Misiewicz, Sęk, Podhorecki - Optyczna spektroskopia nanostruktur.pdf - Fizyka - Spektroskopia - Anime-PL

Optyczna spektroskopia nanostruktur

prof. dr hab. inż. Jan Misiewicz

dr hab. inż. Grzegorz Sęk

dr inż. Artur Podhorodecki

E-skrypt opracowany w ramach projektu pt. „Wzrost liczby absolwentów w Poli-

technice Wrocławskiej na kierunkach o kluczowym znaczeniu dla gospodarki

opartej na wiedzy” nr UDA-POKL.04.01.02-00-065/09-01

Recenzent: dr hab. inŜ. Leszek Bryja

Redaktor serii: dr hab. inŜ. Włodzimierz Salejda, prof. PWr

OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ

WybrzeŜe Wyspiańskiego 27, 50 – 370 Wrocław

ISBN 978-83-7493-608-8

Spis treści

I. PODSTAWY SPEKTROSKOPII OPTYCZNEJ - JAN MISIEWICZ..............................4

I.1 W STĘP ....................................................................................................................................4

I.2 P ODSTAWY ELEKTRODYNAMIKI MAKROSKOPOWEJ ............................................................6

I.3 P RZEJŚCIA MIĘDZYPASMOWE ...............................................................................................9

I.4 Ł ĄCZNA GĘSTOŚĆ STANÓW I OSOBLIWOŚCI VAN H OVE ’ A .................................................13

I.5 K RAWĘDŹ ABSORPCJI PODSTAWOWEJ ...............................................................................14

I.6 P RZEJŚCIA SKOŚNE ..............................................................................................................15

I.7 R EGUŁY WYBORU ................................................................................................................18

I.8 E KSCYTONY W ANNIERA – M OTTA .....................................................................................21

I.9 P ROCESY ABSORPCJI ZWIĄZANE Z DEFEKTAMI KRYSZTAŁU .............................................27

I.10 R EKOMBINACJA .................................................................................................................35

I.11 O DDZIAŁYWANIE FALI ELEKTROMAGNETYCZNEJ Z DRGANIAMI SIECI KRYSTALICZNEJ (P ROCESY

JEDNOFOTONOWE ) ....................................................................................................................36

I.12 N IEELASTYCZNE ROZPRASZANIE ŚWIATŁA ......................................................................40

II. KROPKI KWANTOWE - GRZEGORZ SĘK .................................................................46

II.1 W STĘP ................................................................................................................................46

II.2 S TRUKTURA ENERGETYCZNA – OD STUDNI DO KROPKI KWANTOWEJ .............................48

II.3 P ODSTAWOWE RODZAJE PÓŁPRZEWODNIKOWYCH KROPEK KWANTOWYCH .................54

II. 4 P RZEJŚCIA OPTYCZNE W KROPKACH I BADANIA CAŁEGO ZBIORU KROPEK ...................60

II.5 J AK MOśNA BADAĆ WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE POJEDYNCZYCH KROPEK KWANTOWYCH 65

II.6 S PEKTROSKOPIA POJEDYNCZYCH KROPEK KWANTOWYCH – PRZYKŁADY .....................72

II.7 R ÓWNANIA KINETYCZNE DLA KROPKI KWANTOWEJ - DYNAMIKA NOŚNIKÓW ...............73

II.8 S TRUKTURA SUBTELNA EKSCYTONU .................................................................................78

II.9 K ROPKA WE WNĘCE REZONANSOWEJ – ELEMENTY ELEKTRODYNAMIKI KWANTOWEJ W CIELE

STAŁYM ......................................................................................................................................80

III. NANOKRYSZTAŁY - ARTUR PODHORODECKI.....................................................84

III.1 W STĘP ...............................................................................................................................84

III.2 P ODSTAWY TEORETYCZNEGO OPISU ...............................................................................87

U WZGLĘDNIANIE ODDZIAŁYWAŃ WIELOCIAŁOWYCH ..................................................................94

Z ADANIA ...................................................................................................................................104

III.3 P ODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE NANOKRYSZTAŁÓW ....................................106

E FEKTY NIELINIOWE W NANOKRYSZTAŁACH PÓŁPRZEWODNIKOWYCH .....................................107

W PŁYW KSZTAŁTU NANOKRYSZTAŁÓW NA ICH WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE ................................107

W PŁYW REDUKCJI ROZMIARU NA DRGANIA SIECI ......................................................................111

W PŁYW POWIERZCHNI NANOKRYSTALITU NA JEGO WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE ..........................111

