Khi có nguồn năng lượng từ bên ngồi tới kích thích vào vật liệu thì sẽ xảy ra q trình tương tác giữa vật liệu và nguồn năng lượng bên ngoài này. Vật liệu có thể sẽ hấp thụ một phần hay hoàn toàn năng lượng tới và chuyển đổi trạng thái. Kết quả của quá trình hấp thụ này thường là sự phát huỳnh quang của các electron nóng hay các tâm, sự tăng các trạng thái dao động mạng... Năng lượng kích thích vào mẫu có thể dưới dạng năng lượng cơ, quang, nhiệt hay năng lượng điện từ. Thông thường, vật liệu hấp thụ năng lượng từ những nguồn trên mỗi cách khác nhau. Tuỳ theo cách kích thích sẽ tác động tới hệ electron hay hệ dao động mạng nhiều hơn. Khi dùng ánh sáng kích thích, chủ yếu hệ electron trong vật liệu sẽ phản ứng trước tiên. Sau đó có thể là các quá trình biến đổi thành quang hay nhiệt, hay tỉ lệ giữa hai phần này tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu. Q trình hấp thụ ánh sáng ln gắn liền với sự biến đổi năng lượng photon thành các dạng năng lượng khác trong tinh thể, nên một cách tự nhiên có thể phân loại các cơ chế hấp thụ như sau:
- Hấp thụ riêng hay hấp thụ cơ bản, liên quan đến các chuyển dời electron giữa các vùng năng lượng được phép.
- Hấp thụ exciton, liên quan đến sự tạo thành và phân huỷ các trạng thái exciton.
- Hấp thụ bởi các hạt tải electron do,liên quan đến các chuyển dời electron (hoặc lỗ trống) bên trong các vùng năng lượng được phép tương ứng hay giữa các tiểu vùng trong các vùng được phép.
- Hấp thụ tạp chất, liên quan đến các chuyển dời electron (hoặc lỗ trống) giữa các mức bên trong tâm tạp chất hoặc giữa các vùng năng lượng được phép và các
mức tạp chất bên trong vùng cấm.
- Hấp thụ giữa các tạp chất, liên quan đến các chuyển dời electron (hoặc lỗ trống) giữa các mức tạp chất bên trong vùng cấm.
Khi xảy ra tương tác giữa electron trong vật rắn với bức xạ electron cần phải thỏa mãn hai định luật: định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo tồn xung lượng. Trong khơng gian vectơ sóng k, năng lượng của electron và lỗ trống được biểu diễn là hàm số E(k), có dạng parabol ở gần gốc tọa độ. Do cấu trúc và phân bố nguyên tử khác nhau trong các tinh thể, các trạng thái năng lượng của hệ electron vùng dẫn và các lỗ trống vùng hố trị phân bố có các cực trị khác nhau trong khơng gian E(k). Nếu như cực tiểu năng lượng vùng dẫn nằm ở k=0 và cực đại năng lượng vùng hố trị cũng xảy ra ở k=0 thì các chuyển dời electron là "thẳng" hay "trực tiếp". Có thể minh họa cấu trúc vùng cấm thẳng của bán dẫn như Hình I.4a.
Khi các cực đại vùng hoá trị và cực tiểu năng lượng vùng dẫn không nằm ở cùng giá trị của k, các chuyển dời electron sẽ là "không thẳng" hay "gián tiếp". Đây là chuyển dời không được phép theo quy tắc chọn lọc ∆k=0. Vì vậy q trình này cần phải có sự tham gia của hạt thứ 3, đó là phonon để đảm bảo quy tắc bảo toàn xung lượng hay quy tắc chọn vectơ sóng. Hình 1.4b minh họa q trình chuyển dời khơng thẳng.
a b
Hình I.4: a) Bán dẫn vùng cấm trực tiếp b) Bán dẫn vùng cấm xiên Nói chung, sự chuyền ánh sáng trong chân không và trong các vật liệu khác nhau cơ bản ở hệ số khúc xạ ánh sáng.Hệ số khúc xạ ánh sáng được biểu diễn ở
dạng số phức N:
N= n +i.k (I-102)
Trong đó, phần ảo của N được liên hệ với hệ số hấp thụ quang như sau:
η= (I-103)
Hệ số hấp thụ quang phản ánh sự mất năng lượng của ánh sáng khiddia qua vật liệu. Nếu gọi cường độ ánh sáng tại khoảng cách x từ bề mặt là I(x) thì
I(x) = I(0).exp (-2πηx) (I-104)
Với I(0) là cường độ ánh sáng tới.
Một hệ số nữa luôn đi cùng với hệ số hấp thụ là hệ số phản xạ R
R== (I-105)
Tuy nhiên, khi thực hiện các tính tốn của tính chất quang học, người ta cịn quan tâm đến hằng số điện mơi ε(ω). Vì nó có ảnh hưởng lớn đến hệ số khúc xa và hệ số hấp thụ quang. Hằng số điện môi là một hàm phức có dạng:
ε = ε1 + i.ε2 = N2 (I-106)
và do đó mối quan hệ giữa các phần thực và phần ảo của chỉ số khúc xạ và hằng số điện môi là:
ε1 = n2 –k2. ε2 =2nk (I-107)
Một hệ số thường được sử dụng để thể hiện các tính chất quang học nữa là độ dẫn quang học, σ (ω):
σ = σ1 + i. σ2 = -i. (I-107)
Độ dẫn quang học thường dùng trong kim loại, tuy nhiên sử dụng hệ số này đặc biệt có lợi trong việc tính tốn tính chất quang của hệ phi kim và hệ bán dẫn. Một tính chất nữa có thể được tính tốn từ hằng số điện mơi phức là hàm thất thốt năng lượng. Nó mơ tả năng lượng bị mất đi qua bởi một electron thông qua một vật liệu điện môi đồng nhất và được cho bởi:
E = Im (I-108)
Liên hệ với cấu trúc electron, Sự tương tác của photon với các electron trong hệ tinh thể được mô tả dưới dạng nhiễu loạn phụ thuộc vào thời gian của trạng thái electron ở trạng thái cơ bản. Quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái bị chiếm đóng và
khơng bị chiếm đóng là do điện trường của các photon (hiệu ứng từ trường là yếu bởi một nhân tố của v / c). Khi những kích thích này quy tụ được thì chúng được gọi là plasmon (mà có thể dễ dàng quan sát thấy bởi sự ra đi của một electron nhanh chóng thơng qua hệ tinh thể chứ không phải là một photon, trong một kỹ thuật được gọi là mất năng lượng phổ electron, được mơ tả bởi phương trình (I-108). Khi q trình chuyển đổi độc lập, chúng được gọi là kích thích hạt duy nhất. Phổ từ những kích thích này có thể được coi như là một mật độ chung của các trạng thái giữa các vùng hóa trị và vùng dẫn.