Пьезоспектроскопия. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Пьезоспектроскопия - прецизионный метод исследования зависимости свойств твёрдых тел от внеш. давления методами оптич. спектроскопии. Особенно эффективна П. для изучения электронных свойств полупроводников, зависящих от их зонной структуры, в частности от ширины запрещённой зоны

Т. к.

зависит от межатомного расстояния (межатомной связи), то с увеличением давления p можно было бы ожидать роста

Оказалось, что в прямозонных полупроводниках

действительно обычно растёт (исключение - Те и халькогениды Pb ). В кристаллах с неск. минимумами функции

в зоне проводимости (

- энергия электрона,

- его импульс) для одних минимумов

растёт, для других - убывает. Напр., при увеличении давления

в Ge увеличивается с градиентом 7,5·10^-3 эВ/кбар (в InSb и GaAs - 12·10 эВ/кбар), но при r

50 кбар X-минимум зоны проводимости становится ниже i-минимума, что означает уменьшение

с ростом давления (рис.). Т. о., отрицат. значение

означает, что величину

начинает определять др. минимум, чем при нормальном давлении.

Изменение ширины запрещённой зоны

в зависимости от давления для Si и Ge.

Теория, описывающая влияние давления на электронный спектр, построена для ковалентных и ионных кристаллов. Отражение и поглощение света в полупроводнике (а также фотопроводимость)определяются зависимостью диэлектрич. проницаемости от частоты w (см. Диэлектрики ).Действительная e' и мнимая e'' части функции e(w) связаны с коэф. поглощения a и преломления n света соотношениями

(m - магн. проницаемость). Зависимость e(w) определяется электронами и ионами кристалла. Электронная часть диэлектрич. проницаемости

. В случае, когда энергия светового кванта

превышает ширину запрещённой зоны

полупроводника,

, определяемое Крамерса-Кронига соотношением, меняется с давлением незначительно, а изменения

даются ф-лой

Здесь т - масса электрона, М₁, М₂, М₃ - гл. компоненты тензора приведённой массы М =(m_Э^-1+m_д^-1)^-1, m_э, m_д - гл. компоненты тензора эффективной массы электрона и дырки, е - заряд электрона, - вектор поляризации света, е - матричные элементы операторов импульса электронов (дырок). Множитель

отражает зависимость плотности, состояний в зоне проводимости (валентной зоне) от энергии кванта. Матричные элементы е слабо зависят от давления (как и постоянная решётки). Незначительно меняются и эфф. массы носителей, т. е. М. Осн. влияние давления связано со сдвигом электронных уровней, определяющих плотность состояний. Давление позволяет не только сдвигать электронные уровни, но и изменять электронный спектр.

По спектральной зависимости коэф. поглощения света

можно определить

в исходном и деформированном кристаллах;

изменяется с ростом давления примерно на b10^-5- 10^-6 эВ/кбар.

Вклад ионов в функцию e(w) слабо зависит от давления. Изменения

отражают в осн. изменения фононного спектра с давлением. В случае ковалентных кристаллов частоты оптич. продольных LO- и поперечных TO-колебаний решётки растут с давлением, а частоты акустич. LA- и ТА -колебаний падают (см. Колебания кристаллической решётки). Изменение межатомного расстояния под действием давления меняет конфигурацию электронной оболочки колеблющихся атомов, поэтому меняется и эфф. заряд ионов (знак изменения возможен любой).

Все вышеперечисленные эффекты проявляются при однородном гидростатич. давлении. В то время как оно не меняет симметрию решётки, одноосное напряжение понижает симметрию системы и поэтому приводит к расщеплению первоначально вырожденных уровней. Новый тип симметрии кристалла зависит от направления, в к-ром приложено напряжение.

Одноосные напряжения изменяют симметрию зоны Бриллюэна. Поскольку нек-рые точки k в зоне становятся при этом неэквивалентными, приложение одноосного напряжения приводит к дополнит. расщеплению уровней. Это детально проверено при исследовании пьезопоглощения света у края межзонного перехода и пьезоотражения в др. критич. точках. Именно так была подтверждена интерпретация края поглощения в Ge и Si, где минимум зоны проводимости расположен в точке L и на оси D.

Метод П. эффективен при изучении симметрии примесных и экситонных состояний. В случае мелких примесей или слабосвязанных экситонов прежде всего существенно влияние напряжения на структуру энергетич. зон. Затем устанавливают, как это сказывается на связанных состояниях, происходящих от разл. критич. точек. У глубоких примесей энергия связи зависит больше от конфигурации ближайших атомов и ионов, чем от сдвигов зон. Поэтому влияние одноосного напряжения на примесные уровни тем сильнее, чем глубже потенциал примеси и чем больше локализованы волновые функции.

Литература по пьезоспектроскопии

Знаете ли Вы, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.