F_08_opt (Лекции (Ляхова))

11

Оптические свойства.

1. Параметры оптической среды.

Рис. 1. Электромагнитный спектр излучения: гамма ( γ) – лучи, рентгеновские лучи (Х ), ультрафиолетовое излучение (UV), видимая область, инфракрасное излучение (IF)

Оптическое излучение характеризуется интенсивностью J - количеством световой энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади, нормальной к падающему свету.

Рис. 2. Схема распространения светового излучения. n₁ , n₂ - показатели преломления сред, R₁ и R₂ - коэффициенты отражения от границ раздела сред,  - коэффициент поглощения.

Основными оптическими параметрами являются: показатель преломления n, угол вращения плоскости поляризации, коэффициент поглощения :

dJ = -  J dx,

где dx- слой поглощения световой энергии.

При распространении света в прозрачных кристаллах (кроме кристаллов с кубической решёткой) свет испытывает двойное лучепреломление и поляризуется различно в разных направлениях (оптическая А.). В кристаллах с гексагональной, тригональной и тетрагональной решётками (например, в кристаллах кварца, рубина и кальцита) двойное лучепреломление максимально в направлении, перпендикулярном к главной оси симметрии, и отсутствует вдоль этой оси. Скорость распространения света в кристалле v или показатель преломления кристалла n различны в различных направлениях. Например, у кальцита показатели преломления видимого света вдоль оси симметрии n_// и перпендикулярно ей n_ равны: n_// = 1,64 и n_ = 1,58; у кварца: n_// = 1,53, n_ = 1,54.

Оценку изменения оптических характеристик и интенсивности поглощения света используют для реализации датчиков. концентрации и газов. Оценку изменения оптических характеристик и интенсивности поглощения света используют для

- определения загрязненности промывочных составов,

- измерения концентрации растворов (например, травильных) или газов (оксида углерода, метана...) в многокомпонентных газовых смесях.

2. Излучение.

Уменьшение энергии электрона от Е₁ до Е₂ сопровождается выделением энергии - излучением, равновесным (тепловым) или неравновесным (люминесценцией). При изменении энергии электрона происходит излучение фотона с энергией

ΔЕ = Е₁ - Е₂ = h .

Одним из вариантов является переход электрона из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинация). (М09-05) - излучение при рекомбинации в p – n переходе. Предварительно электрон за счет внешней энергии переходит из валентной зоны в зону проводимости – происходит генерация пары «свободный носитель заряда – вакансия» («электрон - дырка»). (М09-05b) – генерация пары электрон – дырка. Без внешней поддержки электрон возвращается в валентную зону, занимая прежнюю вакансию – происходит рекомбинация и, как следствие - излучение фотона. (М09-05c) – рекомбинация и излучение фотона.

На электроны (фермионы) распространяется принцип Паули: на одном энергетическом уровне может находиться не более 2-х электронов с противоположными спинами. При объединении атомов в кристалл уровни расщепляются на множество подуровней, расстояние между которыми зависит от числа пар электронов. В массивных образцах электронов много, поэтому расстояние между подуровнями мало - порядка 10^-22 эВ. Это расстояние легко преодолевается возбужденными электронами, поскольку средняя кинетическая энергия электрона в состоянии термодинамического равновесия - 0.04 эВ. Изменение энергии ΔЕ и частота излучения ν малы. Человеческий глаз этого не замечает. В наноструктурах расстояние между разрешенными энергетическими подуровнями существенно больше, чем в массивном материале. Самопроизвольного перехода с одного подуровня на другой не происходит. Такие малые объекты называют квантовыми точками. (Зеркальная картина: отсутствие небольшого количества вещества, называют квантовыми ямами.) Переход возможен лишь с помощью внешней энергии (энергии накачки). На этапе рекомбинации изменение энергии ΔЕ больше, и частота излучения ν соответствует видимой части спектра. Причем изменение энергии ΔЕ и, следовательно, частота излучения ν зависит от числа электронов, т.е. числа атомов квантовой точки. Изменяя размер квантовой точки, можно изменить цвет излучения. (М09-05d) – Зависимость размера квантовой точки и цвета излучения.

Рис. 3 . (А) – спектр излучения и (Б) цвета коллоидных растворов нанокристаллов полупроводника CdSe/ZnS с размерами взвешенных частиц от 490 – 620 нм.

2.1. Виды люминесценции.

Люминесценция связана с рекомбинацией избыточных носителей заряда, возникших в результате внешних воздействий. В зависимости от вида воздействия различают

- фотолюминесценцию: свечение после светового облучения (фосфоресцирующие краски на циферблатах часов, елочных игрушках),

- хемолюминесценцию : свечение в результате химической реакции (гниение),

- электронолюминесценцию: свечение в результате бомбардировки электронами покрытия электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) не только в видимом диапазоне, но и в ИК, как в биотелeвизорах Samsung.

- электролюминесценцию: свечение диода при пропускании через специальный люминесцентный состав или р-n переход прямого тока (светодиод).

Рис. 4. Свечение электролюминесцентного рисунка на ткани.

2.2. Электронолюминесценция наноконусов для ПЭД.

Разработан малоразмерный аналог ЭЛТ – полевые эмиссионные дисплеи (ПЭД) или Field Emission Display (FED).

Рис. 5. Структура ПЭД.

Как и в ЭЛТ, в ПЭД -дисплеях изображение создается за счет свечения люминофора, возбуждаемого потоком электронов. В случае ЭЛТ используются три электронные пушки, лучи каждой из которых при помощи отклоняющей системы последовательно пробегают по строкам экрана. А в ПЭД -дисплеях применяются малогабаритные источники электронов (молибденовые наноконусы диаметром около 200 нм), массивы которых расположены в каждой из ячеек экрана. Благодаря использованию множества крохотных «холодных» катодов ПЭД -дисплеи при том же размере экрана получаются значительно более тонкими и легкими и обладают более низким энергопотреблением по сравнению с устройствами на базе ЭЛТ. ПЭД -дисплеи обеспечивают столь же высокую яркость изображения и широкий эффективный угол обзора, что и ЭЛТ-мониторы. При этом ПЭД -технология позволяет добиться более высокого (по сравнению с ЭЛТ) контраста изображения при сохранении столь же высокой точности цветопередачи (чем пока не могут похвастаться ЖК-дисплеи). Использование большого количества источников электронов (до нескольких тысяч на каждый пиксел) позволяет обеспечить высокую надежность ПЭД -дисплеев. Недостатком ПЭД -дисплеев является сложность их производства. По этой причине выпуск подобных дисплеев может быть рентабельным лишь при изготовлении панелей с относительно большим размером экрана.

2.3. Электролюминесценция. Светодиоды.

Светодиоды - это преобразователи электрической энергии в световую, которая является результатом рекомбинации в р-п переходе пар «электрон – дырка» с выделением кванта света. Вблизи р-п перехода концентрация пар больше, чем в других областях. Но при большой толщине перехода значительная часть выделенной энергии расходуется на нагрев – безизлучательная рекомбинация. Уменьшение толщины перехода увеличивает долю света по сравнению с нагреванием. Использование очень тонких гетеропереходов (слоев с различными свойствами) позволяет накапливать электроны в определенных областях и, следовательно, повышает эффективность преобразования. Цвет излучения (λ) определяется материалами полупроводников (шириной запрещенной зоны).

Рис. Схема и энергетическая диаграмма полупроводникового светодиода.

Органический светодиод (OLED) содержит несколько слоев из органических веществ. Светодиоды – источники некогерентного (широкополосного) излучения.

Рис. 6. Структура органического светодиода (OLED).

Еще одним электролюминесцентным источником является биполярный транзистор на перекрестии нанопроволоки из p-Si и нанопроволок из прямозонного полупроводника с электронным типом проводимости, например, из n-GaN, n-CdS , n-CdSe , n-InP. Электронные полупроводники имеют различные значения энергетического зазора запрещенной зоны полупроводников E_g, что обеспечивает различный цвет излучения. Нанопроволочная схема, благодаря сверхмалым размерам обладает высоким быстродействием.

Рис. 7. Схема формирования транзистор на перекрестии и таблица значений энергетического зазора запрещенной зоны полупроводников E_g.

Рис. 8. Спектры излучения транзисторов на перекрестиях с различными полупроводниками: GaN – синий, CdS – зеленый, CdSe – красный.

1.10.3.4. Фотонные кристаллы.

Наноразмерный светодиод, очевидно, будут индуцировать крайне малую мощность. Выход из положения - конгломерат наноструктур, называемый «фотонные кристаллы» (Photonic Lattices). Это материалы с упорядоченной структурой, характеризующейся строго периодическим изменением диэлектрической проницаемости ε и, следовательно, коэффициента преломления n, в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Обычно одним из материалов является воздух с ε = 1. Периодичность может быть реализована с помощью пористых структур, решеток из нанопроволок (как 2D, так и 3D), молекулярных кристаллов. (M09-05a) – изготовление трехмерной структуры.

Рис. 9. Схематичная структура одномерных (1D), двумерных (2D) и трехмерных (3D) фотонных кристаллов.

Рис. 10. Изображение фотонного кристалла на основе пористой окиси алюминия (Al₂O₃).

Рис. 11. Изображение фотонного кристалла на основе нанопроволок кремния (слева) и вольфрама (справа).

Рис. 12. Изображение молекулярного фотонного кристалла кубической структуры из микросфер полистирола.

.

Будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла. Эти спектральные диапазоны получили название “фотонные запрещенные зоны” (photonic band gap, PBG). Это обстоятельство обуславливает существование в таких структурах модуляции коэффициента преломления с периодом, сопоставимым с длинами волн излучения. Имеет место «аномальная» дисперсия света.