9.3.3. Поглощение света в твердых диэлектриках

Диэлектрики прозрачны для электромагнитного излучения почти всех частот вплоть до некоторой граничной частоты называемой основной или граничной частотой поглощения. Прозрачность диэлектриков для частот объясняется тем, что высшие уровни заполненной (валентной) зоны диэлектриков не имеют непосредственно примыкающих к ним свободных уровней. Однако когда частота излучения превысит граничное значение энергия фотонов становится достаточно большой (больше ширины запрещенной зоны диэлектрика ), чтобы возбудить электроны и перебросить их через запрещенную зону на незанятые уровни в зоне проводимости. Этот процесс аналогичен ионизации атома фотоном с энергией превышающей энергию ионизации. Граничная частота определяется условием откуда Так, для диэлектриков с = 3 эВ фотон с длиной волны, большей = 400 нм, не поглощается, а с длиной волны, меньшей этого значения, может поглощаться. Поэтому эти вещества становятся непрозрачными в ультрафиолетовой области. Такие диэлектрики как алмазы, корунды, щелочные галогениды и другие имеют ширину запрещенной зоны порядка 5–10 эВ, и монокристаллы всех этих веществ прозрачны по той же причине, что, например, и воздух. В молекулах и первый возбужденный уровень энергии расположен более чем на 3 эВ выше основного, вследствие чего эти молекулы не могут поглощать видимый свет. Другие вещества непрозрачны, так как для них ширина запрещенной зоны незначительна. В полупроводниках ширина запрещенной зоны обычно меньше 1,5 эВ, поэтому полупроводники непрозрачны для видимого света и прозрачны для ультрафиолетовых лучей. (Отметим здесь, что металлы непрозрачны для электромагнитных волн от самых низких частот вплоть до середины ультрафиолетовой области спектра.)

В диэлектриках со структурными дефектами или примесями существуют локальные уровни, расположенные в запрещенной зоне. Поэтому возбуждение светом электрона валентной зоны на один из свободных локальных уровней или электрона, находящегося на этих уровнях, в зону проводимости может осуществляться фотонами меньшей энергии. Такие кристаллы будут поглощать волны меньших частот (обычно в видимой области спектра).

Рассмотрим, например, дефекты типа вакансии хлора в кристалле KCl, созданные нагреванием кристалла в парах калия. Эти вакансии образуются на поверхности кристалла и диффундируют внутрь него. Добавление каждого атома K в кристалл создает ион и вакансию , а также один электрон. Электрон «захватывается» в области вакансии , так как в этом участке кристалла имеется суммарный положительный заряд, с которым и связывается электрон. Электрон, связанный с вакансией отрицательного иона, называется F-центром. Его можно получить также облучением кристалла рентгеновскими и ультрафиолетовыми лучами.

Электрон F-центра находится в одном из дискретных энергетических состояний и налетающий фотон может перевести его в более высокое энергетическое состояние или на один из свободных уровней зоны проводимости. Поглощение света в этом процессе значительно слабее основного поглощения, так как электронов в F-центрах значительно меньше, чем в валентной зоне кристалла.

Локальные уровни обусловливают также окраску многих минералов. Окраска связана с тем, что из падающего на минерал пучка белого света поглощается больше излучения одних длин волн, чем других. Так, если поглощение происходит в фиолетовом конце видимой области спектра, то окраска кристалла оказывается оранжево-красной и наоборот. Рассмотренный F-центр является частным примером так называемого центра окраски в твердом теле. Другие центры окраски создаются электронами, связанными с агрегатами вакансий положительных и отрицательных ионов, и дырками, связанными с вакансиями положительных ионов. Наиболее распространенными источниками локальных электронных уровней в твердых телах являются химические примеси. Окраска большинства неметаллов вызвана поглощением фотонов на локальных энергетических уровнях, образованных как химическими примесями, так и вакансиями. Например, минерал, называемый корундом (кристалл ), в чистом виде не окрашен. Голубой цвет его обусловлен примесью металлических ионов (голубые кристаллы корунда называются сапфирами). Другая примесь делает кристалл зеленым (изумрудом). Примесь третьего типа дает красный цвет (рубины) и т.д.