固体中的光吸收和光发射new

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1、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

2、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。1．固体光学常数间的基本关系（1）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。nni.（1）c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：xE＝Eexp[i(t)].（2）0v其中，v为波在固体中的波速，而v与复数折射率有

3、如下关系：vc/n，c为光速.（3）c结合（1）、（2）和（3）式可得到，nxEEexp(it)exp(i)exp().（4）0cc上式最后为衰减因子。2*光强：IEEE，于是，I(x)I(0)exp(x).（5）其中24.（6）c02c为吸收系数。而I(0)E（注：自由空间中2f2。）00（2）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：HE0tEHE0

4、tH0E0.2求解波动方程，其中用到矢量运算法则，F(F)F。(H)因为E0，从E，于是沿x方向有0t22dEdEdE（7）20002dxdtdtx取EEexp[i(t)]，于是得0v22i（8a）2000v10i（8b）200v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，1。因此，11i().（9）222vcc01其中用到c

5、。0021nc(ni)2122又因为vc/n，(n2in)，与（9）式比较得c2222vccc22n（10a）2n（10b）0解上式可得，2121/2n{[1()]1}（11a）202121/2{[1()]1}（11b）20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。222对于金属材料，很大，即()，()1。取极限00n，为电磁波频率。240041前面已经

6、提到，I(x)I(0)exp(x)，，当透入距离x=d1==001时，光的强度衰减到原来的1/e，通常称为穿透深度。4对金属材料：1004000c（12a）44c4222对于不良导体，较小，当()时，则有（引入Taylor展开，()1），002112n[2()...]；（13a）22021121412[()()...]().（13b）2282000因此这种材料具有较小的消光系数，其穿透深度1

7、020c0d.（14）14－1－1举例说明，对半导体材料Ge而言，电导率＝0.11cm，＝16，满足条件2()1，因此折射率n，与电介质材料类似。0（3）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。2定义复介电常数n，为电磁波角频率的函数，()i()，()cccc121和()分别为的实部和虚部。而二者满足以下关系式，2c'2'()2()1d'（15a）1

8、0'22'21()()[1d']（15b）20'22其中P代表Cathy积分主值，lim()。000如果实验上测得吸收系数(E)()，E