Des scientifiques russes de l'Université fédérale de l'Oural (UrFU), avec leurs collègues de l'Institut de physique des métaux du département de l'Oural de l'Académie des sciences de Russie, ont étudié les caractéristiques fondamentales des nanocristaux d'oxyde de nickel et trouvé pour la première fois des excitons sur le bord d'absorption de la lumière. Un exciton est une paire électron-trou liée par un couplage électrostatique qui migre dans un cristal et transmet de l'énergie à l'intérieur de celui-ci. La présence d'un exciton dans cette zone permet une recherche détaillée des paramètres de bord dans les bandes d'énergie autorisées. Cela peut être utile pour le développement de dispositifs optoélectroniques de nouvelle génération. Les résultats de l'étude ont été publiés dans Physica B :Physique de la matière condensée journal.

Les liquides et (dans certaines circonstances) les gaz sont divisés en conducteurs et diélectriques. Les premiers conduisent l'électricité, et ce dernier, respectivement, ne pas. Les semi-conducteurs se situent entre ces deux catégories :la conductivité est due au mouvement des électrons chargés et des trous dans le cristal. On les trouve dans des systèmes avec des impuretés qui peuvent soit libérer soit recevoir des électrons, ainsi qu'après irradiation avec une lumière à haute énergie.

« En physique des semi-conducteurs, il existe une notion de bord d'adsorption fondamentale qui indique l'énergie au niveau du bord de l'adsorption de la lumière. Il correspond à la bande interdite, c'est-à-dire la zone d'énergies qu'un électron doit traverser au cours d'un mouvement sous l'influence de la lumière de la bande de valence (où il se trouve habituellement) à la bande de conductivité. Un espace vide chargé positivement qui se produit à cet endroit s'appelle un trou. Son interaction électrostatique (Coulombique) avec l'électron dans la bande de conduction provoque la formation d'une paire électron-trou, ou et exciton. Dans le spectre optique, il peut être vu comme une ligne étroite un peu en dessous du bord fondamental d'adsorption. Notamment, un exciton ne participe pas à la conductivité électrique, mais transfère l'énergie absorbée, " dit Anatoly Zatsepin, un co-auteur de l'article, et chef d'un laboratoire scientifique à l'UrFU.

L'énergie de la liaison exciton est trop faible, la température doit donc être basse afin de les enregistrer. Après avoir été irradié avec une lumière à courte longueur d'onde, une paire électron-trou s'effondre car l'excitation est trop élevée. Une énergie excessive est également libérée sous forme de rayonnement, et son spectre peut être enregistré. C'est ainsi que des excitons ont été trouvés dans des cristaux nanométriques d'oxyde de nickel. Un système comme celui-ci est fortement corrélé, c'est-à-dire que l'interaction entre ses parties est très forte. L'équipe de recherche a étudié le bord d'adsorption fondamental à basse température et a trouvé des lignes dans lesquelles l'intensité diminuait lorsque la température augmentait.

Ces faits, ainsi que les valeurs énergétiques, indiquer leur nature exciton. Les scientifiques ont également étudié les caractéristiques fondamentales des nanocristaux d'oxyde de magnésium avec de petits mélanges de nickel. Dans ce cas, excitons formés lors de la transition de l'électron (et donc de la charge négative) de la bande de valence du composant principal à la zone de mélange. Le trou était lié à un champ électrostatique généré par l'électron. La détection des excitons est un outil sensible pour étudier la structure compliquée de la zone frontière entre la bande de valence et la bande de conductivité dans les semi-conducteurs.

"Nous avons d'abord trouvé des excitons avec transfert de charge à la frontière de l'adsorption fondamentale dans l'oxyde de nickel et au bord de l'adsorption des impuretés dans l'oxyde de magnésium. Ces résultats peuvent intéresser les spécialistes de la physique théorique qui étudient la structure de bande des oxydes avec de fortes corrélations. NiO a longtemps été considéré comme un prototype de tels oxydes, et de nombreux schémas de calcul ont été testés avec cet objet. Les résultats peuvent également être pertinents pour le développement de nouveaux dispositifs optoélectroniques, " dit Anatoly Zatsepin.