Магнитооптические явления

Магнитооптическими называют явления, в которых проявляется влияние магнитного поля на излучение и распространение света. К ним, в частности, относятся эффекты Фарадея, Коттона-Мутона, Керра и циклотронный резонанс.

Эффектом Фарадея называется поворот плоскости поляризации света, прошедшего сквозь среду, находящуюся во внешнгл5 MaiHHTHOM поле. Поворот плоскости иоля-рпзацин возникает вследствие различия фазовых скоростей циркулярно-полярпзован-ных волн с правым и левым вращением, на которые распадается линейио-поляризовап-ная волна в гиротропной среде. В общем случае угол удельного (на единицу длины) поворота плоскости поляризации

где Я - длина волны; и 4. и п- - вещественные компоненты показателей преломления для право- и левополяризованных волн.

В ферромагнитных материалах для света, распространяющегося вдоль направления намагниченности насыщения Ms, удельное фарадеевское вращение плоско-сги поляризации

где /( - постоянная Кундта; F считается положительным, если при распространении света вдоль направления магнитного ноля плоскость поляризации вращается по часовой стрелке.

Добротность или качество магнитооптических сред оценивается отношением 2f/a, где а - коэффициент поглощения в законе ослабления интенсивности света /= =/оехр(-а/). Параметры некоторых ферромагнитных материалов при температуре 300 К приведены в табл. 3-2 [3-6].

Эффект Фарадея в полупроводниках обусловлен поляризацией как связанных, так и свободных электронов.

Таблица 3-2 Магнитооптические характеристики веществ

Эффектом Коттона-Мутона (или Фох-та) называют двойное лучепреломление света, распространяющегося перпендикулярно к направлению магнитного поля. При этом линейно-поляризованная волна пре-

образуется в общем случае в эллиптически-поляризованную волну. Эффект возникает вследствие различия фазовых скоростей обыкновенной и необыкновенной волн, на ксторые распадается линейно-поляризованная волна в поперечно-намагниченной среде.

Магнитооптический эффект Керра проявляется во влиянии намагниченности ферромагнитного материала на поляризацию отраженного от его поверхности света. Как и эффект Фарадея, ои обусловлен различием показателей преломления намагниченной среды для право- и левополяризованных волн. В зависимости от взаимной ориентации плоскости падения света и намагниченности различают три разновидности магнитооптического эффекта Керра. Полярный эффект возникает, когда вектор намагниченности перпендикулярен к отражающей поверхности; в меридиональном (продольном) эффекте вектор намагвичги-нссги параллелен как отражающей поверхности, так и плоскости падения; при экваториальном (поперечном) эффекте вектор намагниченности параллелен отражающей поверхности, но перпендикулярен плоскости падения.

Циклотронным эффектом называют тенденцию носителей заряда закручиваться в спираль вокруг направления магнитного поля с угловой частотой (Ис==егВ1ти называемой циклотронной, при которой поглощение света достигает максимума, а ширина резонансной кривой равна частоте соударений Vi = l/ei, т. е. позволяет определить время свободного пробега бг.

Внутренний фотоэффект

Внутренним фотоэффектом называют явления, происходящие внутри кристаллической решетки при воздействии светового потока и приводящие к перераспределению электронов по энергетическим состояниям и изменению электрических свойств освещаемого образца - его проводимости и внутреннего электрического поля. В отличие от внешнего фотоэффекта, заключающегося в эмиссии электронов, при внутреннем фотоэффекте происходит изменение только энергетического состояния электронов, приводящее к изменению концентрации свободных носителей заряда или их подвижности, а также к перераспределению их внутри кристалла. Если внешний фотоэффект наблюдается при освещении любых веществ, то внутренний фотоэффект характерен тольк)э для полупроводников и диэлектриков.

В случае внутреннего фотоэффекта первичным процессом является световая ин-жекция избыточных носителей заряда. Образование неравновесных носителей здесь происходит при поглощении энергии световых квантов. Этот процесс зависит как от внешних факторов (интенсивности и длины световой волны), так и от внутренних (геометрии образца, коэффициента поглощения, диффузии и рекомбинации).

В зависимости от способа наблюдения внутреннего фотоэффекта он может приводить к вторичным явлениям самого различного характера. Так, в отсутствии внешних полей неравномерное освещение однородного полупроводника приводит к возникновению электрического поля, связанного с кристалл-фотоэффектом.

