Was bedeutet der Nullpunkt des Realteils der dielektrischen Funktion für einen Halbleiter?

Die dielektrischen Funktionen von Silizium aus Phys. Rev. B 62, 7071

Ich verstehe im Grunde den Nullpunkt des Realteils der dielektrischen Funktion für ein Metall. Es entspricht im Allgemeinen Plasmon. Bei einem Metall ist der Realteil bei niedrigerer Frequenz negativ, was bedeutet, dass das Licht vollständig reflektiert wird. Die Elektronen an der Oberfläche können die elektrischen Felder des Lichts abschirmen, bevor es in die Masse gelangt. Ist die Frequenz aber höher als die Plasmonenfrequenz, ist der Realteil positiv und das Metall verhält sich wie ein dielektrisches Medium.

Aber ich kann die ähnlichen Nullpunkte für einen Halbleiter wie Silizium physikalisch nicht verstehen. Könnte mir bitte jemand dabei helfen?

Die Abbildung stammt von Phys. Rev. B 62,7071, und sie sind die Diagramme des Real- und Imaginärteils der dielektrischen Funktion von Silizium.

Antworten (2)

Einführung: Bei Metallen können sich, wie Sie sagten, Elektronen bewegen, um die Felder abzuschirmen. Bei niedrigen Frequenzen (weniger als die Plasmafrequenz) können sich die Elektronen schnell genug bewegen, um die Felder abzuschirmen; Bei hohen Frequenzen (größer als die Plasmafrequenz) können sich die Elektronen nicht schnell genug bewegen, und es "erfolgt" nicht, die Felder abzuschirmen, die das Material durchdringen können.

Zu Ihrer Frage: Andererseits können Sie sich einen Halbleiter als ein Ensemble positiver Ladungen mit gebundenen Elektronen um sie herum vorstellen. Ein elektrisches Feld polarisiert diese Ladungen: Die positiven Ladungen werden leicht in eine Richtung verschoben, während die negativen Ladungen ein wenig in die entgegengesetzte Richtung gezogen werden. Keiner von ihnen kann sich weit von seiner ursprünglichen Position entfernen. Zwischen ihnen und aufgrund dieser Polarisierung hat das Material jedoch ein elektrisches Feld erzeugt, das dem externen Feld entgegengesetzt ist. Da haben Sie das PhysischeMechanismus, durch den das Material die angelegten Felder mäßig (oder stark, abhängig von seiner Polarisierbarkeit) ändert oder abschirmt. Die Frequenz spielt nun die gleiche Rolle wie bei Metallen, was die Fähigkeit des Materials angeht, „pünktlich“ zu reagieren, um die angelegten Felder abzuschirmen.

Ich würde sagen, es entspricht einer Art Quasiteilchen oder mit anderen Worten einer elementaren Anregung des Systems. Die Art der Erregung, die für den jeweiligen Nullpunkt verantwortlich sein kann R e [ ϵ ] Sie suchen, es hängt davon ab, auf welcher Frequenz es ist.

In dem Beispiel, das Sie gegeben haben, haben wir die Null ungefähr bei ω ≈ 4 e v . Dies entspricht (jetzt arbeiten wir mit der Lichtstreuung, da diese absorbiert wird): λ ≈ 3 ⋅ 10 − 7 M was im Ultravioletten liegt. Dabei handelt es sich höchstwahrscheinlich immer noch um eine Art Plasmon, also eine Schwingung des Elektronengases (siehe auch Kommentar zu Halbleiter-Plasmonen hier ).

Das Plasmon hat meiner Meinung nach immer mit freien Elektronen zu tun. Daher sollte in einem undotierten Halbleiter grundsätzlich kein Plasmon vorhanden sein. Ist das richtig?
Auch für ein Plasmon in Metall ist der Realteil der dielektrischen Funktion links vom Nullpunkt negativ. Aber für den Nullpunkt in der obigen Abbildung ist die Situation genau umgekehrt.
@JohnCao: Über Plasmonen als freie Elektronenschwingungen: Das ist wahrscheinlich wahr, also suchen wir nach einer anderen Art von Quasiteilchen, das ist eine kompliziertere kollektive Anregung, die die Wechselwirkungen mit dem Kernpotential berücksichtigt. Man könnte vielleicht auch damit erklären, warum die dielektrische Funktion umgekehrt ist (sry, ich habe das in meiner Antwort verpasst), obwohl dies eine detaillierte Analyse der Anregung erfordern würde, ähnlich wie wir es in der Lindhard-Theorie en.wikipedia.org tun /wiki/Lindhard_theory , aber aufgrund der Interaktion viel komplizierter.
Grundsätzlich haben Sie Recht und ich denke, es ist wichtig, die Quasiteilchen oder Übergänge zu finden und zu verstehen. Gemäß Abb.11 in PHYSICAL REVIEW B 69, 245419 (2004) scheint der Nullpunkt meiner Frage mit dem Interband-Übergang zusammenzuhängen σ → σ ∗
Was bedeutet der Nullpunkt des Realteils der dielektrischen Funktion für einen Halbleiter?
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