ОПТИЧЕСКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Оптическое возбуждение твердых тел вызывается действием квантов электромагнитного излучения (фотонов) в диапазоне УФ, видимого и ИК-спектра. Согласно закону Эйнштейна, только поглощенный квант может оказать какое-либо воздействие на материал.

Интенсивность светового потока J (x) экспоненциально снижается в результате поглощения квантов света, в соответствии с законом Бугера – Ламберта:

J (x) = J (0) exp (- a x), (6.1)

где J (0) – интенсивность падающего светового потока, a - коэффициент поглощения, х – толщина поглощающего слоя.

Физический смысл коэффициента поглощения a - вероятность поглощения фотона на расстоянии в единицу длины; a^{- 1} – средняя длина свободного пробега фотона в среде – глубина проникновения света в среду (расстояние, на котором интенсивность света ослабляется в e» 2.72 раз). Соответственно, размерность a равна [a] = см^–1.

Поглощение света, вызывающее возбуждение электронов из валентной зоны в зону проводимости, называется собственным или фундаментальным (рис. 6.1). Естественно, для осуществления таких переходов энергия квантов света должна быть не ниже, чем энергия запрещенной зоны Е_g полупроводника ( Е_g).

Фундаментальные оптические переходы подразделяются на прямые и непрямые (рис. 6.1) в зависимости от характера изменения волнового вектора возбуждаемого электрона.

Для прямых переходов импульс фотона ( – волновое число фотона) намного меньше квазиимпульса электрона ( = ), поскольку длина волны фотона 10^-2 – 10^{-5 см (в диапазоне от “вакуумного“ УФ до дальнего ИК излучения) существенно ниже, чем типичная длина волны электрона в кристалле ( ~ см). Поэтому импульсом фотона можно пренебречь и записать закон сохранения квазиимпульса электрона в виде: = или = (правило отбора для прямых электронных переходов), где и квазиимпульс и волновой вектор электрона в возбужденном состоянии (в зоне проводимости).}

В случае непрямых оптических переходов закон сохранения квазиимпульса обеспечивается взаимодействием с фононами. Эти переходы осуществляются либо с испусканием либо с поглощением фонона.

Рис. 6.1. Фундаментальное поглощение в полупроводнике: а – прямые и

б – непрямые оптические переходы

При поглощении квантов света возможно такое возбуждение электронов валентной зоны, когда они не переходят в зону проводимости, а образуют квазичастицу – экситон – мигрирующее в кристалле электронное возбуждение, не связанное с переносом электрического заряда и массы.

В зависимости от эффективного расстояния между электроном и дыркой экситоны подразделяют на Френкелевские и на экситоны Ванье-Мотта. Экситон Френкеля – это, по-существу, результат возбуждения отдельного атома или молекулы в кристалле, причем такого рода внутриатомное (внутримолекулярное возбуждение) способно перемещаться по кристаллу. Такие экситоны могут существовать в кристаллах, у которых внутримолекулярное взаимодействие существенно преобладает над межмолекулярными, например, в некоторых органических полупроводниках (антрацен).

Экситоны Ванье-Мотта (большого радиуса) можно рассматривать как водородоподобное связанное состояние электрона и дырки.

Энергия кулоновского взаимодействия (U_exc) электрона и дырки в экситоне значительно ослаблена средой:

U_exp = e² / e e₀ r, (6.2)

где r – эффективное расстояние между электроном и дыркой. В связи с этим величина r в сотни раз может превышать период решетки кристалла, а энергия связи в экситоне Ванье-Мотта обычно в 100 – 1000 раз меньше, чем энергия связи в атоме водорода.

На спектрах оптического поглощения экситонное поглощение проявляется при энергиях несколько меньших Е_g, причем экситонные пики видны лучше при низких температурах. Следует подчеркнуть, что экситон, перемещаясь по кристаллу, хотя и переносит энергию возбуждения, но не переносит заряда, так как он электрически нейтральный. Спин экситона равен либо нулю, когда спины электрона и дырки, входящих в экситон, антипараллельны (синглетные экситоны), либо единице (триплетные экситоны).

Экситоны характеризуются ограниченным временем жизни (обычно 10^-4 – 10^-7 с), причем триплетные экситоны обычно более долгоживущие, чем синглетные. Гибель экситона связана с рекомбинацией входящих в него электрона и дырки (излучательной либо безызлучательной), а также с вовлечением электронов и дырок в квазихимические реакции, процессы с переносом зарядов и др.

Поиск по сайту: