T ỔNG QUAN VỀ VẬ LIỆU NANễ
1.2.1.Tớnh chất hấp thụ
Khi cú nguồn năng lượng từ bờn ngoài tới kớch thớch vào vật liệu thỡ sẽ xảy ra quỏ trỡnh tương tỏc giữa vật liệu và nguồn năng lượng bờn ngoài này. Vật liệu cú thể sẽ hấp thụ một phần hay hoàn toàn năng lượng tới và chuyển đổi trạng thỏi điện tử. Kết quả của quỏ trỡnh hấp thụ này thường là sự phỏt huỳnh quang của cỏc điện tử núng hay cỏc tõm, sự tăng cỏc trạng thỏi dao động mạng... Năng lượng kớch thớch vào mẫu cú thể dưới dạng năng lượng cơ, quang, nhiệt hay năng lượng điện từ. Thụng thường, vật liệu hấp thụ năng lượng từ những nguồn trờn mỗi cỏch khỏc nhau. Tuỳ theo cỏch kớch thớch mà sẽ tỏc động tới hệ điện tử hay hệ dao động mạng nhiều hơn. Khi dựng ỏnh sỏng kớch thớch, chủ yếu hệ điện tử trong vật liệu sẽ phản ứng trước tiờn. Sau đú cú thể là cỏc quỏ trỡnh biến đổi thành quang hay nhiệt, hay tỉ lệ giữa hai phần này tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu.
Quỏ trỡnh hấp thụ ỏnh sỏng luụn gắn liền với sự biến đổi năng lượng photon thành cỏc dạng năng lượng khỏc trong tinh thể, nờn một cỏch tự nhiờn cú thể phõn loại cỏc cơ chế hấp thụ như sau [3]:
- Hấp thụ riờng hay hấp thụ cơ bản, liờn quan đến cỏc chuyển dời điện tử giữa cỏc vựng năng lượng được phộp.
- Hấp thụ exciton,liờn quan đến sự tạo thành và phõn huỷ cỏc trạng thỏi exciton.
- Hấp thụ bởi cỏc hạt tải điện tự do,liờn quan đến cỏc chuyển dời điện tử (hoặc lỗ trống) bờn trong cỏc vựng năng lượng được phộp tương ứng hay giữa cỏc tiểu vựng trong cỏc vựng được phộp.
- Hấp thụ tạp chất, liờn quan đến cỏc chuyển dời điện tử (hoặc lỗ trống)
giữa cỏc mức bờn trong tõm tạp chất hoặc giữa cỏc vựng năng lượng được phộp và cỏc mức tạp chất bờn trong vựng cấm.
- Hấp thụ giữa cỏc tạp chất,liờn quan đến cỏc chuyển dời điện tử (hoặc lỗ trống) giữa cỏc mức tạp chất bờn trong vựng cấm.
Hỡnh 1.3 trỡnh bày cỏc chuyển dời điện tử tương ứng với cỏc cơ chế hấp thụ 1-5.
Hỡnh 1.3. Một số chuyển dời điện tử trong hấp thụ quang: 1- Hấp thụ riờng; 2a-Hấp thụ (tạo ra) exciton;2b- Hấp thụ (phõn hủy) exciton; 3a, 3b- Hấp thụ bời cỏc hạt tải điện tự do; 4a, 4b- Hấp thụ tạp chất - vựng gần; 4c, 4d- Hấp thụ tạp chất- vựng xa; 5- Hấp thụ giữa cỏc tạp chất [3]
Khi xảy ra tương tỏc giữa electron trong vật rắn với bức xạ điện từ cần phải thỏa món hai định luật: định luật bảo tồn năng lượng và định luật bảo toàn xung lượng.
Trong khụng gian vectơ súng k, năng lượng của điện tử và lỗ trống được biểu diễn là hàm số E(k), cú dạng parabol ở gần cực trị. Do cấu trỳc và phõn bố nguyờn tử khỏc nhau trong cỏc tinh thể, cỏc trạng thỏi năng lượng của hệ điện tử vựng dẫn và cỏc lỗ trống vựng hoỏ trị phõn bố cú cỏc cực trị khỏc nhau trong khụng gian E(k).
Hỡnh 1.4. Cỏc dạng chuyển mức vựng-vựng trong bỏn dẫn
Hỡnh 1.4 mụ tả 2 quỏ trỡnh chuyển mức vựng-vựng trong bỏn dẫn: chuyển mức thẳng và chuyển mức xiờn.
Nếu như cực tiểu năng lượng vựng dẫn nằm ở k=0 và cực đại năng lượng vựng hoỏ trị cũng xảy ra ở k=0 thỡ cỏc chuyển dời điện tử là "thẳng" hay "trực tiếp". Khi cỏc cực đại vựng hoỏ trị và cực tiểu năng lượng vựng dẫn khụng nằm ở cựng giỏ trị của k, cỏc chuyển dời điện tử sẽ là "xiờn" hay "giỏn tiếp".
Đõy là chuyển dời khụng được phộp theo quy tắc chọn lọc ∆k=0. Vỡ vậy quỏ trỡnh này cần phải cú sự tham gia của hạt thứ 3, đú là phonon để đảm bảo quy tắc bảo toàn xung lượng hay quy tắc chọn vectơ súng.