R EKOMBINACJA W NANOKRYSZTAŁACH ...................................................................................117

W ZMOCNIENIE OPTYCZNE W POJEDYNCZYM NANOKRYSZTALE ................................................125

W PŁYW MATRYCY NA OPTYCZNE WŁAŚCIWOŚCI NANOKRYSTALITÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH 128

M IGOTANIE FOTOLUMINESCENCJI .............................................................................................129

D YFUZJA SPEKTRALNA .............................................................................................................130

S TRUKTURY HYBRYDOWE ........................................................................................................131

I. PODSTAWY SPEKTROSKOPII OPTYCZNEJ - JAN MISIEWICZ

I.1 WSTĘP

Zjawiskami optycznymi w ciele stałym nazywamy oddziaływanie z falą elektromagnetyczną

o długości

od kilku nanometrów (promieniowanie synchrotronowe i rentgenowskie) do ok. 1

mm (daleka podczerwień). Odpowiada to zakresowi energii fotonów od 10 − 3 eV do 10 2 eV.

Szczególnym rodzajem ciał stałych są półprzewodniki. Niektóre z nich posiadają szeroką prze-

rwę energetyczną i małą koncentrację nośników, dzięki czemu mogą zachowywać się podobnie

do izolatorów, z kolei inne, dzięki duŜej koncentracji nośników i wąskiej przerwie energetycznej,

przypominają metale. Bogate optyczne własności półprzewodników są powodem ich szerokiego

wykorzystania (np. diody LED, fotodetektory, lasery). Do podstawowych procesów towarzyszą-

cych oddziaływaniu fali elektromagnetycznej z ciałem stałym, naleŜą odbicie i pochłanianie (ab-

sorpcja) padającego promieniowania. Ponadto występuje równieŜ wyświecanie (luminescencja)

oraz rozpraszanie fali elektromagnetycznej. Procesy te zostały schematycznie ukazane na Rys.

1.1 Na powierzchni ośrodka cześć światła ulega odbiciu, a reszta dostaje się do wnętrza, gdzie

moŜe zostać zaabsorbowana i następnie przekształcona w ciepło lub ponownie wyemitowana ze

zmianą częstotliwości (zjawisko fotoluminescencji).

Rysunek 1.1 Schemat procesów optycznych towarzyszących oddziaływaniu fali elektromagnetycz-

nej z ciałem stałym.

Rozpraszanie na niejednorodnościach ośrodka moŜe być związane z obecnością drgań aku-

stycznych (rozpraszanie Brillouina) lub obecnością fononów optycznych (rozpraszanie Ramana).

Cześć promieniowania moŜe przedostać się przez ciało stałe niezmieniona — jest to zjawisko

transmisji. Odbicie i absorpcja światła są najsilniejszymi efektami, gdyŜ obejmują najniŜszy rząd

oddziaływania miedzy fotonami a elementarnymi wzbudzeniami w ciele stałym. Rozpraszanie

wymaga, co najmniej dwóch takich oddziaływań, co powoduje, Ŝe jest efektem słabszym. Zjawi-

ska generacji fal o częstotliwościach będących sumą lub róŜnicą fal padających na ośrodek (zja-

wiska nieliniowe), wymagają uwzględnienia oddziaływań jeszcze wyŜszego rzędu i nie bedą

przedmiotem naszych rozwaŜań. ZaleŜności współczynnika odbicia R i absorpcji

(zostaną w

dalszej części ściśle zdefiniowane) od energii fali elektromagnetycznej dla hipotetycznych pół-

przewodników o róŜnej koncentracji nośników przedstawione sa na Rys. 1.2.

Rysunek 1.2. Widma współczynnika odbicia (a) i absorpcji (b) dla hipotetycznego półprzewodnika o ni-

skiej (10 16 cm − 3 ) i wysokiej (10 19 cm − 3 ) koncentracji nośników.

< 10 − 1 eV,

Dla niskiej koncentracji nośników, w zakresie energii fali elektromagnetycznej ħ

dominują procesy związane z obecnością drgań sieci. Główne maksimum absorpcyjne związane

jest z absorpcją jednofononową, dwa sąsiednie wokół niego są obrazem sum (po prawej stronie) i

róŜnic (po stronie lewej) dwóch lub więcej fononów oddziałujących z fotonami. Maksimum

współczynnika odbicia w tym zakresie jest równieŜ związane z oddziaływaniem foton – fonon.

Misiewicz, Sęk, Podhorecki - Optyczna spektroskopia nanostruktur.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: