Własności optyczne półprzewodników

Podobne dokumenty
Własności optyczne półprzewodników

ĆWICZENIE Nr 4 LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Właściwości optyczne. Oddziaływanie światła z materiałem. Widmo światła widzialnego MATERIAŁ

Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

Przejścia promieniste

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Wzajemne relacje pomiędzy promieniowaniem a materią wynikają ze zjawisk związanych z oddziaływaniem promieniowania z materią. Do podstawowych zjawisk

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

LASERY NA CIELE STAŁYM BERNARD ZIĘTEK

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Zespolona funkcja dielektryczna metalu

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

Spektroskopia Ramanowska

Metody optyczne w badaniach półprzewodników Przykładami różnymi zilustrowane. Piotr Perlin Instytut Wysokich Ciśnień PAN

Absorpcja związana z defektami kryształu

Mody sprzęŝone plazmon-fonon w silnych polach magnetycznych

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

SPEKTROSKOPIA MOLEKULARNA 2015/16 nazwa przedmiotu SYLABUS A. Informacje ogólne

Optyka. Optyka falowa (fizyczna) Optyka geometryczna Optyka nieliniowa Koherencja światła

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Fonony. Fonony

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Własności optyczne materii. Jak zachowuje się światło w zetknięciu z materią?

Mody sprzężone plazmon-fonon w silnych polach magnetycznych

Podstawy fizyki kwantowej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Podczerwień bliska: cm -1 (0,7-2,5 µm) Podczerwień właściwa: cm -1 (2,5-14,3 µm) Podczerwień daleka: cm -1 (14,3-50 µm)

Wzrost pseudomorficzny. Optyka nanostruktur. Mody wzrostu. Ekscyton. Sebastian Maćkowski

Badanie dynamiki rekombinacji ekscytonów w zawiesinach półprzewodnikowych kropek kwantowych PbS

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów. Metody optyczne w badaniach półprzewodników Przykładami różnymi zilustrowane

Fotonika kurs magisterski grupa R41 semestr VII Specjalność: Inżynieria fotoniczna. Egzamin ustny: trzy zagadnienia do objaśnienia

Spektroskopia modulacyjna

Metody optyczne w medycynie

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Pomiary widm fotoluminescencji

PRODUKTY CHEMICZNE Ćwiczenie nr 3 Oznaczanie zawartości oksygenatów w paliwach metodą FTIR

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Techniki analityczne. Podział technik analitycznych. Metody spektroskopowe. Spektroskopia elektronowa

Mody sprzęŝone plazmon-fonon w silnych polach magnetycznych

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Ćwiczenie O 13 -O 16 BADANIE ABSORPCJI ŚWIATŁA W MATERII Instrukcja dla studenta

Informacje ogólne. 45 min. test na podstawie wykładu Zaliczenie ćwiczeń na podstawie prezentacji Punkty: test: 60 %, prezentacja: 40 %.

Ćwiczenia z mikroskopii optycznej

Repeta z wykładu nr 11. Detekcja światła. Fluorescencja. Eksperyment optyczny. Sebastian Maćkowski

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Technika laserowa. dr inż. Sebastian Bielski. Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Widma odbicia i transmisji cienkich warstw, struktur wielowarstwowych i kryształów. Paweł Turbak i Tomasz Winiarski

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

Techniczne podstawy promienników

Kwantowa natura promieniowania

Model oscylatorów tłumionych

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Ćwiczenie 4. Fotoprzewodnictwo cienkich warstw i. Paweł Turbak Tomasz Winiarski

PODSTAWY FIZYKI LASERÓW Wstęp

Zagadnienie do ćwiczeń na 2 Pracowni Fizycznej Dr Urszula Majewska

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Spektroskopia ramanowska w badaniach powierzchni

Falowa natura materii

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

Niezwykłe światło. ultrakrótkie impulsy laserowe. Piotr Fita

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

dr inż. Beata Brożek-Pluska SERS La boratorium La serowej

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.2, Optyka, termodynamika, fale / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7. Warszawa, 2014.

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

PODSTAWY METODY SPEKTROSKOPI W PODCZERWIENI ABSORPCJA, EMISJA

Wykład 12: prowadzenie światła

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Gaz Fermiego elektronów swobodnych. Gaz Fermiego elektronów swobodnych

IM21 SPEKTROSKOPIA ODBICIOWA ŚWIATŁA BIAŁEGO

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

WYKŁAD 2 Podstawy spektroskopii wibracyjnej, model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego. Częstość oscylacji a struktura molekuły Prof. dr hab.

