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1、第九章固體中的光吸收當光通過固體材料時,由于光與固體中電子、原子(離子)間的相互作用,可以發(fā)生光的吸收研究固體中的光吸收,可直接獲得有關電子能帶結構、雜質缺陷態(tài)、原子的振動等多方面的信息§9-1固體光學常數(shù)間的基本關系當光照射到固體表面時,部分光被反射,若入射光強為J0,反射光強為J反時,則有當光進入固體以后,由于可能被反射,光強隨進入固體材料的深度x而衰減其隨ω的依賴關系α(ω)稱為吸收譜反射系數(shù)反射系數(shù)對頻率的依賴關系R(ω)稱為反射譜α為吸收系數(shù)從理論上可以計算吸收系數(shù)(在一定的模型近似下)因此通常是進行表面反射系數(shù)的測量,最簡單的是測量垂直入射的反射系數(shù),這就需要找到反射系數(shù)R與吸
2、收過程之間的聯(lián)系,以便進行實驗與理論之間的比較這種方法看起來不直接,但實際上卻起了很大作用原則上可以從光波通過薄膜樣品的衰減情況測量出吸收系數(shù)。但是在很多情況下,由于吸收系數(shù)很大,而使衰減長度很小(例如0.1μ),樣品制備相當困難一、光吸收的描述——復數(shù)介電常數(shù)電磁波在介質中傳播,當需要考慮吸收的影響時,介電常數(shù)要用復數(shù)來描述。引入其中ε1(ω)為實部,ε2(ω)為虛部。電場為表示電磁波沿x方向傳播,E與傳播方向垂直在介質中D=ε0E+P,D為電位移矢量,P為極化強度。且有D=ε(ω)ε0E,所以P隨時間的變化,反映電荷位移隨時間的變化,有j為電流密度,代入前式中上式表明在介質吸收中,電流
3、j分為兩部分,一部分與E位相差90°,稱為極化電流,一部分與電場同位相,稱為傳導電流對于極化電流,電流與電場位相差90°,在一個周期中平均的結果,電場作功為零,因而不消耗電磁場的能量而傳導電流部分則不然,它具有歐姆定律的形式j=σE,其中σ=ωε2(ω)ε0,單位時間消耗能量＝σE2所以,ε2(ω)與吸收功率之間存在著內(nèi)在聯(lián)系。如果從微觀理論模型出發(fā),計算出光吸收功率就可以得到ε2(ω)的理論值電磁場所消耗的能量正是介質所吸收的能量,即單位時間吸收能量＝ωε2(ω)ε0二、光學系數(shù)在吸收介質中,折射率n應被復數(shù)n+ik所替代由于光強正比于E2,所以光強按e－(2ωkx/c)衰減電磁波在介質
4、中傳播,光速是c/n,其中n=為折射率,即ω=cq/n利用復折射率與復介電常數(shù)之間的關系可得可以用ε1,ε2描述固體的光學性質,也可以用n,k描述固體的光學性質,二者是等價的實際上還要利用Kramers-Kr?nig關系,由ε2(ω)計算出ε1(ω)其中p為主值積分同理,在光學常數(shù)n(ω)和k(ω)之間,也存在有類似的Kramers-Kr?nig關系可看出吸收系數(shù)為由三、反射系數(shù)在電磁波垂直入射時,反射波與入射波的振幅比為其中E入和E反分別為入射與反射電磁波的電場分量的振幅,θ為反射過程的位相變化。由電磁學理論可知可得反射系數(shù)可見,只需測得R和θ,就能定出光學系數(shù),但實際上測量θ是很困難的
5、,通常也是利用R和θ間的類似Kramers-Kr?nig關系,由測量的R(ω)值來推算θ(ω):因此,從實驗測出R(ω),利用上式就能算出θ(ω),就可推算出n(ω)和k(ω),隨即可得ε1(ω)和ε2(ω)從而可以和理論進行對比當然,也可以首先從理論上計算出ε2(ω),利用Kramers-Kr?nig關系得出ε1(ω),然后推算出n(ω)和k(ω),隨即可得R(ω),與實驗測得的值比較在沒有吸收時(k=0),也會發(fā)生反射,有例如鍺,n≈4,在弱吸收區(qū)的反射率也有R=0.36＝36％可以看到當吸收系數(shù)很大,若k>>n,這時R≈1,即入射光幾乎完全被反射。因此,如果一種固體強烈地吸收某一光譜
6、范圍的光,它就能有效地反射在同一光譜范圍內(nèi)的光如果一種固體強烈地吸收某一光譜范圍的光,它就能有效地_________在同一光譜范圍內(nèi)的光。反射§9-2固體中的光吸收過程對固體中各種可能的光吸收過程做一簡要的說明在圖中畫出了一個假想的半導體吸收光譜本征吸收區(qū)對應于價帶電子吸收光子躍遷至導帶,產(chǎn)生電子－空穴對本征吸收區(qū)由于各類材料能帶結構的差別,它可以處于紫外、可見光以至近紅外光區(qū)。它的特點是吸收系數(shù)很高,可達105－106cm－1本征吸收邊在它的低能量一端,吸收系數(shù)下降很快,這就是本征吸收邊,它的能量位置與帶隙寬度相對應在吸收邊附近,有時可以觀察到光譜的精細結構,它是與激子吸收相聯(lián)系,特別是
7、在離子晶體中尤為顯著自由載流子吸收當波長增加到超出本征吸收邊以后,吸收系數(shù)又開始緩慢地上升,這時由于導帶中的電子和價帶中的空穴帶內(nèi)躍遷所引起的,稱為自由載流子吸收自由載流子吸收可以擴展到整個紅外波段和微波波段,吸收系數(shù)大小與載流子濃度有關對于金屬,由于載流子濃度很高,載流子吸收甚至可以掩蓋所有其它吸收光譜的特征晶格吸收在紅外區(qū),存在有與晶格振動相聯(lián)系的新的吸收峰,特別是在離子晶體中,吸收系數(shù)可達105cm－1雜質吸收半導
