¿Por qué el espacio óptico no es idéntico al espacio de carga?

El espacio óptico es la energía fotónica necesaria para crear un excitón (en una célula solar, por ejemplo). La brecha de carga (también conocida como brecha eléctrica) es la energía (voltaje) requerida para crear un fotón (en un LED, por ejemplo). ¿Por qué estos dos espacios no son idénticos?

Árbitro:

Los polímeros conjugados no dopados (neutros) son semiconductores, con espacios ópticos de ~ 2-3 eV y espacios de carga (o banda) típicamente ~ 0,5-1,0 eV más altos en energía, lo que refleja las grandes energías de unión de excitones en los polímeros. (fuente: Barford, 2013 )

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Ver también: ¿Cuál es la diferencia básica entre la brecha de banda óptica y la brecha de banda eléctrica?

La definición habitual de "banda prohibida óptica" (al menos en el campo de los cristales fotónicos, que es donde lo he oído usar con más frecuencia) no es lo que describiste en tu primer párrafo, y no tiene nada que ver con la absorción de fotones, electrones, agujeros o excitones.
Dado eso, ¿podría compartir cómo se define "brecha de banda óptica" o "brecha óptica" en el texto que citó?
La razón se da claramente en su referencia: el estado de excitación límite es 0.5-1.0 eV por debajo del borde de la banda de conducción.
@JonCuster, ¿puedes explicar eso? es decir, cómo se relaciona el estado de excitón, etc.
@Sparkler: tengo la idea de que no has aprendido qué es realmente un excitón. En un semiconductor, un electrón libre y un agujero libre interactúan para formar un excitón, es más o menos un "átomo" similar al hidrógeno. Dado que tienen una atracción mutua, el estado de excitón está por debajo del intervalo de banda. En espectroscopia óptica a bajas temperaturas, se pueden ver claramente los estados de excitón en Si y otros semiconductores unas pocas décimas de eV por debajo de la brecha. Existe una amplia variedad de estados de excitón (libres y ligados) en diferentes materiales.
@JonCuster, ¿no hay un excitón involucrado en ambos casos (célula solar y LED)?
La existencia de exictones crea una asimetría entre la absorción (no se absorbe en un estado de excitón) y la emisión (se puede emitir desde el estado de excitación). Entonces, no, los dos son distintos.
@JonCuster ¡esa es la respuesta que estaba buscando!
¿Su pregunta es sobre semiconductores en general o sobre semiconductores basados ​​en polímeros orgánicos, como se menciona en la referencia? Estos de alguna manera muestran un comportamiento similar y, por lo tanto, ambos se denominan semiconductores, pero los mecanismos pueden ser diferentes.
@engineer en realidad sobre productos orgánicos. ¿Podría explicar las diferencias entre semiconductores orgánicos e inorgánicos en este contexto?

Respuestas (2)

La diferencia entre la brecha fundamental (siguiendo las definiciones de la IUPAC, y su diagrama) (esto es a lo que se refiere como su brecha electrónica en su pregunta) existe porque la brecha óptica corresponde a la energía de la transición electrónica más baja accesible a través de la absorción de un solo fotón. El espacio óptico es generalmente sustancialmente más bajo que el espacio fundamental.

La razón de esto es que en el estado excitado el electrón y el hueco permanecen unidos electrostáticamente entre sí. Esto significa que la diferencia de magnitud entre la brecha fundamental y la brecha óptica está relacionada con la energía de enlace.

La brecha fundamental corresponde a la diferencia de energía causada por el fuerte límite entre los valores propios en el operador de Schrödinger.

Entonces, en el diagrama que ha proporcionado, la brecha fundamental está etiquetada mi F tu norte d , la energía de enlace del par electrón-hueco mi B es dado por mi F tu norte d − mi o pag t .

Resumen no técnico

El espacio óptico solo enumera un electrón sobre el espacio de banda y debe tener en cuenta los efectos electrostáticos entre su agujero y el electrón.

La brecha fundamental/electrónica es la diferencia de energía cuántica adecuada entre los niveles de energía.

La brecha de banda óptica o vertical es la separación mínima entre la banda de valencia y la de conducción a un valor k constante, o momento del electrón. La banda prohibida de carga es la separación de los estados de conducción y valencia donde estos pueden tener diferentes valores k. La brecha de banda óptica siempre es mayor que la brecha de banda de carga. Los estados de excitón tienen una energía algo menor que la banda prohibida óptica. La diferencia es la energía de enlace, una fracción de la brecha de banda óptica.

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