間（稱為壽命，在鍺中約為10微秒）以後，電子和空穴複合而發光。激子的存在和它的結合能可由這個發光譜線來表徵。在很低的温度下，用適當波長的強光照射半導體時，其中不斷產生激子，它們同時還經歷擴散和複合的過程，因而可在晶體中維持一個動態平衡，形成具有一定密度的激子“氣體”。光照強度提高，激子密度隨之提高。像真實氣體一樣，當温度低於一定臨界值，密度超過某一臨界值時，激子氣凝聚，形成一種液體，從而降低整個系統的能量。1966年美國的J.R.海恩斯首先發現硅晶體在極低温度下熒光光譜出現另一個寬峯，其波長比激子譜線波長稍長。兩年後，蘇聯的Б.М.阿什寧等在類似條件下研究了鍺晶體，觀測到一種異乎尋常的電導跳躍。A.B.凱爾德什對這些現象作了解釋，認為它們表徵硅、鍺晶體中高密度激子氣發生凝聚，成為一種具有金屬性的液體。在這種新型液體中，電子和空穴不再成對地束縛成激子，而是形成一種等離子體狀態，命名為電子－空穴液滴。這是一種具有量子特性的液體，吸引了物理學界的注意，關於鍺的研究工作最多，其次有硅、磷化鎵等。現在已經可以利用熒光光譜、光散射微波特性等實驗測定這種液滴的大小、分佈並估算液滴中所含電子－空穴對的數目。同時還研究了液滴的相圖和成核、長大、衰變的動力學性質，以及當撤去激發源之後，液滴以電子－空穴複合的方式消失的過程。另外還研究了液滴在晶體中應力場的作用下會發生的漂移運動，以及液滴在磁場中和超聲波場中的行為。理論研究表明，高密度激子氣凝聚成電子－空穴液滴時，半導體的複雜的能帶結構以及多體的交換、關聯等量子特性起重要作用。目前理論工作有關於電子－空穴液滴基態能量的計算，關於金屬性凝聚態性質的理論以及液滴動力學性質的理論等。現以鍺為例，列出它的一些典型實驗數據。用強激光激發在樣品中可產生直徑約1毫米左右的微滴雲團，其中約含105個微滴。液相形成的臨界温度Tc。約6.5K，臨界密度nc。約為8×1016釐米-3。液滴直徑平均約4×10-3毫米，約含2.5×107對電子和空穴。粒子密度2.4×1017釐米-3，平均間距100埃。激發源撤去後液滴約在40微秒後消失。實驗還揭示鍺晶體在不均勻應力下可以產生巨大的液滴，其直徑約0.3毫米，壽命延長達10倍以上。附圖是J.P.沃爾夫等用紅外光導攝像管拍下的一個液滴的發光照片。 ^[1]