Hấp thụ do phonon

c Chuyển mứ họn lọ trong bán dẫn loại p.

2.8.Hấp thụ do phonon

Ta sẽ nghiên cứu quá trình hấp thụ ánh sáng do các dao động mạng tinh thể, trong đó năng lợng của photon bị hấp thụ đợc chuyển thành năng lợng của các phonon.

Nếu quá trình là hấp thụ đơn phonon thì định luật bảo toàn năng lợng và xung lợng có dạng:

ωpht =ωphn ; qpht =qphn Trong đó: ωpht - Tần số của photon ωphn - Tần số của phonon qpht - Véc tơ sóng của photon qphn - Véc tơ sóng của phonon

Năng lợng photon cực đại bị hấp thụ đợc xác định bởi tần số cực đại có thể trong tinh thể. Theo định luật bảo toàn năng lợng và bảo toàn véc tơ sóng thì véc tơ sóng của photon bị hấp thụ bởi dao động mạng tinh thể, trong trờng hợp đơn phonon có giá trị cỡ: 3 4 1

pht 10 10 cm

q ≈ − − , các phonon này sẽ nằm lân cận vùng Brillouin. Cũng theo định luật bảo toàn xung lợng phonon sinh ra do hấp thụ photon phải có véc tơ sóng cùng chiều với véc tơ sóng của photon bị hấp thụ.

Dạng hấp thụ đơn phonon thờng quan sát đợc bằng thực nghiệm trong các tinh thể ion nh: NaCl, LiF, KBr, … Hệ số hấp thụ đơn phonon khá cao, cỡ

14cm 4cm

10 − , với bề rộng vạch hấp thụ nhỏ. Hiện tợng đó gọi là hiện tợng “chùm d”,

trớc đây ngời ta đã ứng dụng để tạo ra các chùm sáng đơn sắc trong vùng hồng ngoại.

Nếu chiếu vào một hệ thống gơng làm từ các tinh thể ion một chùm sáng đa sắc thì ở lối ra của hệ gơng ta nhận đợc một chùm sáng đơn sắc. Chẳng hạn, trên hình 19 trình bày phổ phản xạ “chùm d” của AlSb và GaP.

, màmR% R%

Hình19. Phổ phản xạ chùm d của AlSb (1) và GaP (2)

Định luật bảo toàn năng lợng và xung lợng trong trờng hợp hấp thụ lỡng phonon có thể viết:

ωpht =ωq1±ωq2; qpht =q1±q2 2.8.2

Trong đó dấu cộng “+” ứng với trờng hợp phát sinh hai phonon, dấu trừ

‘‘ – ” ứng với trờng hợp phát sinh phonon có véc tơ sóng q1; hấp thụ phonon có véc tơ sóng q2và hấp thụ photon có véc tơ sóng qpht.

Định luật bảo toàn xung lợng (2.8.3) đợc viết là: q1±q2 ≈0

Khi phát sinh hai phonon thì định luật bảo toàn xung lợng là: q1 ≈q2

Còn khi hấp thụ một phonon và phát sinh một phonon thì: q q2

1

 

≈

Vì có rất nhiều các tổ hợp phonon đáp ứng điều kiện trên cũng nh một số các quy luật lựa chọn khác nên phổ hấp thụ đa phonon rất phức tạp. Hệ số hấp thụ thờng rất nhỏ, cỡ 1cm−1, nên rất nhiều vạch phổ nằm sát nhau, thờng có dạng những dải liên tục nằm trong vùng hồng ngoại và trên đó có thể phân biệt đợc một số đỉnh cộng hởng ứng với những tổ hợp phonon có xác suất cao. Ví dụ , trên hình 20 trình bày phổ hấp thụ đa phonon của Si.

Khi phân tích phổ hấp thụ đa phonon có thể tìm đợc các tổ hợp phonon tham gia trong quá trình hấp thụ, chẳng hạn đối với Si, các đỉnh rõ rệt nhất tơng ứng với các phonon sau: 3TO, 2TO + LA, TO + LO, TO + LA, LO + LA, TO+TA

… và cực đại của hấp thụ do phonon nằm trong dải phổ ứng với vùng Brillouin.

Hình 20. Phổ hấp thụ đa phonon trong Si

Đối với các nguyên tử khác nhau thì dao động mạng là khác nhau, tức là sẽ có tần số khác nhau, mỗi tần số sẽ đặc trng cho từng loại nguyên tử. Vì vậy mà phổ hấp thụ do phonon có thể đợc dùng để nghiên cứu thành phần tạp chất của tinh thể.

Ngoài ra ta phải kể đến một tơng tác quan trọng của ánh sáng với dao động mạng tinh thể khác đó là hiện tợng tán xạ ánh sáng lên các phonon. Khi ta

rọi vào đơn tinh thể một chùm sáng đơn sắc thì ở lối ra ta quan sát đợc chùm tán xạ có tần số khác và có véc tơ sóng khác.

Khi cờng độ kích thích của ánh sáng kết hợp cao nh ánh sáng laser thì có thể nhận đợc bức xạ Raman cỡng bức. Trong trờng hợp này ánh sáng tán xạ cũng là một bức xạ kết hợp và chất bán dẫn đóng vai trò nh là một bộ khuếch đại thông số. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Ví dụ: Trên hình 21 biểu điễn phổ Raman tán xạ trên CdS trong ánh sáng phản xạ khi kích thích bằng laser Ar . 9L0 C uờ ng đ ộ án h sá ng tá n xạ Huỳnh quang Laser λ = 4579 A 300 K 1L0 2L0 3L0 4L0 5L0 6L0 7L0 8L0 λ

Hình 21. phổ phản xạ của CdS khi tán xạ ánh sáng laser Ar. Một phần bức xạ tạo nên các cặp điện tử - lỗ trống và gây ra huỳnh quang.

Nh vậy, khi nghiên cứu sự tơng tác giữa ánh sáng và dao động nhiệt của các nguyên tử mạng tinh thể sẽ cho ta biết đợc những thông tin về phổ phonon của tinh thể, qua đó ta có thể phân tích đợc thành phần tạp chất trong bán dẫn và để biến đổi ánh sáng bằng hiện tợng tán xạ.