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Równanie falowe Schrödingera ( ) ( ) Prostokątna studnia potencjału o skończonej głębokości. i 2 =-1 jednostka urojona. Ψ t. V x.

ANALIZA SPEKTRALNA I POMIARY SPEKTROFOTOMETRYCZNE. Instrukcja wykonawcza

Przerwa energetyczna w germanie

Charakteryzacja właściwości elektronowych i optycznych struktur AlGaN GaN Dagmara Pundyk

Metody Optyczne w Technice. Wykład 2 Fala świetlna

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

IV. Transmisja. /~bezet

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Wykład FIZYKA II. 11. Optyka kwantowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Ponadto, jeśli fala charakteryzuje się sferycznym czołem falowym, powyższy wzór można zapisać w następujący sposób:

Absorpcja promieni rentgenowskich 2 godz.

Światło fala, czy strumień cząstek?

Wykład 18: Elementy fizyki współczesnej -1

Właściwości światła laserowego

WYKŁAD 15. Gęstość stanów Zastosowanie: oscylatory kwantowe (ª bosony bezmasowe) Formalizm dla nieoddziaływujących cząstek Bosego lub Fermiego

KARTA MODUŁU KSZTAŁCENIA

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

Rozszczepienie poziomów atomowych

Metoda osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia ATR (Attenuated Total Reflection)

Optotelekomunikacja. dr inż. Piotr Stępczak 1

UMO-2011/01/B/ST7/06234

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Transkrypt:

Własności optyczne półprzewodników Andrzej Wysmołek Wykład przygotowany w oparciu o wykłady prowadzone na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawakiego przez prof. Mariana Grynberga oraz prof. Romana Stępniewskiego

Właściwości optyczne półprzewodników transmisja i absorpcja optyczna, odbicie światła, luminescencja, rozpraszanie światła, zespolony współczynnik załamania, współczynnik absorpcji, współczynnik odbicia, współczynnik ekstynkcji, zastosowanie równań Maxwella do opisu propagacji fal w materii skondensowanej, Dynamiczna Funkcja Dielektryczna, opis kwantowy zjawisk optycznych, koncepcja siły oscylatora, zjawiska optyczne związane ze swobodnymi nośnikami, plazmony, drgania sieci, fonony akustyczne, fonony optyczne, dyspersja, polariton fononowy, oddziaływanie elektron-fonon, mody sprzężone plazmon-fonon, przejścia międzypasmowe, osobliwości van Hoove, podstawowa krawędź absorpcji, model wodoropodobny w ciele stałym, ekscytony swobodne, polariton ekscytonowy, ekscytony związane, widma emisyjne par donor-akceptor, spektroskopia stanów domieszkowych, zewnętrzne pole magnetyczne oraz ciśnienia osiowe i hydrostatyczne w zastosowaniu do badań optycznych półprzewodników, techniki modulacyjne, fotoodbicie, elektroodbicie, elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR), elastyczne i nieelastyczne rozpraszanie światła, efekt Ramana, podstawowe własności optyczne nanobiektów półprzewodnikowych (studnie kwantowe, druty kwantowe, kropki kwantowe) i metamateriałów.

Warunki zaliczenia: egzamin ustny Literatura 1. P. Yu, M. Cardona, Fundamentals of Semiconductors. J.M. Ziman, Wstęp do teorii Ciała Stałego. 3. K. Sierański, M. Kubisa, J. Szatkowski, J. Misiewicz, Półprzewodniki i struktury półprzewodnikowe. 4. Mark Fox, Optical properties of solids 5. N.W. Ashcroft, N.D. Mermin, Fizyka ciała stałego. 6. Ch. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego.

Klasyfikacja procesów optycznych światło padające propagacja światła w ośrodku światło po przejściu przez ośrodek światło odbite Obicie Transmisja

Propagacja w ośrodku optycznym absorpcja światła (jeśli częstotliwość bliska częstotliwościom przejść optycznych w ośrodku ) stan wzbudzony relaksacja luminescencja (emisja światła przez wzbudzony ośrodek, nie zawsze towarzyszy absorpcji, gdyż zmagazynowana energia może zostać zamieniona na ciepło, zanim zostanie wyemitowana ) absorpcja luminescencja procesy bezpromieniste stan podstawowy

Rozpraszanie światła elastyczne (bez zmiany energii fotonu) nieelastyczne (ze zmianą energii fotonu) Procesy nieliniowe ( wymagana duża intensywność światła)

Stałe optyczne Odbicie na granicy ośrodków. Współczynnik odbicia: R P R = P R moc odbita P 0 P 0 moc padająca Współczynnik transmisji T = P T P 0 Sposób dokładnego pomiaru: przyrządy dwuwiązkowe np.. Cary P 0 P R P T W rzeczywistości współczynnik załamania zależy od częstości fali świetlnej (dyspersja) Gdyby nie było absorpcji, rozpraszania T + R = 1 Propagacja światła poprzez przezroczyste medium, rządzona jest przez współczynnik załamania n = c υ

Współczynnik absorpcji α: Absorpcja Moc na jednostkę powierzchni - natężenie światła Zmiana natężenia światła w warstwie o grubości dz P I = S di = αi ( z) dz Po scałkowaniu: I αz ( z) I e Prawo Beer a = 0 Współczynnik absorpcji zależy od części światła propagującego się w ośrodku, stąd dany materiał optyczny może absorbować jakieś barwy a inne nie Gęstość optyczna absorbancja: O.D. = log I( d) I 0 = αd ln(10) = 0.434αd Przydatne w laboratorium przy wyborze filtrów optycznych

I 0 Wielokrotne odbicia (1-R) R(1-R) R (1-R) (1 R) I0e αz R (1 R) I 0 e 3αz Suma ciągu geometrycznego: Gdy α duże tylko dwa odbicia: T = (1 R) e αd T I R 4 (1 R) I 0 e 5αz (1 R) T = = αd I0 1 R e T = e (1 1 αd R) R Gdy α 0 (bardzo małe R 1 T = 1 + T

Transmisja warstwy krzemu Zbadajmy transmisję i gęstość optyczną warstwy krzemu o grubości 10µm, dla długości fali 63.8nm (laser He-Ne). Współczynnik absorpcji dla tej długości fali wynosi α=3.8 10 3 cm -1, natomiast współczynnik odbicia krzemu R=0.35. αd = 3.8 10 3 10 10 10 6 = 3.8 Iloczyn αd jest duży, możemy więc zaniedbać wielokrotne odbicia, zatem: T = (1 R) e αd = (1 0.35) e 3.8 = 0.0095 O.D. = 0.434αd = 0.434 3.8 = 1.65

Absorpcja i rozpraszanie Rozpraszanie światła spowodowane jest obecnością zmian współczynnika załamania na obszarach mniejszych niż długość fali może być spowodowane obecnością domieszek, defektów czy też innych niejednorodności w krysztale Intensywność wiązki propagującej się (w danym kierunku) przez rozpraszające medium zanika wykładniczo: σ s I( z) = I exp( N z) 0 Gdzie N liczba centrów rozpraszających w jednostce objętości, σ s przekrój czynny na rozpraszanie (wymiar powierzchni). Wzór identyczny jak dla absorpcji jeśli α Nσ s Jakie są różnice pomiędzy rozpraszaniem a absorpcją? Dla rozpraszania elastycznego (rozpraszanie Rayleigh a) mamy zależność: σ ( λ) s 1 4 λ Uwaga praktyczna: Wykonując pomiary optyczne w UV należy dokładać większych starań by eliminować efekty rozpraszania światła laserowego...(filtry, przesłony, itp )

Sławne rubiny i szafiry www.wec.com.pl

Coś dla zwykłych ludzi www.wec.com.pl

Al O 3 (korund) Al O 3 :Cr rubin Al O 3 :Ti szafir

Skąd te kolory? Cr [Ar] 4s 1 3d 5 Ti - [Ar] 4s 3d

Po wbudowaniu do Al O 3 Cr 3 elektrony Cr 3+ 3d 3 Ti 3 elektrony Ti 3+ 3d 1 Metale przejściowe: Chrom, tytan, żelazo, mangan, kobalt, nikiel. Orbitale d zachowują swój atomowy charakter!

Charakterystyczne widmo absorpcji Cr 3+

Domieszki centra barwne Niewielka liczba atomów chromu zmienia bezbarwny korund na rubin Badanie absorpcji, luminescencji jest więc dobrą metodą wykrywania domieszek! W trakcie wykładu okaże się, że metody te są bardzo przydatne do badania różnego rodzaju wzbudzeń w półprzewodnikach i strukturach półprzewodnikowych

Widmo transmisji dostarcza też informacji o współczynniku odbicia T 0.86 R 0.075 Przykład - widma rubinu (pomiary w temperaturze 300K i 77K) A. Kuźniak, II Pracownia WF UW (006) Odbicie wynika z różnicy współczynników załamania na granicy ośrodków! Pokażemy niedługo, że z powyższych pomiarów można uzyskać informacje o współczynniku załamania Al O 3. 1+ n = 1 R R 1,76 Skąd to wynika? Rozważmy równania Maxwella