М и ни сте р ство о б р а зо ва ни я р о сси йско й ф е де р а ци и В о р о не ж ски й г о суда р стве нны й уни ве р си...
13 downloads
157 Views
132KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
М и ни сте р ство о б р а зо ва ни я р о сси йско й ф е де р а ци и В о р о не ж ски й г о суда р стве нны й уни ве р си те т Ф и зи ческ и й ф ак у л ьтет К а ф едр а о пт и ки и спект р о ско пи и
Ф отости м у л и рованная всп ы ш к а л ю м и несценци и М е то ди че ски е ука за ни я для студе нто в дне вно г о о тде ле ни я 4 – 6 кур со в, вы по лняющи х НИ Р и спе цпр а кти кум
Со ста ви те ли : Клю е в В .Г. Ла ты ш е в А .Н.
В оронеж - 2002
2
В ведени е В да нны х ме то ди че ски х ука за ни ях о пи са н М е то д Фо то сти мули р о ва нно й В спы ш ки Лю ми не сце нци и (ФСВ Л). Это т ме то д мо ж е т б ы ть пр и ме не н для и ссле до ва ни я стр уктур ы и электр о нны х сво йств пр и ме сны х це нтр о в и р а зли чны х де ф е кто в ш и р о ко зо нны х кр и ста лло ф о сф о р о в, и ме ющи х лю ми не сце нци ю в ви ди мо й и б ли ж не й ультр а ф и о ле то во й (У Ф) о б ласти спе ктр а . Это т ме то д да е т во змо ж но сть: - и зме р ять эне р г е ти че ско е р а спр е де ле ни е пр и ме сны х со сто яни й в за пр е ще нно й зо не кр и ста лла ; - о це ни ва ть и зме не ни е ко нце нтр а ци и де ф е кто в пр и р а зли чны х во зде йстви ях на кр и ста лл (о б луче ни е , во зде йстви е те мпе р а тур о й, эле ктр и че ски м и ли ма г ни тны м по ле м, а дсо р б ци я на по ве р хно стьи о но в, а то мо в, кла сте р о в...); - и зме р ять эне р г и и а кти ва ци и пр о це ссо в, пр и во дящи х к пе р е стр о йке пр и ме сны х де ф е кто в. При нци п м етода Ф СВ Л На р и сунке 1 пр и ве де на пр о сте йш а я зо нна я схе ма кр и ста лло ф о сф о р а , ко то р ы й и ме е т о ди н ти п це нтр о в ло ми не сце нци и (ур о ве нь 1) и о ди н ти п де ф е кто в, и ме ющи х г луб о ки й ур о ве ньэне р г и и (ур о ве нь2). N - ee- с N- ec hν люм hν люм ω2 δ2 Δ E2 hν И К=Δ E2 β α N2 n2 β N2 n2 N1
hν У Ф > Δ Eg
n1
N1
n1
δ1 v N
+
v
+
e a) б) Р и с. 1. Зо нна я схе ма кр и ста лло ф о сф о р а : a) – р е ж и м во зб уж де ни я (о све ще ни я) кр и ста лла У Ф и злуче ни е м; б ) – р е ж и м сти муляци и ФСВ Л (о све ще ни е кр и ста лла И К све то м). Смы сло б о зна че ни й пр и нят со г ла сно [1] и пр и ве де н в те ксте . В о вр е мя о све ще ни я кр и ста лла У Ф и злуче ни е м связа нны е электр о ны , на хо дящи е ся в ва лентно й зо не , по г ло ща ютква нты с эне р г и е й hν У Ф и пе р е хо дятв зо ну пр о во ди мо сти (р и с.1, пе р е хо д с па р а ме тр о м α). П р и это м во зни ка е т па р а сво б о дны х не р а вно ве сны х но си те ле й за р яда : электр о н в зо не пр о во ди мо сти е - (N- ко нце нтр а ци я та ки х эле ктр о но в) и ды р ка в ва ле нтно й зо не е + (N+ - ко нце нтр а ци я та ки х ды р о к). α – ско р о сть о б р а зо ва ни я (г е не р а ци и ) па р эле ктр о н-ды р ка . Ка к пр а ви ло , р е ко мб и на ци я сво б о дно г о эле ктр о на со сво б о дно й ды р ко й за пр е ще на пр а ви лами о тб о р а . П о это му (в р а мка х пр и нято й пр о сте йш е й мо де ли кр и ста лла) сво б о дны е ды р ки с ве р о ятно стью δ1 за хва ты ва ю тся (ло ка ли зуются на ..., пе р е хо дят