Если на пластинку полупроводника падает свет, то между освещенной и параллельной ей неосвещенной поверхностью возникает ЭДС. Появление ЭДС может быть связано со значительным диффузионным током избыточных носителей заряда, вызывающим падение напряжения на образце. Однако ЭДС возникает и в случае тонкой пластинки, когда диффузией можно пренебречь. При этом фото-ЭДС будет обусловлена разностью между квазиуровнями Ферми на передней (освещенной) и задней поверхностях. Возникновение разности потенциалов между освещенной и затемненной частями однородного полупроводника может происходить и в результате биполярной диффузии носителей заряда с разными подвижностями. Фотодиффузиои-ную разность потенциалов иногда называют ЭДС Дембера.

При наблюдении внутреннего фотоэффекта в магнитном поле обнаруживается фотомагнитоэлектрический эффект (эффект Кикоина - Носкова). Он заключается в возникновении электрического поля, направленного перпендикулярно световому потоку и магнитному полю в полупроводнике. Это электрическое поле образуется в результате отклонения магнитным полем диффузионного тока фотоэлектронов р фотодырок, образующихся вблизи освещенной поверхности. Поэтому фотомагнитный эффект можно рассматривать как эффект Холла на фотодиффузионном токе. Прямая пропорциональность фотомагнитного эффекта интенсивности освещения и напряженности магнитного поля (при небольших освещен-ностях и магнитных полях) дает возможность создать на его основе приемники инфракрасного излучения и магнетометры.

При наблюдении внутреннего фотоэффекта во внешнем электрическом поле обнаруживается фоторетстиеный эффект. Он заключается в изменении электрической проводимости полупроводника под действием освещения. Изменение проводимости происходит в результате появления неравновесных носителей (А/г, Ар), возникающих при поглощении фотонов. При этом прирост проводимости Ао=е(цкДи-Ь[*рДр).

Люминесценция

Люминесценцией называют явление поглощения веществом энергии с последующим электромагнитным излучением в видимой области спектра или близкой к ней. Точнее, люминесценцию определяют как избыток над тепловым излучением тела в данной спектральной области, если этот избыток обладает длительностью, значительно

превышающей период световых колебаний. В зависимости от способов возбуждения люминесценции различают: фотолюминесценцию (за счет поглощения энергии света), электролюминесценцию (при поглощении электрической энерии), катодолюминесцен-цию (при бомбардировке электронами), рентгенолюминесценцию (от рентгеновского излучения), раднолюминесценцию (от гамма-лучей), триболюмннесценциго (при механическом воздействии), хеми- и биолюминесценцию (при химических и биологических процессах). Если люминесценция происходит во время возбуждения, то ее называют флюоресценцией; если она продолжается некоторое время после окончания возбуждения - фосфоренценцией.

Различие между видами лю. инесценции связано с процессом поглощения энергии, а не с тем, как она превращается в световую. Известны два основных типа люминесцентного излучения. Согласно одному из них-излучение фотона происходит в акте рекомбинации пары электрон - дырка. Подобные процессы происходят, в частности, при инжекции неосновных носителей вблизи р-п перехода. Такое излучение наблюдается в кристаллах CdS, SiC, Ge, Si и некоторых полупроводниковых соединениях А 1В. Второй, нерекомбинационный механизм связан с переходом люминесцентного центра из возбужденного состояния в основное. Процессы такого рода наблюдаются в фосфоре и сульфиде цинка (ZnS- Си, Мп). Возбуждение происходит здесь при столкновении с электроном, разгоняемым сильным локальным электрическим полем.

Электролюминесцентные ячейки используются в области освещения, индикации и системах обработки информации, в частности в оптоэлектронике. Параметры отечественных электролюминофоров приведены в табл. 3-3 [3-7],

Таблица 3-3 Характеристики электролюмннофоров

Примечание. Данные по яркости свечения приведены для электролюминесцентных конденсаторов, изготовленных с применением эпоксидного лака ЭП-96, при толщине электролюминесцентного слоя 60 мкм, напряжении 220 В и частоте 400 Гц.

3-. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДИЭЛЕКТРИКАХ

Поляризация диэлектриков

Основными электрическими процессами, возникающими в диэлектриках под воздействием приложенного напряжения, являются процессы поляризации, электропроводности и пробоя диэлектриков.

