Interlayer interaction and exciton spectrum ofGaSe at low temperatures

Summary

The absorption and luminescence spectra of GaSe single crystals show that the members of the exciton series have doublet character. This doublet character is explained by a model in which the top of the valence band is split at the Γ-point by the interaction between layers (the value of splitting is about 2 meV). The analogy between the peculiarities of the exciton spectrum and those in molecular crystals is shown. Investigations of luminescence, differential absorption and photoconductivity spectra of GaSe crystals at various temperatures in the range of the indirect gap were carried out. The results of these investigations are interpreted in terms of indirect exciton transitions withE _g.ind.exc.=2.062 eV at 4.2 K. The proposed band structure permits to predict a new mechanism of stimulated emission in GaSe.

Riassunto

Gli spettri di assorbimento e di luminescenza dei cristalli singoli di GaSe mostrano che i membri della serie degli eccitoni hanno carattere di doppietto. Questo carattere di doppietto è spiegato da un modello in cui la cima della banda di valenza è tagliata al punto Γ dell’interazione tra gli strati (il valore del taglio è di circa 2 meV). Si mostra l’analogia tra le peculiarità dello spettro eccitonico e quelle nei cristalli molecolari. Si sono effettuate indagini sugli spettri di luminescenza, di assorbimento differenziale e di fotoconduttività in cristalli di GaSe a varie temperature nell’intervallo del «gap» indiretto. I risultati di queste indagini sono interpretati in termini di transizioni degli eccitoni indirette conE _g.ind.exc.=2.062 eV a 4.2 K. La struttura di banda proposta permette di predire un nuovo meccanismo dell’emissione stimolata in GaSe.

Резюме

Спектры поглощения и люминесценции монокристаллов GaSe показывают, что члены экситонных рядов имеют дублетный характер. Этот дублетный характер объясняется с помощью модели, в которой верхняя часть валентной зоны расщепляется в Γ-точке за счет взаимодействия между слоями (величина расщепления составляет около 2 мэВ). Отмечается аналогия между особенностями экситонного спектра и особенностями спектра в молекулярных кристаллах. Проводятся исследования люминесценции, дифференциального поглощения и спектров фотопроводимости кристаллов GaSe при различных температурах в области непрямой щели. Результаты этих исследований интерпретируются в терминах непрямых экситонных переходов сE _g.ind.exc.=2.062 эВ при 4.2 K. Предложенная зонная структура позволяет предсказать новый механизм стимулированной эмиссии в GaSe.