Параллельны ли горизонтальные линии?

3. Оптические свойства

Рассеяние и поглощение света наночастицами по сравнению с макроскопическим твёрдым телом имеет ряд особенностей. Экспериментально эти особенности наиболее отчетливо проявляются при изучении большого числа частиц. Так, коллоидные растворы и гранулированные плёнки могут быть интенсивно окрашены вследствие специфических оптических свойств наночастиц. Классическим объектом изучения оптических свойств дисперсных сред является золото. Еще Фарадей обратил внимание на подобие цвета коллоидного раствора и плёнки золота и высказал предположение о дисперсном строении последней.

При поглощении света тонкозернистыми плёнками металлов в видимой части спектра появляются пики поглощения, отсутствующие у массивных металлов (в металлах оптическое поглощение электронами проводимости происходит в широком диапазоне длин волн λ). Например, гранулированные плёнки из частиц Аu диаметром 4 нм имеют явно выраженный максимум поглощения в области λ = 560 ÷ 600 нм. Спектры поглощения наночастиц Ag, Cu, Mg, In, Li, Na, K также имеют максимумы в оптическом диапазоне.

Еще одной особенностью гранулированных плёнок является уменьшение их поглощения при переходе из видимой в инфракрасную область спектра в отличие от сплошных металлических плёнок, у которых поглощение излучения растёт с увеличением длины волны.

Размерные эффекты оптических свойств существенны для наночастиц, размер которых заметно меньше длины волны и не превышает 10 ÷ 15 нм.

Различия спектров поглощения наночастиц и массивных металлов обусловлены различием их диэлектрической проницаемости ε = ε1 + iε2. Диэлектрическая проницаемость наночастиц с дискретным энергетическим спектром зависит как от размера частиц, так и от частоты излучения. Более того, значение диэлектрической проницаемости зависит от частоты не монотонно, а осциллирует вследствие переходов между электронными состояниями.

Минимальное число частиц, необходимое для экспериментального исследования оптических свойств, составляет не менее 1010. Получить 1010 ÷ 1013 частиц одного размера и формы невозможно, поэтому в реальном эксперименте для ансамбля частиц эти осцилляции сглаживаются. Тем не менее даже усредненное по ансамблю значение ε отличается от значения диэлектрической проницаемости массивного вещества. Мнимая часть диэлектрической проницаемости обратно пропорциональна радиусу r частицы:

2,2()()()Arωεωεω∞=+, (1.2)

где ε∞2(ω) – мнимая часть диэлектрической проницаемости макроскопического кристалла; А(ω) – некоторая функция частоты. Экспериментальные результаты, полученные на частицах золота с r = 0,9 ÷ 3,0 нм при постоянной длине волны λ = 510 нм, подтверждают зависимость ε2 ~ 1/r. От размера частиц зависят также ширина полосы поглощения и форма низкочастотного края полосы поглощения. Уширение полосы поглощения света наночастицами Аu и Ag при уменьшении их размера наблюдали авторы.

Другим размерным эффектом является смещение резонансного пика поглощения света. Длина свободного пробега электрона в металлических частицах, диаметр которых меньше длины свободного пробега электронов λ∞ в массивном металле, равна радиусу частицы r. В этом случае при поглощении света эффективное время релаксации τеf можно представить в виде

11Fefvrττ−−=+, (1.3)

где τ = λ∞/vF – время релаксации в массивном металле; vF – скорость электрона на уровне Ферми. В пренебрежении межзонными переходами и при учёте движения только свободных электронов

212111/pefωεωτ=−+, (1.4)

где ωp = 4πNe2/m* – плазменная частота; N, e, m* – концентрация, заряд и эффективная масса свободных электронов. В теории Ми максимум поглощения света достигается при условии εm = –ε1(ω1); с учётом этого для очень малых частиц с τеf–1 ~ vF/r из (1.4) следует выражение для резонансной частоты

1/2221212pFmvrωωε⎛⎞=−⎜⎜+⎝⎠ . (1.5)

Согласно (1.5) резонансная частота уменьшается при уменьшении размера частицы, т.е. полоса поглощения должна смещаться в низкочастотную область. Красное смещение резонансного пика поглощения света при уменьшении размера частиц предсказывает теория. С другой стороны, квантовомеханические расчеты предсказывают повышение частоты резонансного пика, т.е. голубое (синее) смещение полосы поглощения при уменьшении размера наночастиц.

Экспериментальные результаты по смещению частоты резонансного поглощения в зависимости от размера наночастиц также противоречивы. В ряде работ при уменьшении размера частиц Ag от 10 до 1 нм наблюдали сильное красное смещение пика поглощения, тогда как в других наблюдали, что положение пика поглощения частиц Ag и Аu диаметром 2,5 - 10,0 нм не зависит от размера частиц. Еще в ряде работ установлено голубое (синее) смещение пика поглощения наночастиц Ag при уменьшении их размера до 1 - 2 нм работам.

