La excitación electrónica es la transferencia de un electrón ligado a un estado más energético, pero todavía ligado . Esto puede hacerse por fotoexcitación (PE), donde el electrón absorbe un fotón y gana toda su energía [1] o por excitación por colisión (CE), donde el electrón recibe energía de una colisión con otro electrón energético. [2] Dentro de una red cristalina semiconductora, la excitación térmica es un proceso donde las vibraciones de la red proporcionan suficiente energía para transferir electrones a una banda de energía más alta , como un subnivel o nivel de energía más energético. [3] Cuando un electrón excitado vuelve a un estado de energía más baja, experimenta una relajación electrónica (desexcitación [4] ). Esto va acompañado de la emisión de un fotón (relajación radiativa/ emisión espontánea ) o de una transferencia de energía a otra partícula. La energía liberada es igual a la diferencia de niveles de energía entre los estados de energía del electrón. [5]
En general, la excitación de los electrones en los átomos varía mucho de la excitación en los sólidos, debido a la diferente naturaleza de los niveles electrónicos y las propiedades estructurales de algunos sólidos. [6] La excitación electrónica (o desexcitación) puede tener lugar mediante varios procesos como:
Existen varias reglas que dictan la transición de un electrón a un estado excitado, conocidas como reglas de selección . En primer lugar, como se señaló anteriormente, el electrón debe absorber una cantidad de energía equivalente a la diferencia de energía entre el nivel de energía actual del electrón y un nivel de energía desocupado, más alto, para ser promovido a ese nivel de energía. La siguiente regla se desprende del Principio de Frank-Condon , que establece que la absorción de un fotón por un electrón y el salto posterior en los niveles de energía es casi instantáneo. El núcleo atómico con el que está asociado el electrón no puede ajustarse al cambio en la posición del electrón en la misma escala de tiempo que el electrón (porque los núcleos son mucho más pesados), y por lo tanto el núcleo puede ser llevado a un estado vibracional en respuesta a la transición del electrón. Entonces, la regla es que la cantidad de energía absorbida por un electrón puede permitir que el electrón sea promovido desde un estado fundamental vibracional y electrónico a un estado excitado vibracional y electrónico. Una tercera regla es la Regla de Laporte , que requiere que los dos estados de energía entre los que un electrón transita deben tener diferente simetría. Una cuarta regla es que cuando un electrón experimenta una transición, el estado de espín de la molécula/átomo que contiene el electrón debe conservarse. [7]
En determinadas circunstancias, pueden romperse ciertas reglas de selección y los electrones excitados pueden realizar transiciones "prohibidas". Las líneas espectrales asociadas con dichas transiciones se conocen como líneas prohibidas .
La energía y el momento de los electrones en los sólidos se pueden describir introduciendo ondas de Bloch en la ecuación de Schrödinger aplicando condiciones de contorno periódicas . Al resolver esta ecuación de valores propios , se obtienen conjuntos de soluciones que describen bandas de energías permitidas a los electrones: la estructura de bandas electrónicas . La última página contiene un resumen de las técnicas que están disponibles actualmente para modelar las propiedades de los cristales sólidos en equilibrio, es decir, cuando no están iluminados por la luz.
El comportamiento de los electrones excitados por fotones puede describirse mediante la cuasipartícula denominada " polaritón ". [8] Existen varios métodos para describirlos, tanto utilizando la electrodinámica clásica como la cuántica . Uno de los métodos es utilizar el concepto de partícula vestida .