Оптические свойства твердых тел, страница 3

                                                                      (2.4.18)

и соответствует области частот около w = w₀, в пределах которой мощность поглощаемого излучения составляет не менее половины своего максимального значения (то есть А² > ½ A₀² , рис. 2.4.3,а).

В областях частот, далеких от резонансных, которых вообще в любой конденсированной среде несколько (вспомним оптические моды собственных колебании ионов), вещество является прозрачным для излучения. В веществе излучение распространяется в виде интерферирующих вторичных волн, излучаемых элементарными квазиупругими диполями, в виде которых вполне допустимо представлять системы “электрон + ион”, составляющие вещество. Фаза вторичной волны совпадает с фазой изменения скорости электронов. Из-за конечной скорости передачи поляризационного возбуждения в среде фазовая скорость света отличается от скорости света в вакууме  v_ф = с/n, где n – показатель преломления вещества.

В курсе общей физики на основе приведенных выше классических соотношений показано, что для невзаимодействующих молекул газа с одной собственной частотой показатель преломления определяется из формулы

                                   (2.4.19)

где n₀ - концентрация атомов. Естественно, в спектре n = n(w) такого газообразного вещества наличествует лишь одна полоса поглощения вблизи  w = w₀ (рис. 2.4.3,6).

В спектрах конденсированных диэлектрических сред присутствуют полосы поглощения при различных частотах, что связано как с возбуждением волной различных видов поляризации (рис.2.3.11), так и с наличием дополнительных донорных и акцепторных уровней внутри запрещенной зоны, связанных с примесями и дефектами, с особенностями заполнения электронами уровней в разрешенных энергетических зонах.

Рис.4.4.Спектры поглощения и пропускания кристаллов при пониженных температурах (Ч.Киттель): a -NaBr (Т=80K), ближняя ультрафиолетовая часть спектра; б – Cu₂O (Т=77К) в видимой части спектра; в – GaAs (T=21K) в ближней инфракрасной части спектра; E_g - ширина запрещенной зоны

При практических спектрометрических измерениях необходимо также учитывать наличие молекул, адсорбированных на поверхностях образцов из атмосферы, а также поверхностных слоев инородных молекул, захваченных поверхностью в процессе технологических операций подготовки образцов. Чаще всего это молекулы H₂O, CO₂, N₂, O₂.

На рис. 2.4.4 приведены в качестве примеров графики характеристик поглощения (а) и (в) и пропускания (б)  кристаллов NaBr, Cu₂O и GaAs для различных частей оптического спектра: ближнего ультрафиолетового, видимой части и ближнего инфракрасного. Все спектры получены при низких температурах, что повышает качество спектра, давая четкие линии. Характерен вид спектра Cu₂O: пропускание резко уменьшается вблизи энергии фотонов 2,17 эВ, что примерно соответствует ширине запрещенной зоны в этом веществе. Некоторые другие физические явления, связанные с поглощением, будут рассмотрены в следующем параграфе.

Изучение спектров поглощения, определение положения пиков поглощения позволяет найти энергию излучения, резонансно поглощаемого веществом, определить величину энергии, достаточную для возбуждения тонких взаимодействий внутри вещества. Оптические измерения, таким образом, представляют широкие, а порой и единственные возможности изучения многих характеристик энергетического спектра твердых тел.

2.4.2.2. Физическая природа оптического поглощения

Энергия фотонов, поглощенных твердым телом, превращается в другие виды энергии. Эти превращения опосредуются движением свободных или связанных электронов или  колебательными  движениями атомов остова решетки. Наиболее важными являются следующие механизмы поглощения:

1) собственное или фундаментальное поглощение как результат потерь энергии излучения на межзонные переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости;

2) экситонное поглощение, связанное с затратами энергии на переходы, обусловливающие возникновение экситонов. Простейшая схема возникновения экситона - связанной пары "дырка" + удаленный, но не оторванный окончательно электрон - представлена на рис. 4.5. Различают слабосвязанные экситоны Мотта и сильно связанные экситоны Френкеля. Экситоны могут перемещаться по объему кристалла.

3) поглощение, связанное с изменением энергетического состояния свободных носителей заряда, то есть движением электронов и "дырок" внутри соответствующих разрешенных энергетических зон;

4) решеточное или фононное поглощение за счет изменения колебательного спектра остова решетки;

5) примесное поглощение, связанное с электронными переходами с участием примесей.

Рис. 2.4.5. Слабо связанный экситон (пара электрон – “дырка”) может рассматриваться как квантово-механическая система, подобная атому позитрония (а), с радиусом орбиты около 15 нм; возникновение экситонов отражается в зонной модели появлением в запрещенной зоне дополнительных уровней вблизи дна зоны поверхности (б)

Полный спектр поглощения твердого тела складывается из спектров поглощения, связанных с действием различных механизмов, но в различных спектральных интервалах превалируют различные из названных механизмов.