8. Свойства материалов: оптические свойства. Люминесценция, поляризация света.

К оптическим свойствам относятся свой­ства, связанные с взаимодействием оптичес­кого излучения со средой. Оптическое излу­чение представляет собой электромагнитные волны ультрафиолетового, видимого и инф­ракрасного диапазонов. На этом взаимодей­ствии основаны генерация и обнаружение оп­тического, излучения, а также его разнооб­разное применение в очень важных научных и практических областях, в частности в со­временной электронике.

Различным диапазонам длин волн X и ча­стот колебаний v в спектре соответствуют раз­ные энергии фотонов hv, которые определя­ются как hv = е₁ - е₂, где г₁ и — энергии уровней в системе, между которыми проис­ходит переход.

В табл. 2.4 приведены диапазоны значе­ний характеристик энергии фотонов (hv = kT) для указанных трех видов оптического излу­чения. тот эффект описывается законом Бугера— Ламберта:

1 = 1₀ехр (-к_х1), (2.27)

где J и J„ — интенсивность прошедшего через среду и падающего лучей; I — толщина по­глощающей среды, см; к_х — коэффициент поглощения, см"¹, который зависит от X и при­роды среды.

Зависимость к_х от X в общем случае опре­деляет спектр излучения среды и связана с ее природой и знаком изменения энергии. Раз­личают спектры испускания и поглощения. Спектры испускания возникают при кван­товых переходах частиц с высокоэнергетичес­ких уровней на уровни с более низкой энер­гией, спектры поглощения — наоборот.

При прохождении излучения через сре­ду, состоящую из изолированных атомов, энергия излучения расходуется на возбужде­ние атомов — переброс электронов с оболо­чек или орбиталей, близких к ядру, на более удаленные. Разница этих энергий строго дис­кретна и различна для разных веществ. По­этому спектры поглощения являются линей­ными. Зависимость к_х от X имеет вид узких линий, т. е. приходится на узкий интервал длин волн (сотые—тысячные доли нанометра).

Спектр поглощения молекулами опреде­ляется переходами электронов, а также час­тотой и характером колебаний молекул и при­ходится на более широкий интервал длин волн (десятые доли нанометра) и является поэтому полосчатым.

Люминесценция. После перевода атомов, молекул в возбужденное состояние под влия­нием тех или иных воздействий происходит обратный процесс перехода в невозбужденное состояние. Одним из вариантов такого обрат­ного перехода является процесс люминесцен­ции, под которым понимают возникновение дискретного по длине волны оптического из­лучения, избыточного над тепловым и продол­жающегося в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний.

Люминесценция не может реализоваться в среде, предварительно подвергнутой очень сильному внешнему воздействию (например, нагреву на высокие температуры) или не об­ладающей дискретным энергетическим спек­тром. Поэтому металлы, для валентных элек­тронов которых характерен квазинепрерывный энергетический спектр, не люминесцируют. Твердые и жидкие тела, способные люми-несцировать под действием разного рода воз­буждений, называют люминофорами.

По механизму возбуждения различают фото-, радиационную и электролюминесцен­цию, что соответствует возбуждению среды светом, проникающей радиацией всех видов и электрическими полями соответственно.

Элементарный акт люминесценции состо­ит из поглощения энергии с переходом атома (молекулы) с основного уровня энергии 1на уровень 3 и последующих перехо­дов: безызлучательного 3 -> 2 (энергия при этом передается колебаниям решетки, т. е. переходит в теплоту) и излучательного 2 —> 1 (энергия выделяется в виде фотона hv). Спонтанная люминесценция связана с пе­реходом 2 -> 1 для случая, когда уровень 2 принадлежит частице, поглотившей энергию возбуждения (такую частицу называют цен­тром люминесценции).

Если в результате люминесценции про­изошла рекомбинация, например, электрона и дырки или электрона и иона, то люминес­ценцию называют рекомбинационной.

Важными характеристиками люминесцен­ции являются: 1) квантовый выход — отноше­ние числа испущенных квантов к числу по­глощенных; 2) кинетика люминесценции, т. е. зависимость свечения от времени; 3) отноше­ние интенсивности возбуждающего излучения к интенсивности возбужденного излучения.

Кинетика затухания резонансной люми­несценции при малой интенсивности возбуж­дения носит экспоненциальный характер:

i = J₀exp(~j, (2.28)

где т — время жизни на уровне возбужде­ния; t — длительность свечения.

При большой интенсивности возбуждения наблюдается отклонение от экспоненциаль­ного закона затухания, вызванное процес­сами вынужденного излучения (сверхлюми­несценции). Последнее имеет место тогда, когда с помощью специальных способов чис­ло возбужденных частиц на верхнем уровне оказывается больше, чем на нижнем — так называемая инверсия населенностей. Тогда каждый фотон из падающего излучения име­ет большую вероятность индуцировать испус­кание точно такого же фотона, чем быть по­глощенным самому.

Этот случай люминесценции лежит в ос­нове действия лазеров (оптических квантовых генераторов). Одной из наиболее распростра­ненных сред для твердотельных лазеров яв­ляется рубин (корунд А1₂0₃), содержащий в качестве активной примеси, растворенной по принципу замещения, 0,05 % ионов хрома Сг³⁺. Такой лазер относится к полупроводни­ковым. В этом типе лазеров используют пере­ходы между разрешенными энергетическими уровнями, создаваемыми ионами примеси внутри запрещенной зоны основной среды (см. гл. 6).

Поляризация света. В каждом единичном акте излучения отдельно взятым элементар­ным излучателем испускаемый свет поляри­зован, т. е. обладает поперечной анизотропи­ей, связанной с наличием выделенных направ­лений — взаимно перпендикулярных векто­ров напряженности электрического Е и маг­нитного Н полей. Эти векторы лежат в плос­кости, перпендикулярной к направлению рас­пространения света. Поскольку Е и Н взаим­но перпендикулярны, то для описания поля­ризации достаточно знать поведение одного из них. Обычно выбирают вектор Е.

У макроскопических источников света, состоящих из огромного числа излучателей, векторы Е отдельных частиц распределены в каждый момент времени хаотично. Такое из­лучение является неполяризованным.

Если же под влиянием каких-либо воз­действий две взаимно перпендикулярные компоненты Е (Е_х и Е„) совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз, то свет будет полностью поляризованным.

С квантовых позиций поляризация света связана с одинаковым спиновым состоянием всех фотонов, образующих световой поток. Видов полной и частичной поляризации очень много. Они возникают при разных физичес­ких воздействиях: при прохождении через анизотропную среду, двойном лучепреломле­нии, дифракции на ультразвуке, воздействии сильных магнитных и электрических полей. Поляризованным является большинство ви­дов лазерного излучения.

Использование различных видов воздей­ствия на поляризацию света лежит в основе диагностики оптически анизотропных кристал­лов и сред, окрашивания поляризованного пучка белого света, изучения кристаллохи-мической и магнитной структуры твердых тел, а также исследования напряжений в прозрач­ных средах.

Для регистрации излучения строго опре­деленной длины волны из широкого спектра излучения от ИК до УФ нужны полупровод-никовые материалы и легирующие примеси, точно отвечающие ряду требований. Одно из основных требований — ширина запрещенной зоны должна находиться в определенном ши­роком диапазоне значений. Это требование может быть удовлетворено только за счет образования твердых растворов полупровод­ников с разной шириной запрещенной зоны, хорошо растворимых друг в друге. Так, за счет твердых растворов Si—Ge, неограниченно растворимых друг в друге, можно в принци­пе получить материал с любой E_g в пределах от 0,68 (Ge) до 1,1 эВ (Si). Особый интерес пред­ставляют твердые растворы полупроводнико­вых соединений. Например, система двух со­единений GaSb—InAs позволяет создать ряд твердых растворов Ga^Jn^Sb^As,, с E_g = 0,6096-5-0,5662 эВ. Эти возможности необы­чайно расширяются, если использовать ра­створы из четырех и более соединений. Важ­но, что таким путем можно получить мате­риалы не только с заданной E_g, но и с други­ми необходимыми параметрами: периодом ре­шетки, КТР и т. д.

В последнее время внимание материало­ведов привлекли соединения класса AⁱⁿB^v на основе широкозонных нитридов (GaN, A1N, ...), твердых растворов и гетерокомпозиций. Нит-ридные соединения A^mB^v кристаллизуются в решетку типа вюрцита, в отличие от алмазо-подобных решеток у большинства AⁱⁿB^v (GaAs, InAs, GaP, ...). На основе гетерокомпозиций указанных нитридов в последние годы бурно расширяется производство и применение све-тодиодов голубого и зеленого свечения, с вы­сокой яркостью, мощностью и длительным сроком службы.