第六章光学.ppt

激子——束缚的电子-空穴对 6.1 基本概念 在元素周期表中，Ⅰ-Ⅶ族元素离子的激子玻尔半径较小，如CuCl的玻尔半径≈0.7nm；对Ⅱ-Ⅵ族半导体，如CdS，其玻尔半径≈3.0nm，CdSe，其玻尔半径≈3.5nm，它们在小尺寸时（小于2nm）有较强的量子限域效应，但由于Ⅰ-Ⅶ和Ⅱ-Ⅵ族半导体很难作成小尺寸的微晶，它们也不适合作强的量子限域材料；而Ⅲ-Ⅴ族材料是理想的强量子限域材料，它们有较小的电子-空穴有效质量和大的介电常数，因而有较大的激子玻尔半径，如InAs的玻尔半径≈31.6nm，室温下，InSb有最窄的带隙，最小的电子-空穴有效质量，最大介电常数，InSb的激子玻尔半径也最大，为67.8nm，所以InSb被广泛用来研究强量子限域作用。 光谱线及移动 人工纳米低维材料 光吸收简介 光通过物质时，某些波长的光被物质吸收产生的光谱，叫做吸收光谱。 用适当波长的光照射固体材料，可将固体材料中的电子从价带激发到导带，而在价带中留下空穴。这种光激发的电子空穴对可以以不同方式复合发射光子，在光谱上产生对应的发射峰，从实验上得到的光谱细节则反映固体材料的信息。 一般而言，在研究固体材料的光学性质过程中，往往需要引入相对介电常数和折射率的复数形式： 其中ε1和ε 2 分别为相对介电常数的实部和虚部；复数折射率的虚部κ叫消光系数，实部 n 就是通常所说的折射率。 由于折射率与介电常数的关系 ，因此有： 人们通常用 n 和κ这对光学常数来表征固体的光学性质。 实验发现，光在固体中传播时，其强度一般要发生衰减，光的吸收与光强有关。如果强度为I0的入射光，通过固体内位移x后其强度将衰减变为： 其中α为吸收系数，它表示光在固体中传播的指数衰减规律。 消光系数κ也表示物质的吸收，它与吸收系数α的关系为： λ0为真空中光的波长，ω为入射光的频率，c为光速。 吸收系数的倒数叫作光在固体中的穿透深度： 消光系数大的介质，其光的穿透深度浅，表明物质的吸收强，而长波光比短波光的穿透深度大。 若只需考虑电子、空穴同电磁波之间的偶极矩相互作用，在一级微扰论下，电子空穴对的复合几率正比于吸收峰（或发射峰）的强度A(ω)，按量子力学中的黄金规则有： 其中|i〉和〈f|表示系统的始态与末态，式中要求对所有可能的末态求和，对光吸收情况而言，|i〉态为空的量子态，〈f|为单粒子激发态， 为偶极矩算符， 为电磁场矢势， 为动量算符， 为光子能量。偶极矩矩阵元为： 这表明，光吸收强度正比于在末态时发现一个电子和一个空穴存在于同一位置的几率。 金属纳米颗