電子励起

電子励起とは、束縛された電子をよりエネルギーの高い、しかし依然として束縛された状態へ遷移させることである。これは、電子が光子を吸収してそのエネルギーをすべて得る光励起（PE） ^[1] 、または電子が他のエネルギーの高い電子との衝突からエネルギーを受け取る衝突励起（CE）によって行われる。 ^[2]半導体結晶格子内では、熱励起は格子振動が電子をよりエネルギーの高いサブレベルまたはエネルギーレベルなどのより高いエネルギーバンドへ遷移するのに十分なエネルギーを提供するプロセスである。 ^[3]励起された電子がより低いエネルギー状態に戻ると、電子緩和（脱励起^[4]）を受ける。これには光子の放出（放射緩和/自然放出）または他の粒子へのエネルギーの移行が伴う。放出されるエネルギーは、電子エネルギー状態間のエネルギーレベルの差に等しい。^{[5] [6]}

核、原子、分子系の励起状態はそれぞれ異なるエネルギー値を持ち、適切な割合で外部エネルギーを吸収することができる。^[6]

一般に、原子内の電子の励起は、電子レベルの性質や固体の構造特性の違いにより、固体内の励起とは大きく異なります。^[7]電子励起（または脱励起）は、次のようないくつかのプロセスによって起こります。

• よりエネルギーの高い電子との衝突（オージェ再結合、衝撃イオン化など）
• 光子の吸収/放出、
• 複数の光子の吸収（いわゆる多光子イオン化）；例えば、準単色レーザー光。

電子が励起状態へ遷移する際には、選択則と呼ばれるいくつかの規則があります。まず、前述のように、電子がそのエネルギー レベルに昇格するには、その電子の現在のエネルギー レベルと占有されていないより高いエネルギー レベルとのエネルギー差に等しい量のエネルギーを吸収する必要があります。次の規則は、フランク・コンドン原理に従います。これは、電子による光子の吸収とそれに続くエネルギー レベルのジャンプはほぼ​​瞬間的であるとするものです。電子が関連付けられている原子核は、電子と同じ時間スケールで電子の位置の変化に適応することはできません (原子核の方がはるかに重いため)。そのため、原子核は電子の遷移に応じて振動状態になる可能性があります。次に、電子によって吸収されるエネルギーの量によって、電子が振動および電子の基底状態から振動および電子の励起状態に昇格できるという規則があります。 3番目のルールはラポルトの規則で、電子が遷移する2つのエネルギー状態は異なる対称性を持たなければならないと規定しています。4番目のルールは、電子が遷移するときに、電子を含む分子/原子のスピン状態が保存されなければならないということです。 ^[8]

状況によっては、特定の選択規則が破られ、励起電子が「禁制」遷移を起こす場合があります。このような遷移に関連するスペクトル線は禁制線として知られています。

固体中の電子のエネルギーと運動量は、周期境界条件を適用してシュレーディンガー方程式にブロッホ波を導入することで記述できます。この固有値方程式を解くと、電子に許されるエネルギーのバンドを記述する解のセットが得られます。これが電子バンド構造です。最後のページには、平衡状態、つまり光が当たっていない状態の固体結晶の特性をモデル化するために現在利用可能な手法の概要が記載されています。

光子によって励起された電子の挙動は、「ポラリトン」と呼ばれる準粒子によって記述することができます。 ^{[9]これらを記述する方法は、古典電気力学と}量子電気力学の両方を使用していくつか存在します。その方法の1つは、ドレスド粒子の概念を使用することです。

• エネルギーレベル
• モード（電磁気）