Поляризация представляет собой обратимое смещение электрически заряженных частиц, входящих в состав диэлектриков. Различают следующие основные виды поляризации: электронная, ионная, дипольная, спонтанная и некоторые другие.

Процесс поляризации диэлектриков описывается уравнением Клаузиуса - Мосотти

8,-1

ег + 2

где бг - относительная диэлектрическая проницаемость электроизоляционного материала; По - число частиц (молекул, ионов) в 1 материала; а=аэ-1-аи-1-ад - поляризуемость частицы (молекула, ион); Кэ- электронная поляризуемость; Ки-ионная поляризуемость; - дипольная поляризуемость; Р - поляризованность диэлектрика; бо - электрическая постоянная.

Уравнение Клаузиуса - Мосотти устанавливает связь между практической характеристикой материала - относительной диэлектрической проницаемостью бг, физической постоянной материала а и числом поляризующихся частиц в единице объема диэлектрика По.

Электронная поляризация представляет собой процесс упругого смещения электронов (электронных орбит) относительно ядра во всех атомах диэлектрика. Процесс электронной поляризации происходит за время 10-i! io-t6 с Электронная поляризация имеет место во всех диэлектриках.

Электронная поляризуемость Кэ зависит от структуры частицы. Чем больше радиус молекулы или иона, тем больше Кэ и бг данного диэлектрика. В пропорциональной зависимости от числа частиц по в единице объема диэлектрика находится и е,-. С нагреванием, когда плотность диэлектрика уменьшается, наблюдается уменьшение 8г иеполярного диэлектрика.

У диэлектриков с чисто электронной поляризацией 8г численно равна квадрату показателя преломления света.

Ионная поляризация представляет собой упругое смещение под действием электрического поля ионов относительно центров их равновесия. Поляризация ионного смещения происходит за время, сравнимое со временем собственных колебаний ионов, и составляет 10~-10 с.

Интенсивность процесса ионной поляризации в уравнении Клаузиуса - Мосотти

а = 2е2/6.

где е - заряд иона; Ъ - коэффициент упругой связи между ионами.

С повышением температуры ионного диэлектрика к возрастает в связи с ослаблением упругих сил в ионном диэлектрике и увеличением амплитуды колебаний иона. Поэтому интенсивность процесса ионной поляризации возрастает с повышением температуры. В ионных диэлектриках одновременно с поляризацией ионного смещения развивается также процесс электронной поляризации. Эффект поляризации у большинства ионных диэлектриков возрастает с повышением их температуры.

Электронная и ионная поляризации представляют собой виды деформационной поляризации, не вызывающие потерь энергии в диэлектриках. Процессы поляризации, вызывающие затраты энергии, относятся к релаксационным видам поляризации.

Дипольная поляризация протекает в полярных диэлектриках под действием элек-тричесхо о поля. Этот вид поляризации представляет собой ориентацию - поворот полярных молекул в направлении действующего электрического поля.

Поляризуемость полярных молекул

где fi -начальный электрический момент полярной молекулы; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

При повышении температуры диэлектрика интенсивность дипольной поляризации возрастает в связи с ослаблением межмолекулярных сил и понижением коэффициента внутреннего трения. Поэтому с повышением температуры вначале полярных диэлектриков увеличивается (рис. 3-11). С дальнейшим ростом температуры интенсивность хаотического теплового движения полярных молекул начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля н эффект дипольной поляризации понижается. Это в свою очередь вызывает уменьшение Вг полярных диэлектриков.

Для ориентации полярных молекул в процессе дипольной поляризации требуются промежутки времени, значитечьно большие по сравнению со временем для процессов деформационных поляризаций. Естественно, диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков в сильной степени зависит от частоты электрического поля (рис. 3-11). При низких частотах полярные молекулы успевают совершить свой поворот за время одного полупериода переменного напряжения. При этом Вг практически равна бг при постоянном напряжении. С дальнейшим ростом частоты время одного полупериода сокращается и ряд полярных молекул выпадает из процесса дипольной поля ризации. При этом относительная диэлектрическая проницаемость е, диэлектрика снижается, достигая (при очень больших частотах) значения ег , обусловленного только электронной поляризацией диэлектрика.