Главная > Разное > Теория поглощения и испускания света в полупроводниках
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Отрицательная люминесценция.

Люминесценция возникает в результате вывода вещества из состояния термодинамического равновесия. При этом возможны два случая: а) мощность спонтанного испускания в заданном спектральном интервале больше мощности поглощения планковского излучения; б) мощность спонтанного испускания меньше мощности поглощения В первом случае выражение для мощности люминесценции (7.5) положительно, во втором отрицательно. Понятие отрицательной люминесценции было введено и детально изучено Б. И. Степановым [127—130].

Условие получения отрицательной люминесценции в системах с дискретным энергетическим спектром легко получить из формулы (7.1). Для этого, учитывая соотношение между коэффициентами Эйнштейна, преобразуем ее к виду

Отрицательная люминесценция возникает, если в результате возбуждения частиц будет выполняться неравенство

При выполнении обратного неравенства люминесценция будет положительной.

Так как в условиях термодинамического равновесия справедливо равенство

то из сравнения (7.20) и (7.21) следует, что для возбуждения отрицательной люминесценции в канале необходимо либо уменьшить населенность верхнего уровня, либо увеличить населенность нижнего уровня по сравнению с их равновесными значениями Тогда на фоне теплового испускания в частоте возникает провал, в то время как при положительной люминесценции в этой частоте наблюдался бы пи-чок (рис. 20).

Согласно (7.17), в полупроводниках отрицательная люминесценция будет при условии

т. е. когда квазиуровень Ферми, характеризующий распреде ление электронов в зоне проводимости, лежит ниже квазиуровня Ферми для дырок. Условие (7.22) справедливо и для атомно-молекулярных систем, поскольку формулу (7.1а) можно представить в виде (7.17), если учесть, что а населенности уровней выразить формулами типа (7.19).

Как видно из рис. 20, по абсолютному значению мощность отрицательной люминесценции не может быть больше фона теплового испускания на заданной частоте. Поэтому ее практически невозможно наблюдать в видимой области спектра при комнатной температуре, в то время как мощность положительной люминесценции может достигать больших значений. С повышением температуры или с переходом в инфракрасную область фон теплового испускания резко возрастает и создаются условия для проявления отрицательной люминесценции.

Рис. 20. Положительная и отрицательная люминесценции на фоне теплового испускания

Наличие фона теплового испускания позволяет выводить вещество из состояния термодинамического равновесия в двух направлениях: в сторону увеличения и в сторону уменьшения запаса энергии. Вторую возможность Б. И. Степанов назвал отрицательным возбуждением.

Обычно в спектроскопии применяются горячие источники света (лампы, электрические дуги, искры) и лазеры. Облучение вещества светом от таких источников переводит квантовомеханическую систему в целом или ее часть на более высокие энергетические уровни. При отрицательном возбуждении, частицы, находящиеся на более высоких уровнях, переходят вниз и их общая энергия уменьшается.

Как показали Б. И. Степанов и Я. С. Хващевская [131, 132], для получения отрицательного возбуждения достаточно, в частности, в стандартной установке, предназначенной для измерения инфракрасных спектров, вместо горячего источника света поместить охлажденный предмет.

Следовательно, любой предмет, температура которого меньше температуры исследуемого образца, можно рассматривать как источник отрицательных потоков излучения.

Применение отрицательных световых потоков позволяет измерять все обычные спектроскопические характеристики вещества: коэффициенты поглощения и рассеяния, положение и контур полос поглощения и испускания, квантовый выход и поляризацию люминесценции, дихроизм и т. д. Все обычные формулы линейной оптики справедливы и для отрицательных значений потока света [130].

Отрицательная люминесценция — широко распространенное, хотя и мало заметное, явление. Ее можно возбуждать не только отрицательными потоками излучения, но и многими другими способами. Например, равновесную населенность нижних уровней на дне зоны проводимости можно уменьшить, если каким-либо путем сообщить электронам дополнительную энергию и перевести их на более высокие уровни.

Из всех систем исключением является, по-видимому, только гармонический осциллятор: отрицательная люминесценция в нем возбуждается только отрицательными световыми потоками [87].

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление