Физическая энциклопедия - спектры кристаллов

оптические, спектры поглощения, люминесценции, фотопроводимости, комбинационного рассеяния света (КРС) и отражения, возникающие при вз-ствии света с в-вом в крист. состоянии и лежащие в оптич. диапазоне длин волн (от далёкой ИК до УФ области). С. к. обусловлены квантовыми переходами между уровнями энергии, принадлежащими как осн.

в-ву, так и примесям кристалла. Наряду с узкими спектр. линиями С. к. могут содержать широкие спектр. полосы (ширина в волн. числах изменяется от долей до неск. тыс. см-1) и участки непрерывного спектра, простирающиеся на десятки тыс. см-1. Вид спектра зависит от типа кристалла, хим. состава, несовершенства структуры. Методика получения С.

к. аналогична используемой в ат. и мол. спектроскопии (см. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ), однако в спектроскопии кристаллов часто применяется глубокое охлаждение образца, а для исследования анизотропных кристаллов применяют поляризованный свет. Уровни энергии кристалла группируются в энергетич.

зоны (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ). При переходах между зонами (межзонных переходах) возникают широкие спектр. полосы. Длинноволновой край спектр. полосы межзонного, или фундаментального, поглощения может лежать в ИК (полупроводники), видимой (кристаллофосфоры) и УФ (диэлектрики, мол. кристаллы) областях спектра. Поглощение и испускание света при межзонных переходах может происходить без возбуждения колебаний крист.

решётки фононов (прямые переходы) или с участием фононов (непрямые переходы). Показатель поглощения при прямых межзонных переходах может достигать больших значений (=104-105 см-1), поэтому фундам. поглощение исследуется в тонких образцах или по спектрам отражения. При межзонном поглощении света эл-н из валентной зоны переходит в зону проводимости, в валентной зоне при этом образуется дырка; при рекомбинации эл-на и дырки возникают спектры рекомбинац. люминесценции. Эти процессы ответственны за фотопроводимость кристалла, спектры возбуждения к-рой, наряду со спектрами поглощения и люминесценции, позволяют изучать структуру энергетич. зон кристалла. Кроме процессов рождения несвязанных между собой эл-на и дырки, возможны переходы, при к-рых рождаются экситон эл-н и дырка, связанные кулоновскими силами. Экситонные полосы поглощения и люминесценции лежат с длинноволновой стороны края фундам. поглощения и смещены от него на величину, соответствующую энергии кулоновского вз-ствия.

При комнатной темп-ре экситонные полосы уширены до величины =102 см-1. При понижении темп-ры в спектрах проявляется структура, связанная с бесфононными переходами и с переходами с участием конечного числа оптич. фононов. В спектрах экситонов большого радиуса проявляется структура, обусловленная разл. энергетич. состояниями экситона, к-рый можно рассматривать как водородоподобную ч-цу.

Экситоны с большим дипольным моментом, взаимодействуя со световым полем, образуют светоэкситоны, или поляритоны, и создают поляритонные полосы, к-рые явл. длинноволновыми продолжениями экситонных полос. Помимо спектр. полос, связанных с электронными переходами в атомах осн. в-ва, в С. к. существуют полосы и линии, связанные с локальными нарушениями крист.

решётки дефектами (дислокациями, примесями и др.). В энергетич. структуре кристалла могут появляться локализованные уровни энергии внутри запрещённой зоны, принадлежащие дефектам крист. решётки. В зависимости от хар-ра проявления дефекта в С. к. их наз. центрами окраски, центрами люминесценции или просто примесными центрами. Все атомы кристалла находятся в поле колеблющихся соседних атомов, поэтому уровни энергии кристалла вследствие динамич.

Штарка эффекта уширены (т. н. электрон-фононное уширение). Это уширение уровней (и, следовательно, спектр. полос) однородно, время его релаксации =10-12 с, а величина при комнатной темп-ре составляет =102-103 см-1. Только спектры примесных атомов переходных и редкоземельных групп имеют узкие (=10 см-1) линии поглощения и люминесценции, т.

к. оптич. переходы в этих элементах осуществляются эл-нами внутр. оболочек, экранированных от влияния поля соседних атомов. В крист. поле уровни энергии примесного атома расщепляются. По хар-ру расщепления можно судить о симметрии крист. поля. При понижении темп-ры линии люминесценции сужаются, увеличивается относит. вероятность чисто электронных переходов (бесфононных; см.

ШПОЛЬСКОГО ЭФФЕКТ)). В спектрах поглощения проявляется структура, связанная с неодинаковостью положения примесных атомов в разных точках кристалла, т. н. неоднородное уширение, составляющее от долей до сотен см-1 в зависимости от степени упорядоченности кристалла. Возбуждение колебаний ядер решётки также приводит к уширению линий электронных переходов. Если при колебаниях решётки наводится дипольный момент, то эти колебания проявляются в спектрах ИК поглощения. Колебания, меняющие поляризуемость молекул, проявляются в спектрах КРС. В мол. кристаллах колебат. спектр сохраняет черты колебат. спектра молекул, образующих кристалл, в ионных кристаллах спектр определяется св-вами всей решётки. В спектрах поглощения или рассеяния кристаллов, обладающих упорядоченной спиновой подрешёткой (напр., антиферромагнетиков), могут проявляться возбуждения магн. дипольного момента (магноны, спиновые волны). Симметрия крист.

поля определяет выделенные направления дипольного момента переходов. Наличие таких направлений проявляется в разл. степени поляризации люминесценции кристаллов и в разл. коэфф. поглощения света, поляризованного вдоль и перпендикулярно оптич. оси кристалла (см. ДИХРОИЗМ). Изучение С. к. необходимо для установления энергетич.

структуры кристалла, изучения его строения, наличия примесей и дефектов и т. д. Кристаллофосфоры используются в люминесцентных источниках света, экранах электронных приборов и т. д. Нек-рые из люминесцирующих кристаллов явл. активной средой лазеров. .