Поглощение света

Поглощение света в материалах — это процесс, при котором энергия электромагнитного излучения переходит в другие формы энергии, чаще всего тепловую, путем взаимодействия фотонов с электронами или колебательными состояниями атомов и молекул. Эффективность и характер поглощения зависят от структуры материала, природы его электронных состояний и длины волны света.

Электронные переходы

Наиболее распространённый механизм поглощения в твердых телах — возбуждение электронов из одной энергетической зоны в другую. В полупроводниках и диэлектриках это проявляется как переходы между валентной зоной и зоной проводимости.

Ключевые моменты:

  • Энергия фотона: Для перехода требуется, чтобы энергия фотона E = hν была не меньше ширины запрещенной зоны Eg.
  • Спектральная зависимость: Поглощение резко возрастает при достижении порога Eg, что формирует краевой спектр поглощения.
  • Формула поглощения: Интенсивность поглощения описывается законом Бугера–Ламберта–Бера:

I(x) = I0e−αx,

где I0 — интенсивность падающего света, x — путь прохождения, α — коэффициент поглощения, зависящий от энергии фотона и свойств материала.

Колебательные и вращательные переходы

В молекулярных кристаллах, жидкостях и газах значительную роль играют колебательные и вращательные уровни молекул:

  • Колебательные переходы соответствуют инфракрасной области спектра и вызывают резонансное поглощение на частотах, характерных для конкретных химических связей.
  • Вращательные переходы наблюдаются в микроволновой области и определяются моментами инерции молекул.

Эти процессы часто сопровождаются комбинацией и многофотонными переходами, что расширяет спектральные диапазоны поглощения.

Поглощение в металлах

Металлы обладают высокой концентрацией свободных электронов, что приводит к специфическим механизмам поглощения:

  • Поглощение за счет плазмонных резонансов: Колебания электронного газа вызывают резонанс на определённых частотах, что сильно увеличивает коэффициент поглощения.
  • Дрейфовые процессы: Свободные электроны рассеивают энергию фотона через тормозное излучение и тепловую генерацию.
  • Спектральные особенности: Металлы обычно прозрачны в инфракрасной области на коротких путях прохождения, но сильно поглощают видимый свет.

Роль дефектов и примесей

Нарушения кристаллической решетки, вакансии и примесные атомы создают локальные энергетические уровни, позволяя поглощать свет на энергиях, меньших, чем ширина запрещённой зоны основного материала.

Важные эффекты:

  • Формирование цветных центров, придающих материалу окраску.
  • Усиление поглощения в области длинных волн за счёт переходов между локальными уровнями.
  • Нарушение симметрии может активировать запрещённые переходы, делая спектр поглощения более сложным.

Математические модели поглощения

Для количественного описания поглощения используют спектрально-зависимые коэффициенты α(λ). В приближении прямых переходов:

$$ \alpha(h\nu) \propto \frac{(h\nu - E_g)^{1/2}}{h\nu}, \quad h\nu > E_g $$

Для непрямых переходов:

$$ \alpha(h\nu) \propto \frac{(h\nu - E_g)^2}{h\nu}, \quad h\nu > E_g $$

Эти зависимости позволяют определять тип полупроводника и его энергетическую структуру по спектру поглощения.

Влияние температуры и давления

  • Температура: Повышение температуры приводит к расширению решетки и смещению уровней энергии, что изменяет спектр поглощения.
  • Давление: Изменение межатомных расстояний может сдвигать пороговые энергии и модифицировать интенсивность поглощения.

Эти эффекты активно используются для диагностики материалов и создания сенсоров.

Поглощение и оптические свойства

Поглощение определяет такие ключевые характеристики материала, как:

  • Цвет и прозрачность.
  • Коэффициенты отражения и пропускания, через связь с комплексным показателем преломления ñ = n + ik, где k связан с α через $k = \frac{\lambda \alpha}{4\pi}$.
  • Энергоэффективность оптических приборов, солнечных элементов и фотодетекторов.
Оглавление