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1、第九章固体中的光吸收当光通过固体材料时,由于光与固体中电子、原子(离子)间的相互作用,可以发生光的吸收研究固体中的光吸收,可直接获得有关电子能带结构、杂质缺陷态、原子的振动等多方面的信息§9-1固体光学常数间的基本关系当光照射到固体表面时,部分光被反射,若入射光强为J0,反射光强为J反时,则有当光进入固体以后,由于可能被反射,光强随进入固体材料的深度x而衰减其随ω的依赖关系α(ω)称为吸收谱反射系数反射系数对频率的依赖关系R(ω)称为反射谱α为吸收系数从理论上可以计算吸收系数(在一定的模型近似下)因此通常是进行表面反射系数的测量,最简单的是测量垂直入射的反射系数,这就需要找到反射系数R与吸
2、收过程之间的联系,以便进行实验与理论之间的比较这种方法看起来不直接,但实际上却起了很大作用原则上可以从光波通过薄膜样品的衰减情况测量出吸收系数。但是在很多情况下,由于吸收系数很大,而使衰减长度很小(例如0.1μ),样品制备相当困难一、光吸收的描述——复数介电常数电磁波在介质中传播,当需要考虑吸收的影响时,介电常数要用复数来描述。引入其中ε1(ω)为实部,ε2(ω)为虚部。电场为表示电磁波沿x方向传播,E与传播方向垂直在介质中D=ε0E+P,D为电位移矢量,P为极化强度。且有D=ε(ω)ε0E,所以P随时间的变化,反映电荷位移随时间的变化,有j为电流密度,代入前式中上式表明在介质吸收中,电流
3、j分为两部分,一部分与E位相差90°,称为极化电流,一部分与电场同位相,称为传导电流对于极化电流,电流与电场位相差90°,在一个周期中平均的结果,电场作功为零,因而不消耗电磁场的能量而传导电流部分则不然,它具有欧姆定律的形式j=σE,其中σ=ωε2(ω)ε0,单位时间消耗能量＝σE2所以,ε2(ω)与吸收功率之间存在着内在联系。如果从微观理论模型出发,计算出光吸收功率就可以得到ε2(ω)的理论值电磁场所消耗的能量正是介质所吸收的能量,即单位时间吸收能量＝ωε2(ω)ε0二、光学系数在吸收介质中,折射率n应被复数n+ik所替代由于光强正比于E2,所以光强按e－(2ωkx/c)衰减电磁波在介质
4、中传播,光速是c/n,其中n=为折射率,即ω=cq/n利用复折射率与复介电常数之间的关系可得可以用ε1,ε2描述固体的光学性质,也可以用n,k描述固体的光学性质,二者是等价的实际上还要利用Kramers-Krönig关系,由ε2(ω)计算出ε1(ω)其中p为主值积分同理,在光学常数n(ω)和k(ω)之间,也存在有类似的Kramers-Krönig关系可看出吸收系数为由三、反射系数在电磁波垂直入射时,反射波与入射波的振幅比为其中E入和E反分别为入射与反射电磁波的电场分量的振幅,θ为反射过程的位相变化。由电磁学理论可知可得反射系数可见,只需测得R和θ,就能定出光学系数,但实际上测量θ是很困难的
5、,通常也是利用R和θ间的类似Kramers-Krönig关系,由测量的R(ω)值来推算θ(ω):因此,从实验测出R(ω),利用上式就能算出θ(ω),就可推算出n(ω)和k(ω),随即可得ε1(ω)和ε2(ω)从而可以和理论进行对比当然,也可以首先从理论上计算出ε2(ω),利用Kramers-Krönig关系得出ε1(ω),然后推算出n(ω)和k(ω),随即可得R(ω),与实验测得的值比较在没有吸收时(k=0),也会发生反射,有例如锗,n≈4,在弱吸收区的反射率也有R=0.36＝36％可以看到当吸收系数很大,若k>>n,这时R≈1,即入射光几乎完全被反射。因此,如果一种固体强烈地吸收某一光谱
6、范围的光,它就能有效地反射在同一光谱范围内的光如果一种固体强烈地吸收某一光谱范围的光,它就能有效地_________在同一光谱范围内的光。反射§9-2固体中的光吸收过程对固体中各种可能的光吸收过程做一简要的说明在图中画出了一个假想的半导体吸收光谱本征吸收区对应于价带电子吸收光子跃迁至导带,产生电子－空穴对本征吸收区由于各类材料能带结构的差别,它可以处于紫外、可见光以至近红外光区。它的特点是吸收系数很高,可达105－106cm－1本征吸收边在它的低能量一端,吸收系数下降很快,这就是本征吸收边,它的能量位置与带隙宽度相对应在吸收边附近,有时可以观察到光谱的精细结构,它是与激子吸收相联系,特别是
7、在离子晶体中尤为显著自由载流子吸收当波长增加到超出本征吸收边以后,吸收系数又开始缓慢地上升,这时由于导带中的电子和价带中的空穴带内跃迁所引起的,称为自由载流子吸收自由载流子吸收可以扩展到整个红外波段和微波波段,吸收系数大小与载流子浓度有关对于金属,由于载流子浓度很高,载流子吸收甚至可以掩盖所有其它吸收光谱的特征晶格吸收在红外区,存在有与晶格振动相联系的新的吸收峰,特别是在离子晶体中,吸收系数可达105cm－1杂质吸收半导
