Поглощение электромагнитного излучения в тонких пленках — фундаментальный процесс, определяющий многие оптические и электронные свойства материалов. При прохождении света через пленку фотон может быть поглощён, возбуждая электронные состояния в материале, что приводит к изменению интенсивности и спектрального состава излучения.
Поглощение связано с переходами электронов между энергетическими уровнями, которые могут быть квантовыми уровнями внутри тонкой пленки, интерфейсными состояниями или состояниями поверхности. В тонких пленках роль поверхностных и квантоворазмерных эффектов особенно велика из-за высокой доли атомов на поверхности и малых размеров.
Поглощение в объеме пленки В объемном материале поглощение характеризуется коэффициентом поглощения α(λ), зависящим от длины волны λ. В тонких пленках этот коэффициент модифицируется за счёт квантовых ограничений и неоднородностей.
Поглощение на границе раздела Поверхностные состояния могут обладать собственными энергетическими уровнями, создавая дополнительные каналы для поглощения. В тонких пленках, где отношение площади поверхности к объему велико, эти эффекты оказывают существенное влияние.
Интерференционные эффекты Из-за малого размера пленок интерференция света, отраженного от разных границ, приводит к осцилляциям в спектре поглощения, которые учитываются при анализе.
Квантовые размерные эффекты С уменьшением толщины пленки энергетические уровни электронов дискретизируются, изменяя спектральные характеристики поглощения. Это особенно характерно для полупроводниковых и металлических нанопленок.
Измерение спектров поглощения — основной метод исследования тонких пленок. Важные параметры:
Коэффициент поглощения α(λ) Определяется через изменение интенсивности света при прохождении через пленку по закону Бугера–Ламберта–Бера:
I = I0e−αd
где d — толщина пленки.
Оптический диапазон Анализ поглощения в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах позволяет выявлять переходы электронов, характерные для конкретных материалов и дефектов.
Эффект толщины Спектры изменяются с толщиной, что отражает изменённую электронную структуру.
Люминесценция — это излучение света материалом вследствие релаксации возбужденных состояний, возникающих после поглощения фотонов или других возбуждающих воздействий (электроны, химические реакции и пр.).
Фотолюминесценция (ФЛ) Возникает при оптическом возбуждении. Прямая корреляция с поглощением — фотон поглощается, электрон переходит в возбужденное состояние, затем излучает фотон при переходе обратно.
Катодолюминесценция Излучение при возбуждении электронным пучком.
Термическая люминесценция Проявляется при нагревании материала, вызванном высвобождением захваченных носителей.
Рекомбинация электронов и дырок Основной механизм люминесценции в полупроводниках и диэлектриках — рекомбинация носителей заряда, приводящая к испусканию фотона.
Радиативные и нередиативные переходы В тонких пленках доля радиативных переходов может изменяться под влиянием поверхностных состояний, дефектов и структуры.
Локализация носителей Из-за дефектов или квантовых ограничений носители могут локализоваться, что влияет на спектр и интенсивность люминесценции.
Полоса излучения В тонких пленках спектр люминесценции часто сужен и смещён относительно спектра объемного материала из-за квантовых и поверхностных эффектов.
Время жизни возбуждённых состояний Измеряется с помощью временной спектроскопии и характеризует динамику процессов релаксации.
Квантовый выход люминесценции Важный параметр, отражающий эффективность преобразования поглощённой энергии в свет.
Люминесценция напрямую зависит от спектра и степени поглощения, так как возбуждение определяется именно поглощённой энергией.
Анализ спектрального смещения между поглощением и люминесценцией (стоксово смещение) даёт информацию о взаимодействиях внутри пленки, дефектах и структуре.
Измерения взаимосвязанных спектров позволяют определять характеристики зонной структуры, дефектных состояний и динамику носителей заряда.
При уменьшении толщины тонких пленок наблюдаются квантоворазмерные эффекты, которые приводят к изменению ширины запрещённой зоны и энергетических уровней.
Структурные дефекты и неоднородности создают дополнительные локализованные состояния, меняющие спектры поглощения и люминесценции.
Стекание напряжений, возникающее в пленках при осаждении на подложку, влияет на электронные и оптические свойства.
Ультрафиолетово-видимая (УФ-ВИ) спектроскопия Измерение спектров поглощения и пропускания.
Фотолюминесцентная спектроскопия Исследование спектров и динамики люминесценции при оптическом возбуждении.
Временная спектроскопия Анализ времени жизни возбуждённых состояний.
Микроскопия с разрешением по времени и пространству Позволяет изучать неоднородности пленок и локальные дефекты.
Температурная зависимость Изучение изменений спектров при варьировании температуры для выявления механизмов релаксации и дефектных состояний.
Оптоэлектроника и фотоника Тонкие пленки с заданными оптическими свойствами применяются в лазерах, светодиодах, фотодетекторах.
Сенсоры и датчики Изменения люминесценции могут служить индикатором окружающей среды, химического состава или механических напряжений.
Квантовые технологии Квантовые точки и нанопленки с контролируемой люминесценцией используются в квантовых вычислениях и коммуникациях.
Солнечная энергетика Поглощение и люминесценция влияют на эффективность солнечных элементов, в том числе при создании многослойных структур.
Поглощение и люминесценция в тонких пленках — сложные и взаимосвязанные явления, определяющие широкий спектр физико-химических и оптических характеристик материалов. Их глубокое понимание необходимо для разработки современных нанотехнологий и материалов с заданными функциональными свойствами.