Kĩ thuật phân tích vật liệu rắn - Tổng quan về quang phổ biến điệu

Quang phổ học biến điệu
GVHD: GS.TS Lê Khắc Bình
HVTH: Nguyễn Thanh Lâm

•
Dịch tiếng anh chuyên nghành trực tuyến:
/>•
Học liệu mở:
/>
Nội dung
I.Khái niệm về quang phổ biến điệu
II.Cơ sở lí thuyết
III.Các phương pháp quang phổ biến điệu
IV.Hàm điện môi tổng quát 1, 2 và 3 chiều

I.Khái niệm

Trình tự xác định cấu trúc vùng năng
lượng
Mô hình hóa thế tương tác giữa electron và môi trường
tinh thể, giải phương trình Schrodinger tìm hàm riêng
và trị riêng.
Kiểm tra lại kết quả tính toán bằng thực nghiệm >
Chiếu ánh sáng vào vật liệu, đoán nhận phổ và phân
tích (phương pháp quang phổ).
Mô phỏng (Gói phần mềm Castep trong Materials
Studio 5.0,…).
Bước I
Trung gian
Bước II

Phổ phản xạ của GaAs tại
nhiệt độ phòng.
Phổ điện phản xạ của GaAs tại
nhiệt độ phòng.
So sánh phương pháp quang phổ biến điệu và phương
pháp quang phổ phản xạ thông thường


Hệ đo quang phản xạ (PR)


II.Cơ sở lí thuyết
•
Phần ảo của hàm điện môi được tính bằng phép gần
đúng bán cổ điển:


Hàm mật độ trạng thái
∫
∇
=
BZ
cvk
vc
kE
dS
J
|)(|)2(
1

3
π

Các điểm tới hạn
∫
=
−∇
=
S
Ecvvck
vc
kEkE
dS
J
ω
π
ω


|)]()([|)2(
2
)(
3
0)()()( =∇−∇=∇ kEkEkE
vkckk

Điểm tới hạn là những điểm trong vùng Brillouin thõa mãn
điều kiện:
Có thể có hai trường hợp:

Hàm mật độ trạng thái gần các điểm tới hạn

Phần ảo của hàm điện môi gần các điểm tới hạn

Các phương pháp biến điệu phổ quang học
Ngun tắc
Hằng số điện môi gần các điểm tới hạn ba chiều
ε = b(ω - ω
c
)
1/2
+ const
Đạo hàm của ε theo một thông số ξ nào đó
)
)(
2
c
c
c
d
db
d
d
b
d
d
ωω
ξξ
ωω
ωω

ξ
ε
−+
−
−
=
Với tần số của photon ω ≈ ω
c
số hạng thứ nhất rất lớn ,số
hạng thứù hai rất nhỏ .

→
Trên phổ biến điệu, nền khá lớn không có cấu trúc
được loại bỏ, những cấu trúc của phổ trong miền chuyển
mức ở các điểm tới hạn trong vùng Brillouin được làm
nổi bật lên .
→
Các điểm đặc trưng yếu không quan sát được trên các
phổ thông thường cũng có thể được tăng cường trên các
phổ biến điệu.
→
Nhờ bản chất vi phân của nó, trên các phổ đó có thể
quan sát một số lớn đỉnh nhọn ngay cả ở nhiệt độ phòng .

III.Các phương pháp quang phổ biến
điệu
Cách phân loại thứ nhất:

Có hai khả năng chọn thông số lấy vi phân ξ
* Nếu ξ = ω : phương pháp biến điệu theo bước sóng

của ánh sáng .
* Nếu ξ = ω
c
: phương pháp biến điệu bằng các nhiễu
loạn ngoài tác dụng lên mẫu để làm biến
thiên ω
c
.
( Nhiệt độ, áp suất, điện trường hoặc từ trường ).
)
)(
2
c
c
c
d
db
d
d
b
d
d
ωω
ξξ
ωω
ωω
ξ
ε
−+
−

−
=

Áp suất

Nhiệt độ
•
Làm dãn nở > tương đương áp suất thủy tĩnh
•
Làm thay đổi số phonon > chỉ ảnh hưởng đến các chuyển mức nghiêng


Điện trường. Điện trường làm mất tính đối xứng tònh
tiến của tinh thể, ít nhất là theo chiều của điện trường,
vì khi đó Hamiltonian được bổ sung thêm thế năng
dạng -eEr ( với trường đều ) không có tính bất biến
tònh tiến.

Từ trường. Khi đặt từ trường lên tinh thể, đối xứng
tònh tiến cũng bò vi phạm theo mọi chiều trừ chiều của
từ trường.
Phổ biến điệu không phải là phổ vi phân theo đúng
nghóa của nó.

M
1
M
2
M
0

M
1
M
2
M
0
M
3
Cách phân loại thứ hai

Biến điệu theo điện trường

Hiệu ứng Franz-Keldysh
•
Hiện tượng: Sự dao động của phần ảo của hàm điện môi trên khe năng
lượng.