3
на ...) це нтр а ми люми не сце нци и , ко нце нтр а ци я ко то р ы х р а вна N1. А на ло г и чно сво б о дны е эле ктр о ны с ве р о ятно стью δ 2 за хва ты ва ются (ло ка ли зуются на ..., пе р е хо дят на ...) пр и ме сны ми це нтр а ми , ко нце нтр а ци я ко то р ы х р а вна N 2 и ли с ве р о ятно стью β р е ко мб и ни р уют с ды р ка ми , ло ка ли зо ва нны ми на це нтр а х люми не сце нци и с и злуче ни е м ква нто в hν лю м, ко то р ы е р е г и стр и р уются в экспе р и ме нте . В пр о це ссе во зб уж де ни я кр и ста лла ча сть не р а вно ве сны х эле ктр о но в ло ка ли зуе тся на це нтр а х за хва та N1 (n2 – ко нце нтр а ци я та ки х эле ктр о но в). Ч и сло ло ка ли зо ва нны х эле ктр о но в n2 на зы ва е тся за па се нно й све то суммо й (Sза па се нна я). П р и это м, в си лу за ко на со хр а не ни я за р яда , на це нтр а х люми не сце нци и N1 ло ка ли зо ва но та ко е ж е ко ли че ство ды р о к n1. П о сле вы ключе ни я во зб уж да юще г о У Ф све та и злуче ни е люми не сце нци и пр е кр а ща е тся. О дна ко кр и ста лл о ста е тся в во зб уж де нно м со сто яни и , та к ка к не р а вно ве сны е электр о ны и ды р ки ло ка ли зо ва ны на эле ктр о нны х и ды р о чны х це нтр а х за хва та в ви де за па се нно й све то суммы . В р е мя, в те че ни е ко то р о г о кр и ста лл не по две р г а е тся вне ш ни м во зде йстви ям, на зы ва е тся те мно вы м и нте р ва ло м (τте мн). В та ко м со сто яни и (е сли е - и е + ло ка ли зо ва ны на до ста то чно г луб о ки х ло вуш ка х) кр и ста ллмо ж е тна хо ди ться до лго . Е сли во вр е мя те мно во г о и нте р ва ла кр и ста лло све ти ть И К и злуче ни е м с эне р г и е й ква нта hν =Δ E2, р а вно й эне р г е ти че ско й г луб и не эле ктр о нно й ло вуш ки , то это и злуче ни е б уде тпе р е во ди ть ло ка ли зо ва нны е электр о ны в зо ну пр о во ди мо сти (пе р е хо д с па р а ме тр о м ω 2 на р и с. 1 б )). Д а ле е эти эле ктр о ны р е ко мб и ни р ую т с ды р ка ми , ло ка ли зо ва нны ми на це нтр а х люми не сце нци и (пе р е хо д с па р а ме тр о м β ), и в пр о це ссе о све ще ни я кр и ста лла И К све то м на б люда е тся кр а тко вр е ме нно е све че ни е люми не сце нци и до те х по р , по ка все ло ка ли зо ва нны е электр о ны пр о р е ко мб и ни р уютс ло ка ли зо ва нны ми ды р ка ми . П о сле до ва те льно сть пр о це ссо в: во зб уж де ни я кр и ста лла (τУ Ф ), те мно во й па узы (τте мн) и со б стве нно ФСВ Л (τИ К) в ви де за ви си мо сте й со о тве тствую щи х ве ли чи н о твр е ме ни и зо б р а ж е на на р и с. 2. В мо ме нт вр е ме ни t=0 на кр и ста лл на пр а вляе тся У Ф и злуче ни е , и нте нси вно сть ко то р о г о по сто янна (кр и ва я 1 на р и с. 2 а )). За ви си мо сть и нте нси вно сти люми не сце нци и о т вр е ме ни пр е дста вле на кр и во й 3 на это м р и сунке . На чи на я с вр е ме ни t=tст , и нте нси вно стьлюми не сце нци и пр а кти че ски не и зме няе тся. Это та к на зы ва е мы й р е ж и м “ ста ци о на р но й лю ми не сце нци и ”. И нте р ва л0>kT, что о зна ча е тω 2Т =0, то в (15) вме сто ω 2 сто и тω 2И К. Со г ласно (11) Jлюм = n0 ω 2И Кexp(- ω 2И Кt) = J0exp(-ω 2И Кt) (16) На ча льна я и нте нси вно стьФСВ Л р а вна J0 = n0 ω 2И К = n0 σ И КI (17) П о лна я вы све че нна я све то сумма р а вна пло ща ди по д кр и во й на р и с. 3 и за да е тся вы р а ж е ни е м:
