文档介绍：第二篇:材料的光吸收和光发射
早在4000年前的古代中国青铜器时代,人们就已经知道通过材料的光泽和颜色来估计铜合金的组分,对材料的光学性质有了初步的认识。而在公元前四世纪周朝墨子的著作中就有“光至,景亡;若在,尽古息”。也就是说,当光线透过物体时,物体的影子就会消亡;若物体的影子存在,则光线就被物体终止。实际上这里描述了物体对光的透射、吸收和反射。十九世纪末,二十世纪初,通过光与物质的相互作用的研究使得物理学和材料科学发生了重大转折:1)X光的发现是材料科学研究中革命性的变革;2)天然放射性的发现开辟了原子核物理和原子能的时代;3)黑体辐射的发现奠定了量子理论的基础;4)激光器的发明从根本上改变了人们对光性质的认识;5)到了上世纪八十年代后,纳米材料所显示出来的特殊的光学性质,表明物体维度的变化会引起材料光谱性质发生显著变化。这种量子尺寸效应形成了材料光学特性又一新的重大科学问题。
光通过材料后,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。而对材料施加外界作用,如加电磁场等激发,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。
由此可见,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。本篇首先引出描述固体光学性质的若干参数及相互间的关系;然后将陆续介绍几种主要的光吸收过程等。
§1材料光学常数间的基本关系
在各种波长的光波中,能为人眼所感受的叫可见光的波长范围是:l = 400—760 nm的窄小范围。对应的频率范围是: n = ~ ´1014 Hz。在可见光范围内,不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。图1是可见光不同的波长所对应的不同颜色。
图1不同波长的可见光所对应的不同颜色。
为讨论问题的方便,我们给出了各种电磁波谱的波长与频率的对应关系如图2所示:
图2 电磁波谱—波长与频率的对应关系。
§ 吸收系数
我们知道,当光透射(射向)固体时,可能被反射、吸收或透过。常用吸收率A、反射率R和透过率T来表示它们之间的关系,即:
而光在材料中传播时,其强度或多或少地被削弱,这一衰减现象为光的吸收。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。图3表示光在材料中入射、反射、及透射示意图。
图3 光在材料中入射、反射、透射示意图。
设入射光强为I0,则反射光强为RI0,因此,透入表面而进入体内的光强为(1-R)I0。经过距离为d而达到材料另一端时,光强减弱为,所以最后透射出的光强为:
其中a为吸收系数,量纲为cm-1。设R=0时,则a表示光在材料中传播距离d = 1/a时,光强衰减到原来的1/e。对于a = 104cm-1的吸收体(如半导体GaAs),光经过该材料d = 1mm后,光强减小到原来的1/3。而对于金属铜而言,a = 107cm-1,d = 10-3mm。可见,a越大,材料对光吸收的本领越大。
下面我们来讨论吸收系数基本情况。从宏观上讲,光在媒质中的传播时,就会产生折射现象。当角频率为w的平面电磁波射入一固体并沿某一方向(设为x轴)传播时,电场强度E:
(1)
其中,c为光速,nc为媒质的复数折射率:
. (2)
从宏观上来说,材料的光学性质可由折射率n和消光系数k来描述。将方程(2)代入(1)得:
. (3)
上式最后为衰减因子。该方程表明光波以c/n的速度沿x方向传播,其振幅按的形式下降。故 n 是通常的折射率(一般半导体的n = 3-4),而 k 表示光能衰减的参量,即消光系数。由于光的强度正比于光场振幅的平方,即:
(4)
根据方程(3)可以得到光的强度在材料中传播时是按下式衰减的:
. (5)
其中
. (6)
为吸收系数,而(注:自由空间中),l0为真空中光的波长。吸收系数表示光在材料中传播的指数衰减率。吸收系数a和消光系数k都表示物质的吸收。
从吸收系数a和消光系数k,可以定义光在材料中的穿透深度(也叫趋肤深度)
这里d1和d2分别叫做光强穿透深度和振幅穿透深度,二者相差2倍。
§ 折射率和消光系数与电导率之间的关系
设频率为w的一束单色平面光波入射到材料上,并且假设所考察的材料为无限大、均匀、各向同性且不带电,材料的性质用介电常数e,磁导率m和电导率s来表征,入射光的波段设定为50nm~500mm (25 eV~ eV),其下限设定为50 nm,使波长足够短,但仍大于原子半径。在这种假设的前提条件下,材料可以被认为是连续介质。介质中的微观