La excitación electrónica es la transferencia de un electrón ligado a un estado más energético, pero aún ligado . Esto se puede hacer mediante fotoexcitación (PE), donde el electrón absorbe un fotón y gana toda su energía [1] o mediante 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 en el que 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 caer a un estado de menor energía, sufre 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 de los electrones. [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 (o desexcitación) electrónica 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 . Primero, 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 superior desocupado para ser promovido a ese nivel de energía. La siguiente regla se deriva del Principio de Frank-Condon , que establece que la absorción de un fotón por un electrón y el posterior salto en los niveles de energía es casi instantáneo. El núcleo atómico al que está asociado el electrón no puede adaptarse al cambio de 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 entrar en un estado vibratorio 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 electrónico y vibratorio a un estado excitado electrónico y vibratorio. Una tercera regla es la regla de Laporte , que requiere que los dos estados de energía entre los cuales pasa un electrón deben tener simetría diferente. Una cuarta regla es que cuando un electrón sufre una transición, se debe conservar el estado de espín de la molécula/átomo que contiene el electrón. [7]
En algunas circunstancias, se pueden romper ciertas reglas de selección y los electrones excitados pueden realizar transiciones "prohibidas". Las líneas espectrales asociadas con tales 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 . Resolviendo esta ecuación de valores propios , se obtienen conjuntos de soluciones que describen bandas de energías que se les permiten a los electrones: la estructura de bandas electrónicas . La última página contiene un resumen de las técnicas disponibles hoy en día para modelar las propiedades de cristales sólidos en equilibrio, es decir, cuando no están iluminados por luz.
El comportamiento de los electrones excitados por fotones se puede describir mediante la cuasipartícula denominada " polaritón ". [8] Existen varios métodos para describirlos, tanto utilizando electrodinámica clásica como cuántica . Uno de los métodos consiste en utilizar el concepto de partícula vestida .