1. Физическая сущность и основные определения

1.1. Взаимодействие света с веществом.

Взаимодействие света с веществом проявляется в процессах его поглощения, излучения, преломления, поляризации, релеевского и комбинационного рассеяния и др. Перечисленные свойства света количественно характеризуют “степень взаимодействия” его с веществом и зависят как от природы самого вещества (его химических и физических свойств), так и от длины волны световой волны, взаимодействующей с веществом.

Электромагнитное излучение обладает свойствами волнового движения и свойствами потока частиц (корпускулярно-волновой дуализм). Такие явления как отражение, преломление, дифракция, интерференция и поляризация света могут быть объяснены в рамках классической физики, используя уравнения электромагнитного поля Максвелла для распространения световых волн.

Для описания поглощения света используют квантовую теорию, в основе которой лежит представление о том, что лучистая энергия может поглощаться только определенными порциями или, как их называют, квантами. Световые кванты получили название фотоны. Энергия Е переносимая фотоном пропорциональна частоте колебаний и по формуле Планка равна:

Е = hν =hс/ λ, (∂ж), (1.1)

где ν – частота колебаний, гц (сек^-1);

λ – длина волны, м;

h – постоянная Планка (6.625 10 ^{– 34} ∂ж·сек);

с – скорость света (3·10 ⁸ м/сек).

Следовательно, монохроматический пучек света можно характеризовать не только длиной волны или частотой, но также и энергией фотона.

1.2. Поглощение света твердым телом (кристаллом).

При прохождении монохроматического света через кристалл поглощение фотона происходит только в том случае, если его энергия точно равна разности энергий двух состояний возможных для кристалла. В результате поглощения фотона физическая система (кристалл) переходит с нижнего энергетического уровня (Е₀) на один из более высокоэнергетических уровней (Е_i) и условие поглощения имеет вид:

hν_i = Е_i - Е₀ (1.2)

Обычно нижний энергетический уровень (Е₀) принимают за нуль и называют основным уровнем, а состояния с более высокими энергиями (Е_i) – возбужденными уровнями.

Поглощение энергии света сопровождается ослаблением его интенсивности, что приводит к появлению полосы поглощения на частоте ν_i в оптическом спектре кристалла.

Внутренняя энергия кристалла определяется не только электронными, но и колебательными состояниями слагающих его атомов. Поэтому полная энергия (Е) определенного состояния кристалла может быть записана:

Е = Е_{е +}Е_v, (1.3)

где Е_е – электронная энергия; Е_v - колебательная энергия.

Тогда полное изменение энергии ΔЕ при поглощении света можно представить в виде суммы изменений количества электронных ΔЕ_е и колебательных ΔЕ_v квантов:

ΔЕ = ΔЕ_е + ΔЕ_v (1.4)

Колебательные кванты называются фононами и их энергия определятся выражением:

Е_vi = hω_i , (1.5)

где ω_i - частота колебания (фонона), гц.

Колебательные кванты значительно меньше электронных и имеют величину порядка 0,1 эв и менее.

Возможные энергетические состояния кристалла обычно представляют в виде энергетических уровней или зон.

Таким образом, энергетические состояния кристалла подразделяются, главным образом, на электронные и фононные состояния. Соответственно, поглощение кристаллов носит характер электронного, обусловленного переходами валентных электронов, и фононного, связанного с колебательными процессами в кристаллической решетке. Возможно и комбинированное (электрон-фононное) поглощение, при котором электронные переходы совершаются с участием фононов. В этом случае равенство частот принимает вид:

ν_i = ν_о + ω_i (1.6)

где ν_i – частота электрон-фононного перехода;

ν_о – частота чисто электронного (бесфононного) перехода;

ω_i – частота i-того фонона.

Оптическое поглощение света твердым телом может быть собственным или примесным.

Если на кристалл падает свет с энергией кванта равной или большей ширины запрещенной зоны, то он поглощается, вызывая переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. Такое поглощение называется собственным или фундаментальным. Оно отвечает разрешенным по четности (g↔u) электронным переходам (s→p, p→d и т.д.) и является наиболее интенсивным из всех типов оптического поглощения кристаллов. По длинноволновому краю фундаментального поглощения определяют оптическую ширину запрещенной зоны – важную характеристику полупроводников и диэлектриков.

Примесное поглощение обусловлено присутствием в кристаллах структурных и примесных дефектов (например, ионов переходных групп с частично заполненной d – или f – оболочкой). Это приводит к появлению в запрещенной зоне примесных энергетических уровней. Электронные переходы между этими уровнями сопровождаются поглощением света определенных длин волн и появлением полос поглощения в оптических спектрах. Переходы между примесными уровнями запрещены по четности (например, d→d или f→f), а некоторые и по спиновой мультиплетности, поэтому соответствующее им поглощение значительно слабее собственного поглощения кристалла. Примесное поглощение вызывает окраску кристаллов с широкой (более 3 эв) запрещенной зоной, например, алмаза, корунда, кварца, изумруда, флюорита и других природных и синтетический материалов.

В кристаллах наблюдают и другие виды поглощения света, например, экситонное, поляронное, свободными носителями.

Все виды оптического поглощения сопровождаются превращением световой энергии в различные формы внутренней энергии: нагрев, возбуждение и ионизация атомов или молекул, фотохимические процессы и т. д., а также в энергию вторичного излучения других направлений и спектрального состава (люминесценция, тепловое излучение).

Из спектров поглощения кристаллов могут быть получены данные о структуре кристаллической решетки, строении и ориентации примесей и дефектных центров и искажении решетки вблизи них.