半导体光学15激子的光学性质教学教材.ppt

第14章 激子的光学性质 14.1 激子—光子相互作用 1.弱耦合(微扰论描述.) ①光子吸收系数 由K-K关系,可得在远离共振条件下, 折射率 ②虚激发过程： 电子系统初态为 光子 跃迁到虚中间态, 经过时间 ,返回 结果是光子的相速度 减小. 当 ,这是因为 吸收 2.强耦合—激子极化激元 ①算符 ▲激子 ●产生与消灭算符： ●玻色子： 条件:在 内平均e-h对数目要小,d为维度. ●非相互作用激子气哈密顿量 ▲光子 ▲光子与激子相互作用系统 其中 为耦合系数,包含跃迁矩阵元. ▲激子极化激元算符 并且满足 于是 即H对角化. 描述激子极化激元的类激子特征, 描述激子极化激元的类光子特征. UPB ②附加边界条件（ABC） ●一般边界条件 只有两个：法向，切向,因此无法确定 这三个量. ● ABC： 佩卡条件： 即激子不能从样品中 逸出,因而样品表面处的激子极化强度为零. 进一步修正：在一定厚度的表面层中不存 在激子,即存在无激子层. ●最小厚度为激子玻尔半径.由于外加电场可致激子电离,因此外加电场可使无激子层厚度增加. ●入射光多次反射,然后以多模形式在半导体中传播. ●很好地说明了实验结果. 14.3 反射谱 透射谱 发光谱 1. 能带 ①底导带由 ,顶价带由 产生. ②产生的激子: 为单态激子, 为 三重态激子,与光场耦合微弱,属于偶极禁戒跃迁,在反射谱上没有显示. ③ 激子在 激子在 光场强耦合,即可以 产生激子极化激元. 方向上分别与 ④B价带的线性项(源于 使得单态激子 与三重态激子 合, 该混合态与光子耦合,产生附加激子极化激元. ﹡时间反演对称性：t→-t,系统的运动规律不变，即运动规律不变和时间流逝的方向的先验取法无关，这种对称性就是运动反演对称性。 混 ①反射率 这是由于空间散射的存 在,激子频率附近无禁带. 2.反射谱 ②比较耦合系统的反射率： 激子频率处R与耦合系统的反射率 最接近.由于 因此对应激 子激发态的反射率减弱,R的最大值消失, 与 更加接近. ③对应R最小值频率 UPB从 开始, 线型分析,可以确定 借助复杂的 ④无激子层厚度对R的影响. ●无激子层存在使得R中 附近存在一个 “尖峰”，与实验结果相符,主要是由于无激子层中光的多次反射,也与UPB开始有关. ●随着无激子层厚度的增加,整个R谱“反转”. ⑤带间跃迁区域,R平坦无结构. ⑥C激子位于2.61eV(A, B激子的连续区),在R谱标度之外.即使低温下也无法显示(相当短的位相驰豫时间,即强衰减). ⑦随着温度升高,激子谱展宽,室温下难以观察(热电离).掺杂情况也如此. ⑧ZnO中 激子,在 情况下 与光子产生强耦合. 3.吸收谱 透射谱 ①激子极化激元的共振吸收不易测量. 这是因为共振区吸收系数 若样品的厚度 透射光 很弱,与光谱仪的散射 光可比或更小.激子共振吸收产生的变化不明显. ②吸收边： ～ 吸收系数 在能量 范围 ～ 内下降3～4数量级之多. ③ 激子透射谱