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光吸收

光吸收是光(电磁辐射)通过材料时,与材料发生相互作用,电磁辐射能量被部分地转化为其他能量形式的物理过程。

当被吸收的光能量以热能的形式被释放,即形成了光热转化;当未被吸收的光能量被物体反射、散射或透射,便影响着我们看到的物体的色彩。

一般来说,半导体材料在不同的程度上具备电介质和金属材料的全部光学特性。当半导体材料从外界以某种形式(如光、电等)吸收能量,则其电子将从基态被激发到激发态,即光吸收。而处于激发态的电子会自发或受激再从激发态跃迁到基态,并将吸收的能量以光的形式辐射出来(辐射复合),即发光;当然也可以无辐射的形式如发热将吸收的能量发散出来(无辐射复合)。图4是材料中可能出现的吸收光谱示意图。对应不同的物理过程有不同的吸收光谱。材料的光吸收区主要可以划分为六个区。

1)基本吸收区:谱范围在紫外-可见光-近红外光。电子从价带跃迁到导带引起光的强吸收,吸收系数很高,常伴随可以迁移的电子和空穴,出现光电导。

2)吸收边缘界限:电子跃迁跨越的最小能量间隙,其中对于非金属材料,还常伴随激子(受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统激子)的吸收而产生精细光谱线。

3)自由载流子吸收:导带中电子或价带中空穴在同一带中吸收光子能量所引起的,它可以扩展到整个红外甚至扩展到微波波段,显然吸收系数是电子(空穴)的浓度的函数,金属材料载流子浓度较高,因而这一区吸收谱线强度很大,甚至掩盖其它吸收区光谱。

4)晶体振动引起的吸收:入射光子和晶格振动(声子)相互作用引起的,波长在20~50 mm。

5)杂质吸收:杂质在本征能带结构中引入浅能级,电离能在0.01 eV左右,只有在低温下易被观察到。(为什么?)

6)自旋波或回旋共振吸收:自旋波量子、回旋共振与入射光产生作用,能量更低,波长更长,达到mm量级。

光的吸收对应着电子的跃迁.对于自由离子或与近邻离子耦合不强的离子(如稀土离子),吸收光谱是线谱,对应原子的分立能级.对于与晶格相互作用强的离子,它们的吸收光谱呈倒钟形,宽度可达几十纳米。

这种吸收光谱称为吸收带(absorption band).当波长短到某一数值时,通常在紫外区或可见光区的短波部分,吸收系数迅速增大几个数量级,对应着光子能量达到导带最低点和价带最高点的间隔,即禁带宽度(带隙). 吸收系数陡峭增大的波长(频率)称为吸收边缘或吸收边(absorption edge)。

通过吸收光谱的测量可以了解物质内部的能量状态. 精确地测量吸收边,可以得出带隙的值。 从吸收光谱的形状还可以区分出直接带和间接带. 由于间接带间跃迁要有声子参加,吸收不象直接带那样强.。吸收系数随波长的变化就不那样迅速. 激子具有类氢能级,其吸收光谱应在吸收边附近,实验证实了理论上的这些预言.稀土离子4f能级间的跃迁几率可以通过吸收光谱线的积分面积来计算,从而可以估计出无辐射跃迁的几率.用吸收方法测出的带隙称光学带隙.

发光波段和吸收波段有时可能部分地重迭.在这种情况下,一个激活剂的发光有可能被另一个同类的激活剂所吸收.这叫做自吸收(self absorption). 当激活剂浓度足够高时,自吸收会相当显著.这时要正确地测量发光光谱就必须考虑自吸收所造成的畸变。

在对光吸收材料及其应用的研究中,基于纳米光子学的技术是一个重要而且活跃的分支。诺贝尔物理学奖得主Richard Feynman在1959年美国物理学会会议上做了著名演讲‘`There's plenty of Room at the Bottom",宣告人类进入了“纳米科技”的时代。自此,纳米技术革命性地推动了科技领域的方方面面。纳米光子学是纳米技术与先进光子学相融合的新兴学科,在纳米尺度处理光与物质的相互作用,主要包括以下三个研究角度:辐射的纳米级限制,物质的纳米级限制,和纳米级的光处理。

当材料结构的尺度不断减小,光与物质间的相互作用将会呈现出新的特质,例如材料有效折射率的可操控性,局域场增强效应,以及可调的半导体材料带隙等。在此基础之上,纳米结构材料可以实现独特的光吸收性能,例如吸收效率的提高,局域的光热转化,吸收光谱的调节等。基于这些特性,纳米结构材料一方面能够提升或改善现有光吸收器件的性能另一方面能够为其他领域的研究提供灵感.催生出新的应用,因此具有十分重要的研究价值。

由于光吸收具有能量转化和光谱选择的本征属性,基于材料光吸收特性的技术在诸多领域有着重要应用,既包括太阳能电池,红外探测、大气环境监控等科技应用领域,也包括紫外防晒霜、太阳能热水器、太阳镜等日常应用领域。因此,提升材料的光吸收性能,发掘材料光吸收特性的应用潜能,有着重要的研究意义和实用价值。


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