Оптичні властивості твердих тіл

При внутрішньоцентровому гасінні величина EBtB має сенс енергетичної відстані від мінімуму енергії збудженого стану центру світіння до енергії, при якій електрон із збудженого стану може перейти в основне без випромінювання фотона (точка F на мал. 1.3.4, а).

При зовнішньому  гасінні Eв_tB зазвичай є енергетичною відстанню від рівня центру світіння до зони, взаємодія з якою призводить до гасіння.

У люмінофорі, що містить рекомбінаційні центри світіння двох типів (I і II на мал. 1.3.1), з енергетичними  рівнями, розташованими на різній відстані від стелі валентної зони (що характеризуються тому двома різними смугами в спектрі випромінювання - переходи 3 і ), можлива так звана рекомбінаційна взаємодія центрів світіння. Воно проявляється в тому, що з підвищенням температури збільшується доля більше довгохвильової компоненти в спектрі світіння.

Річ у тому, що ріст T супроводжується збільшенням вірогідності теплової занедбаності електронів з валентної зони на "дрібніші" рівні центрів II, вони виявляються зайнятими, і вірогідність короткохвильових переходів знижується в порівнянні з вірогідністю більше довгохвильових переходів 3 на рівні I. Подібне явище спостерігається, наприклад, у ZnS - Cu - люмінофорів, що мають блакитну і зелену смуги люмінесценції, : у міру підвищення температури доля зеленої смуги в спектрі зростає.

Ще однією можливістю перетворення енергії збудження не в енергію випромінювання, а в теплову енергію, являються так звані Оже-процессы, коли енергія, виділена під час переходу електрона на нижчий рівень (наприклад, при переходах 8, 9 на мал. 1.3.1), передається іншому електрону в зоні провідності. Далі цей електрон опускається на дно зони провідності (за певних умов може спостерігатися і слабке світіння, що відповідає внутрішньозонним переходам 7).

Вірогідність  Оже-процессов росте із збільшенням концентрації вільних носіїв заряду.

В цілому характер спектру випромінювання кристалів залежить від дуже багатьох чинників як внутрішніх (наприклад, тип і концентрація дефектів), так і зовнішніх (температура, рівень збудження зразка, наявність деформацій, електричних і магнітних полів і так далі).

Саме тому спектральний аналіз люмінесценції є потужним методом дослідження напівпровідників і діелектриків. В якості прикладу різноманітності можливих ситуацій розглянемо хоч би коротко основні механізми випромінювання екситона, які можуть розвиватися залежно від домішкового складу кристала, а також температури і рівня збудження.

 

Виникнення  при низьких температурах люмінесценції  екситона, викликаною багатофононною анігіляцією вільних (мал. 1.3.2, переходи 2) і пов'язаних (переходи 2′) екситонів (зазвичай T ≤100 До, при якій не дуже розвинений тепловий розпад екситонів). При високому рівні збудження кристалів, коли різко зростає концентрація вільних екситонів, з'являється випромінювання, що відповідає непружному розсіянню вільних екситонів.

В результаті зіткнення двох екситонів один з них перетворюється на фотон з енергією, меншій енергії вільного екситона, а інший переходить в збуджений стан. При великій концентрації вільних електронів реєструється і випромінювання, обумовлене экситон-электронным взаємодією, в результаті якої вільний або пов'язаний екситон передає частину енергії електрону зони провідності, а сам перетворюється на фотон, що випускається.

При високій  концентрації, наприклад, донорної домішки  відмічені двохелектронні переходи за участю пов'язаних екситонів (випромінювальний розпад пов'язаного екситона супроводжується одночасним збудженням і іонізацією відповідного донора). При високій щільності газу екситона відбувається утворення молекул (биэкситонов) екситонів і відповідно спостерігається їх випромінювання. Нарешті, при дуже великому рівні збудження і гелієвих температурах T≤4,2 До відбувається конденсація екситонів (бозе-частицы, див. п. 2.2), що супроводжується випромінюванням электрон-дырочной рідини.

Внаслідок кінцевої тривалості перебування системи у збудженому стані, люмінесценція не зникає миттєво після припинення збудження, а затухає з певною швидкістю. У разі внутрішньоцентрової люмінесценції випромінювальний перехід в кожному центрі відбувається незалежно від стану інших центрів і визначається тільки його вірогідністю.

 

Якщо N - число  збуджених центрів світіння у  момент часу t, а t - середній час "життя" збудженого стану, то число центрів dN, що переходять в основний стан за час dt

(1.3.6)

Преобразуя  выражение (1.3.6.) и интегрируя, получим

(1.3.7)

Якщо на початку  процесу (при t = 0) N = Nв_0B, то

N =

              (1.3.8)

Яскравість  випромінювання L визначається числом випромінювальних переходів в одиницю  часу (g - коефіцієнт пропорційності) :

L

            (1.3.9)

Таким чином, приходимо до експоненціального закону загасання внутрішньоцентрової люмінесценції.

У разі рекомбінаційної  люмінесценції яскравість випромінювання пропорційна швидкості рекомбінації електронів з центрами світіння, а  ця швидкість визначається числом ефективних зустрічей між ними. Розрахунки дають в цьому випадку гіперболічний закон загасання рекомбінаційної люмінесценції :

L =

       (1.3.10)

де b - коефіцієнт рекомбінації (поклавши в рівнянні (7.16) G = 0, а R = bΔnun, де N - концентрація іонізованих  центрів; при N = Δn отримаємо: R = b(Δn) P2P).

 

Розглянуті  два основні типи люмінесценції  відрізняються один від одного залежністю загасання від інтенсивності  збудження. Як випливає з виразів (1.3.9) і (1.3.10), при внутрішньоцентровій  люмінесценції відносна зміна яскравості світіння при загасанні не залежить від інтенсивності збудження, тоді як при рекомбінаційній люмінесценції ця зміна тим швидше, чим більше LB0B. У зв'язку з цим низького рівня збудження люмінесценції у випадках, коли рекомбінаційне післясвічення створює перешкоди, намагаються уникнути.

З рівняння (1.3.10) видно, що при великих часах загасання  яскравість рекомбінаційного післясвічення  не залежить від початкової інтенсивності  збудження люмінофора, і криві  загасання (незалежно від початкової інтенсивності збудження) асимптотично спрямовуються один до одного.

Енергетичне положення  і конфігурація точкових дефектів можуть виявитися такими, що вільні носії, захоплені пастками, зберігаються на них тривалий час (наприклад, перехід 11, мал. 1.3.1 із зони провідності на рівень III). Звільнені через деякий час (перехід з рівня III в зону провідності, зворотний переходу 11) ці носії можуть брати участь у випромінювальній рекомбінації з центрами світіння і, зокрема, створюють післясвічення люмінофора.

Стимулювати процес звільнення захоплених носіїв з пасток може підвищення температури кристала. Світіння зразка, що починається при певній температурі, викликане рекомбінацією звільнених носіїв, називається термовисвічуванням. Для його появи завжди потрібне попереднє збудження зразка (світлом, електронним пучком і так далі) при нижчих температурах, сприяючих захопленню і збереженню надмірних носіїв заряду на пастках.

 

Запасання певної светосуммы, залежної від рівня попереднього збудження кристала, лежить в основі роботи термолюмінесцентних дозиметрів іонізуючого випромінювання.

Розгляд системи  з пастками показує, що якщо пастки розташовані по сусідству з центрами світіння і якщо збуджені електрони  пробігають дуже малі відстані (менше  або близько 10P-6P см), переміщаючись  лише від пастки до центру світіння або навпаки, то таку систему можна розглядати як незалежну. В цьому випадку вірогідність рекомбінації постійна в часі, і загасання люмінесценції наслідуватиме експоненціальний закон (у цій ситуації час t в рівнянні (1.3.9) відповідає перебуванню електрона в пастці).

Якщо пастки розподілені в просторі незалежно  від центрів світіння і пробіг електрона досить великий (більше або  близько 10P^-5P см), щоб дозволити йому рекомбінувати з великим числом центрів, то вірогідність рекомбінації буде пропорційна числу ионизованных центрів

Підбором люмінофора і відповідних центрів світіння можна широко варіювати довжину  хвилі люмінесценції (мал. 1.3.6). При  цьому навіть в одному люмінофорі, міняючи тип домішок і відповідно енергетичне положення центру світіння в забороненій зоні, вдається істотним чином регулювати спектральний склад випромінювання. Наприклад, ZnS - Ag має блакитну, ZnS - Cu - зеленою, і нарешті, ZnS - Mn - помаранчевою люмінесценцією.

Можливо і одночасна  присутність в люмінофорі різних центрів світіння, включення яких в роботу регламентується способом збудження зразка.

Процеси, пов'язані  з утворенням центрів світіння, і  механізми люмінесценції дуже різноманітні. У багатьох випадках точкові дефекти  можуть бути багатозарядними (наприклад, міжвузольний цинк в ZnO може знаходитися в нейтральному одноразово іонізованому і двократно іонізованому стані ), при цьому зарядовий стан дефекту залежить від електричних властивостей матеріалу і типу збудження люмінофора (зрештою ‑ від положення рівня Ферми). При високих концентраціях точкові дефекти здатні утворювати ассоциаты.

Деякі точкові  дефекти є тушителями люмінесценції. Гасіння пов'язане з перепоглощением  люмінесценції на рівнях центрів  гасіння і перезахватом ними нерівноважних  носіїв заряду, що утворюються.

Зустрічаються випадки і так званого концентраційного гасіння люмінесценції, яке виникає  при збільшенні концентрації центрів  світіння. Справа пов'язана з тим, що при великій концентрації центрів  світіння вони розташовуються так близько один від одного, що взаємодія, що виникає між ними, приводить до зменшення вірогідності випромінювального переходу.

Причиною цього  може бути, зокрема, резонансна передача енергії від одного центру світіння до іншого, що відбувається до тих пір, поки ця енергія не буде перехоплена центром гасіння.

В окремих випадках в речовину окрім центрів світіння вводять ще додаткові центри, які  розширюють спектральну область  поглинання люмінофора і називаються  сенсибілізаторами. Енергія, отримана сенсибілізатором, передається центрам світіння, викликаючи так звану сенсибілізовану люмінесценцію. Умовою резонансної передачі енергії є перекриття спектрів випромінювання сенсибілізатора і поглинання центру світіння (активатора).

Наявність у  кристалів анізотропних властивостей (наприклад, гексагональні кристали) і можливість формування анізотропних центрів світіння (наприклад, ассоциаты дефектів) призводить до появи поляризації люмінесценції. Це явище характерне для випромінювання екситонів в гексагональних з'єднаннях Aв_2BBв_6B, люмінесценції близьких донорно-акцепторних пар і так далі і служить, у багатьох випадках, основою для вивчення механізму випромінювальної рекомбінації носіїв заряду в кристалах.

 

Ефективність  перетворення різних видів енергії  у випромінювання при люмінесценції характеризують також енергетичним виходом (ККД), який визначається як відношення енергії, що випромінює, до поглиненої за той же час, :

h =

 

В случае фотолюминесценции

h = hв_кB

При фотолюмінесценції, що збуджується фотонами з енергією hn < 2DE, квантовий вихід може бути близький одиниці, тоді як при рентгенолюмінесценції він зазвичай досягає значень сотень і тисяч (відбувається фотонне множення, при якому поглинання одного рентгенівського кванта супроводжується народженням декількох квантів менших енергій). Квантовий вихід люмінесценції кращих лампових люмінофорів для ламп денного світла рівний 90%, тому і ККД таких джерел світла істотно вище, ніж у звичайних ламп розжарювання, ККД яких не більше 3-4%.

4 ЛАЗЕРИ

 

Лазер - пристрій, що перетворює енергію накачування (світлову, електричну, теплову, хімічну та ін.) в енергію когерентного, монохроматичного, поляризованого і вузьконаправленого потоку випромінювання.

Фізичною основою  роботи лазера служить квантовомеханічне  явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Випромінювання лазера може бути безперервним, з постійною потужністю, або імпульсним, досягаючим гранично великих пікових потужностей. У деяких схемах робочий елемент лазера використовується в якості оптичного підсилювача для випромінювання від іншого джерела. Існує велика кількість видів лазерів, що використовують як робоче середовище усі агрегатні стани речовини.

Деякі типи лазерів, наприклад лазери на розчинах барвників  або поліхроматичні твердотілі лазери, можуть генерувати цілий набір частот (мод оптичного резонатора) в широкому спектральному діапазоні. Габарити лазерів різняться від мікроскопічних для ряду напівпровідникових лазерів до розмірів футбольного поля для деяких лазерів на неодимовому склі.

Унікальні властивості  випромінювання лазерів дозволили використовувати їх в різних галузях науки і техніки, а також в побуті, починаючи з читання і запису компакт-дисків і закінчуючи дослідженнями в області керованого термоядерного синтезу.

Фізичною основою  роботи лазера служить явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Суть явища полягає в тому, що збуджений атом здатний випромінювати фотон під дією іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнює різниці енергій рівнів атома до і після випромінювання. При цьому фотон, що випромінює, когерентний фотону, що викликав випромінювання (є його "точною копією"). Таким чином відбувається посилення світла.

Цим явище відрізняється  від спонтанного випромінювання, в якому випромінювані фотони мають випадкові напрями поширення, поляризацію і фазу.

Вірогідність  того, що випадковий фотон викличе  індуковане випромінювання збудженого атома, в точності дорівнює вірогідності поглинання цього фотона атомом, що знаходиться в незбудженим стані. Тому для посилення світла необхідно, щоб збуджених атомів в середовищі було більше, ніж незбуджених (так звана інверсія населенностей). В стані термодинамічної рівноваги ця умова не виконується, тому використовуються різні системи накачування активного середовища лазера (оптичні, електричні, хімічні та ін.).