Показано, что в зависимости от степени размытия электронного облака по поверхности частицы может наблюдаться как голубое (синее), так и красное смещение; для перехода от одного эффекта к другому достаточно незначительного изменения размера области диффузного размытия электронов. Ширина полосы поглощения света является сложной функцией размера частиц и достигает максимума вблизи D ≈ 1,1 нм.

В последние годы большой интерес вызывают исследования размерных эффектов на оптических и люминесцентных свойствах полупроводниковых веществ, так как оптическое поглощение – один из основных методов изучения зонной структуры полупроводников.

В полупроводниках энергия межмолекулярных взаимодействий велика, поэтому при описании электронных свойств макроскопический полупроводниковый кристалл можно рассматривать как одну большую молекулу. Электронное возбуждение полупроводниковых кристаллов приводит к образованию слабосвязанной электронно-дырочной пары – экситона. Область делокализации экситона может во много раз превосходить период кристаллической решётки полупроводника.

Таким образом, специфические свойства полупроводниковых наночастиц обусловлены тем, что размер наночастиц сравним как с размерами молекул, так и с воровским радиусом экситонов в макроскопическом кристалле rex ~ n2η2ε/μexe2; μex = memh/(me + mh) – приведенная масса экситона; me и mh – эффективные массы электрона и дырки; n = 1, 2, 3,...). Для полупроводников боровский радиус экситона меняется в широких пределах – от 0,7 нм для CuCl до 10 нм для GaAs. Энергия электронного возбуждения изолированной молекулы обычно заметно больше энергии межзонного перехода (ширины запрещенной зоны) в макроскопическом полупроводнике. Отсюда следует, что при переходе от кристалла к молекуле, т.е. при уменьшении частицы должна существовать область размеров, в которой энергия электронного возбуждения плавно меняется от меньшего значения к большему.

Иначе говоря, уменьшение размера полупроводниковых наночастиц должно сопровождаться смещением полосы поглощения в высокочастотную область. Проявлением этого эффекта является голубое (синее) смещение экситонной полосы поглощения полупроводниковых наночастиц при уменьшении их размеров. В наиболее изученном полупроводнике CdS голубое (синее) смещение полосы поглощения наблюдается для наночастиц с D ≤ 10 ÷ 12нм.

В макроскопическом кристалле энергия экситона Е состоит из ширины запрещенной зоны Eg (разности энергий между зоной проводимости и валентной зоной), уменьшенной на энергию связи электрона и дырки (эффективную энергию Ридберга ЕRy = μexе4/2n2η2), и кинетической энергии центра тяжести экситона. Для полупроводниковой наночастицы радиуса r последнее слагаемое равно n2π2η2/2μexr2, т.е. обратно пропорционально квадрату радиуса. Более строгий анализ влияния размеров наночастицы на энергию экситона и учёт кулоновского взаимодействия электрона и дырки дают следующее выражение:

22221,780,2482gRyrexnEEErrπμε=−+−h , (1.6)

Сумма первого и третьего слагаемых в (1.6) представляет собой эффективную ширину запрещенной зоны. Из (1.6) следует, что уменьшение размера частиц должно сопровождаться ростом эффективной ширины запрещенной зоны. Именно такой эффект уширения отмечен на наночастицах CdTe: при переходе от массивного кристалла к наночастицам диаметром 4 и 2 нм эффективная ширина запрещенной зоны увеличилась с 1,5 эВ до 2,0 и 2,8 эВ соответственно. Рост ширины запрещенной зоны тонкодисперсного порошка Si3N4 в сравнении с массивным кристаллом обнаружен при изучении ИК- и флуоресцентных эмиссионных спектров.

Поскольку энергия возбуждения экситона Е = ηω (ω – частота падающего света), то из уравнения (1.5) следует, что с уменьшением размера наночастиц линии оптического спектра должны смещаться в высокочастотную область. Такое смещение (до 0,1 эВ) полос поглощения наблюдали в спектрах наночастиц CuCl (D = 31, 10 и 2нм), диспергированных в стекле,.

4. Заключение.

Тема Оптика и Оптические явления в природе очень интересна и увлекательна , ведь оптика окружает нас везде. Из этого реферата можно узнать: что такое оптика, какие оптические явления бывают в природе и.т.д. Этот реферат открывает новые интересы к физике как увлекательной науке, которая затягивает в себя необычными явлениями. Из этого реферата можно извлчь не только пользу, но и совершить интересное путешествие в мир Оптики.

5. Список литературы

www.twirpx.com

gazeta.aif.ru

www.openclass.ru