EXCITON

Quasi-particule utilisée en physique quantique pour décrire la propagation de l'énergie dans un diélectrique ou dans un semiconducteur par le mécanisme du transfert graduel (d'une molécule à la suivante). L'énergie transférée est une énergie d'excitation (« transfert d'excitation ») et les molécules restent en place, par opposition au transfert accompagné d'un transport de masse (diffusion) ou d'électricité (conduction électrique). On distingue deux types d'excitons :

– L'exciton de Frenkel, de petit rayon (de l'ordre de la constante du réseau, c'est-à-dire de la distance de deux atomes voisins), donc fortement lié. Il apparaît surtout dans les cristaux de grande constante de réseau et de constante diélectrique réduite (halogénures alcalins, cristaux moléculaires). L'exciton de Frenkel n'a pas une masse bien définie, son analogue classique étant une onde de propagation de l'énergie et non une particule. Sa loi de dispersion énergie - quasi-impulsion reproduit la loi de dispersion fréquence-vecteur de propagation de cette onde.

– L'exciton de Wannier-Mott, de grand rayon, donc faiblement lié, possédant un analogue classique corpusculaire. L'état d'excitation d'une molécule étant associé au déplacement d'au moins un atome vers l'extérieur du système atomique, cet analogue est une paire « électron-trou », c'est-à-dire l'ensemble [électron + charge positive équivalente à l'absence de charge négative au point que l'électron a quitté]. La paire électron-trou a un mouvement interne (analogue au mouvement d'un électron autour du noyau dans un atome) et un mouvement d'ensemble de translation. L'énergie du mouvement interne (énergie de formation de l'exciton au repos) est égale dans un cristal à Δ—w, où Δ est la largeur de la bande interdite (séparant la bande de valence de la bande de conduction dans l'approximation de la théorie des zones, que le concept d'exciton a justement le rôle de dépasser) et w est l'énergie de liaison de l'atome de Bohr fictif formé par la paire. L'énergie du mouvement de translation est p²/2 m′, où p est la « quasi-impulsion » et m′ la masse effective de l'exciton égale à la somme des masses effectives de l'électron et du trou. La loi de dispersion énergie-« quasi-impulsion » est Δ — w + p²/2 m′. L'exciton de Wannier-Mott apparaît dans certains semiconducteurs (ex. Cu₂O, Ge), dans lesquels, par suite d'une constante diélectrique E relativement élevée, l'attraction électron-trou se trouve réduite dans le rapport 1/ε et la distance électron-trou (rayon de la paire) augmente dans le rapport ε.

Les excitons sont des quasi-particules obéissant à la statistique de Bose-Einstein. Il est possible que certains semiconducteurs à bande interdite étroite passent, au-dessous d'une température critique bien déterminée, dans une phase particulière caractérisée par la formation spontanée d'excitons (isolateur excitonique). Cependant, en général, cette formation demande de l'énergie puisqu'il s'agit d'un état faiblement excité du corps. Dans les états fortement excités, l'exciton disparaît, par exemple par décomposition en un électron et un trou découplés (quasi libres).

Dans le voisinage des défauts physiques ou chimiques d'un cristal, il peut y avoir une localisation d'excitons (capture d'excitons, excitons liés).

— Viorel SERGIESCO