第六章固体中的光吸收和光发射_new要点.doc

第六章 固体中的光吸收和光发射 光通过固体后，其强度或多或少地会减弱，实际上就是一部分光能量被固体吸收。而固体施加外界作用，如加电磁场等激发，固体有时会产生发光现象。这里涉及两个相反的过程：光吸收和光发射。 光吸收：光通过固体时，与固体中存在的电子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用而产生光的吸收。 光发射：固体吸收外界能量，其中一部分能量以可见光或近于可见光的形式发射出来。 研究目的：研究固体中的光吸收和光发射，可直接地获得有关固体中的电子状态，即电子的能带结构及其它各种激发态的信息。 本章首先引出描述固体光学性质的若干参数及相互间的关系，主要用到电动力学知识；然后将陆续介绍几种主要的光吸收过程；最后还有固体发光的一些基本知识，其中用到固体物理和半导体物理一些知识。  固体光学常数间的基本关系 吸收系数 我们知道，当光透射（射向）固体时，光的强度或多或少地被削弱，这一衰减现象为光的吸收。从宏观上讲，固体的光学性质可由折射率n和消光系数?来描述。实际上，它们分别是复数折射率nc的实部和虚部。 . （1） 当角频率为?的平面电磁波射入一固体并沿固体中某一方向（x轴）传播时，电场强度E： E ＝. （2） 其中，v为波在固体中的波速，而v与复数折射率有如下关系： ，c为光速. （3） 结合（1）、（2）和（3）式可得到， . （4） 上式最后为衰减因子。 光强：I，于是， . （5） 其中 . （6） 为吸收系数。而（注：自由空间中。） 介电常数与电导率 当电磁波在一种磁导率系数为?，介电系数为?和电导率?为的各向同性介质中传播时，Maxwelll方程组可写为： . 求解波动方程，其中用到矢量运算法则，。 因为，从，于是沿x方向有 （7） 取，于是得 （8a） （8b） 对光学中所讨论的大多数固体材料一般都是非磁性材料，因此它们的磁导率系数接近于真空的情形，。因此， . （9） 其中用到。 又因为，，与（9）式比较得 （10a） （10b） 解上式可得， （11a） （11b） 对于电介质材料，一般导电能力很差，即? ? 0，于是其折射率n ?，而消光系数? ? 0，材料是透明的。 对于金属材料，? 很大，即，。取极限，?为电磁波频率。 前面已经提到，，，当透入距离x = d1= = 时，光的强度衰减到原来的1/e，通常称为穿透深度。 对金属材料： （12a） 对于不良导体，?较小，当时，则有（引入Taylor展开，）， ； （13a） . （13b） 因此这种材料具有较小的消光系数?，其穿透深度 . （14） 举例说明，对半导体材料Ge而言，电导率?＝0.11?－1?cm－1，? ＝ 16，满足条件，因此折射率，与电介质材料类似。 一个有用的关系式——Kramers-Kronig关系式 可以参考C. Kittel书中有关这一关系式的推导过程。这里只给出结果。 定义复介电常数，为电磁波角频率?的函数，，和分别为的实部和虚部。而二者满足以下关系式， （15a） （15b） 其中P代表Cathy积分主值，。 如果实验上测得吸收系数，为光子能量，吸收能谱关系，就可以将折射率的色散关系用来加以表示。 前面我们定义，类比有 . （16） 利用，最后有 . （17） 原则上讲，如果吸收光谱已知，就可以从上式求出折射率的色散关系。 反射率 光从自由空间射入固体表面时，反射光与入射光强度之比为反射率R，考虑简单的正入射情形时，。 对透明材料，? ＝ 0， . （18） 对金属材料，前文已指出，那么 . （19） 固体中的光吸收过程 以半导体为代表，吸收区主要可以划分为六个区。光吸收的微观机制。 基本吸收区 谱范围：紫外－可见光－近红外光 机制：电子从价带跃迁到导带引起光的强吸收，吸收系数很高，常伴随可以迁移的电子和空穴，出现光电导。 吸收边缘界限 机制：电子跃迁跨越的最小能量间隙，其中对于非金属材料，还常伴随激子的吸收而产生精细光谱线。 自由载流子吸收 机制：导带中电子或价带中空穴在同一带中吸收光子能量所引起的扩展到整个红外甚至扩展到微波波段，显然吸收系数是电子（空穴）的浓度的函数，金属材料载流子浓度较高，因而这一区吸收谱线强度很大，甚至掩盖其它吸收区光谱。 晶体振动引起的吸收 机制：入射光子和晶格振动（声子）相互作用引起的，波长在20～50 ?m。 杂质吸收 机制：杂质在本征能带结构中引入浅能级，电离能在0.01 eV左右，只有在低温下易被观察到。（为什么？） 自旋波或回旋