Jлюм J0
∞
S = ∫ n 0ω2 И К exp(−ω2 И К t ) = n0
(18)
0
t Ср а вни ва я вы р а ж е ни я (17) и (18), мо ж но Р и с. 3. За ви си мо стьJлюм (t) со г ла - за ме ти ть, что ча стно е ве ли чи н J0 и S, сно (16). р а вно е
Kk =
J 0 n 0σ И К I = = σИ КI , S n0
(19)
не за ви си то тна ча льно г о за по лне ни я ло вуш е к и пр и I=const за ви си тто лько о тσ И К, т.е . ве ли чи на Кk=σ И КI ха р а кте р и зуе т эф ф е кти вно е се че ни е за хва та И К ква нто в це нтр а ми ло ка ли за ци и электр о но в. Эк сп ери м ентал ьны е зави си м ости п арам етров Ф СВ Л На экспе р и ме нта льно й уста но вке , ко то р а я упр а вляе тся ко мпьюте р о м и на хо ди тся в лаб о р а то р и и 132, и зме р яе тся за ви си мо сть Jлю м (t) во вр е мя
7
сти муляци и ФСВ Л И К све то м. О б ы чны й ви д та ко й за ви си мо сти пр е дста вле н на р и с. 4. В и дно , что экспе р и ме нта льна я кр и ва я о тли ча е тся о тте о р е ти че ско й (р и с. 3) ка к на на ча льно м уча стке (на чи на е тся со зна че ни я Jлюм (0)=0), та к и на ко не чно м (t∞ =10÷100 с). Это о зна ча е т, что пр о сте йш а я мо де ль не со о тве тствуе т р е а льно й ка р ти не р а спр е де ле ни я ур о вне й в за пр е ще нно й зо не кр и ста лла. Т о е сть в р е а льно м кр и ста лле чи сло по кр а йне й ме р е ур о вне й б о льш е двух. О дна ко , не смо тр я на это о б сто яте льство , для оценк и эле ктр о нны х сво йств кр и ста лло в, ка к пр а ви ло , и спо льзуе тся вы ш е пр и ве де нна я пр о сте йш а я мо де ль кр и ста лла в си лу е е стр уктур но й пр о сто ты и пр о сто ты а на ли ти че ски х р е ш е ни й (18) и (19). Jлюм (t)
Sвы све че нна я
∆ t0
0 t0
t∞
t, c.
Р и с. 4. Экспе р и ме нта льна я за ви си мо сть и нте нси вно сти люми не сце нци и в пр о це ссе и зме р е ни я ФСВ Л. П о это му за на ча льную све то сумму пр и ни ма е тся ве ли чи на t0
J0 = ∫ J люм ( t )dt ,
(20)
0
г де t0 - вр е мя, со о тве тствующе е пе р вы м не ско льки м то чка м на ча льно г о уча стка кр и во й, вы б и р а е мо е в за ви си мо сти о ткр ути зны это г о уча стка . П о лна я (вы све че нна я) све то сумма на хо ди тся и нте г р и р о ва ни е м кр и во й о т t=0 до t= t∞ , ко то р о е со о тве тствуе твр е ме ни , за ко то р о е и нте нси вно стьвспы ш ки уме ньш а е тся до ф о но вы х по ка за ни й уста но вки . t∞
S = ∫ J люм ( t )dt ,
(21)
0
И нте р пр е ти р уя р е зульта ты экспе р и ме нта , о сно вы ва ясь на пр о сте йш е й мо де ли кр и ста лла , счи та ю т, что вы све че нна я све то сумма , р а вна я ко нце нтр а ци и ло ка ли зо ва нны х электр о но в, пр о по р ци о на льна и ко нце нтр а ци и са ми х электр о нны х ло вуш е к, т.е . S~N 2, (22) а ве ли чи на Кk , ко то р а я на зы ва е тся ко эф ф и ци ент о м ки нет и ки Ф С В Л , пр и I=const пр о по р ци о на льна эф ф е кти вно му се че ни ю за хва та ф о то но в це нтр а ло ка ли за ци и эле ктр о но в, т.е . K k~σ 2 (23)
8
Cе че ни е за хва та ф о то но в σ 2 ха р а кте р и зуе т р а зме р це нтр а и пр и о пр е де ле нны х усло ви ях пр о по р ци о на льно чи слу а то мо в m в это м це нтр е , е сли о н являе тся ма ло а то мны м (~10<m