Absorció (òptica)
En física, la absorció de la radiació electromagnètica és el procés pel qual dita radiació és captada per la matèria. Quan l'absorció es produïx dins del ranc de la llum visible, rep el nom d'absorció òptica. Esta radiació, en ser absorbida, pugues, ben ser reemitida o be transformar-se en un atre tipo d'energia, com a calor o energia elèctrica.
En general, tots els materials absorbixen en algun ranc de freqüències. Aquells que absorbixen en tot el ranc de la llum visible són cridats materials opacs, mentres que si deixen passar dit ranc de freqüències se'ls crida transparents. És precisament este procés d'absorció i posterior reemisión de la llum visible lo que dona color a la matèria.
Informació general
[editar | editar còdic]Quan l'energia associada a un fotó és major a la brecha d'energia del material en el qual estiga incidint, el fotó serà absorbit pel material. No obstant, l'electró passarà a un estat de sobreexcitació, per lo que posteriorment el parell electró-buit, es relaixarà lliberant l'energia excedent, en forma d'energia tèrmica.
En canvi, quan l'energia del fotó és igual a la brecha d'energia, el parell electró-buit, absorbirà dit fotó, pero no existirà lliberació d'energia tèrmica.
Per últim, quan la brecha d'energia és major a l'energia del fotó, els portadors de càrrega no absorbiran el fotó i passarà a través del material sense interactuar en ell.
Nivell microscòpic
[editar | editar còdic]A nivell dels fotons (quants de llum), la absorció és el fenomen pel qual l'energia d'un fotó és presa per una atra partícula, com per eixemple un àtom que els seus electrons de valència efectuen una transició entre dos nivells d'energia electrònica. El fotó resulta llavors "destruït" en l'operació, l'energia electromagnètica és absorbida i convertida en energia electrònica, (esta absorció completa del fotó solament pot donar-se si l'electró forma part d'un àtom, un electró lliure mai pot absorbir el fotó, solament dispersar-ho).[1]
Esta energia electrònica absorbida per l'àtom es pot tornar a transformar en diferents formes d'energia:
- Energia electromagnètica per emissió de fotons.
- Vibració de la partícula (major energia cinètica de la partícula) lo que es traduïx a nivell macroscòpic en un aument de la temperatura (energia electromagnètica que es transforma en energia interna).
- Fonón (agitació en una ret cristalina en un cristal).
- Plasmón (oscilació colectiva d'electrons en un metal).
Vore espectroscòpia i espectre electromagnètic.
Absorció en semiconductors
[editar | editar còdic]Per a que es produïxca el procés d'absorció en un semiconductor deu ocórrer que l'energia del fotó (ℏω, sent ω la freqüència del fotó) siga comparable al gap d'energia Eg del material. En eixe cas, l'absorció provoca la cessió d'un electró des de la banda de valència cap a la banda de conducció. L'absència de l'electró en la banda de valència provoca la creació d'un buit en la mateixa, el qual pot ser tractat de manera efectiva com una nova partícula que s'assembla a un electró en càrrega positiva denotat per h+. A tot este procés se li crida transició de interbanda i és de gran importància, ya que, entre atres coses, dona lloc a electrons que contribuïxen a la conductivitat σ del material. En concret, esperem que la σ(ω) (la part real) d'un material generada per una d'estes transicions exhibixca un llindar d'energia igual a ___MATH_0___.[2]
Estes transicions poden ser o ben indirectes o directes, depenent de si van acompanyades o no d'una transferència de moment. Les transicions indirectes solen ser generades per l'interacció en fonones. El moment que aporta el fotó al sistema és negligible ya que normalment es treballa en ω en el ranc del espectre visible, que són 3 órdens de magnitut més chicotetes que el moment típic d'un electró en un cristal.[3]
La variable utilisada a l'hora de descriure i quantificar este fenomen és lo que es coneix com a taxa de transferència W. Es definix com la provabilitat per unitat de temps de que, en este cas, un electró de la banda de valancia absorbixca un fotó i transicione a un estat de la banda de conducció.[4] A diferència de lo que ocorre en un sistema de dos nivells l'electró pot transicionar a un continu d'estats de la banda de conducció. Si el potencial associat a la llum que rep el semiconductor es pot considerar com un chicotet destorbament, llavors la Regla d'or de Fermi és aplicable i W es pot expressar com
___MATH_1___[5]
a on ___MATH_2___ representa l'estat final (inicial) de l'electró, i és la polarisació de la llum, ___MATH_3___ és l'operador moment llineal en 3 dimensions i ___MATH_4___ i ___MATH_5___ són l'energia final i inicial associada als estats f i i respectivament.
La suma sobre ij té en conte tots els estats inicials que poden transitar als distints estats finals. No obstant, la presència de la delta de Kronecker restringix esta suma. En particular, ___MATH_6___ està íntimament relacionada en la densitat d'estats conjunta, també conegudes com a densitat òptica d'estats, que descriu el número d'estats efectiu de la banda de conducció i valència que poden donar lloc a l'absorció d'un fotó per unitat de volum i per unitat d'energia del fotó.
En l'expressió matemàtica de W es pot obviar els factors de Fermi f(I) si es considera que inicialment la banda de valència està completament plena i la de conducció completament buida (es pot supondre que la temperatura és de 0 Kelvin i que l'energia de Fermi es troba en el màxim de la banda de valència).
cal recalcar que no s'ha tingut en conte efectes excitónicos. La formació d'excitones (pares electró i- buit h+ que interaccionen coulombianamente i que poden ser tractats en conjunt com una nova entitat pròpia, una cuasipartícula) dona lloc a picos d'absorció per a energies inferiors a Eg. No obstant, estos efectes solen ser despreciables a temperatura ambiente puix, en este règim, l'energia tèrmica sol ser superior a l'energia de cohesió del excitón per lo que la quasipartícula s'acaba disociando. No obstant, en materials de baixa dimensionalidad (materials bidimensionales com monocapas de dicalcogenuros de metals de transició o punts quàntics) estos efectes es veuen amplificats i la presència d'estos indica interacció i que els nivells d'energia es distribuïxen discretament. Açò és degut, entre atres raons, a que l'electró i el buit es troben més prop l'u de l'atre, aixina com el fet de que l'interacció coulombiana no es veu tan apantallada.[6] Per a posar un eixemple, el confinament que genera un punt quàntic sobre els excitones dona lloc a que l'absorció en estos sistemes puga ser varis órdens de magnitut superior que en materials tridimensionals.
cal mencionar també que el procés d'absorció pot tindre lloc sobre electrons independentment del moment que posseïxquen. Açò és aixina sempre i quan l'energia del fotó siga lo suficient com per a excitar-ho a un nou estat d'energia disponible. Açò no ocorre en el cas de l'emissió. Açò és per la relaixació tèrmica, procés molt més ràpit que l'emissió, en el que els electrons i buits en molt moment (en anglés cridats hot carriers) termalizan i se situen en el mínim de la banda de conducció i el màxim de la banda de valència respectivament. En conseqüència, l'energia de la llum emesa sol estar molt relacionada en Eg i descriu un comportament en funció de ω molt distint al que presenta α(ω). En atres paraules, l'absorció d'un fotó incident en energia ℏω pot donar a l'emissió d'un fotó en una energia distinta ℏω'.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ La web de Física. «Interacció fotó - electró». Consultat el 5 de maig de 2017.
- ↑ Dresselhaus, Mildred; Dresselhaus, Gene; Cronin, {{{nom3}}}; Gomes Souza Filho, {{{nom4}}} (2018). Optical Properties of Solids over a Wide Frequency Range, Springer Berlin Heidelberg, pp. 391-410. ISBN 978-3-662-55920-8.
- ↑ Dresselhaus, Mildred; Dresselhaus, Gene; Cronin, {{{nom3}}}; Gomes Souza Filho, {{{nom4}}} (2018). Optical Properties of Solids over a Wide Frequency Range, Springer Berlin Heidelberg, pp. 391–410. ISBN 978-3-662-55920-8.
- ↑ Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «Citas».
- ↑ Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «Citas».
- ↑ Colloquium: Excitons in atomically thin transition metal dichalcogenides, Gang Wang, Alexey Chernikov, Mikhail M. Glazov, Tony F. Heinz, Xavier Marie, Thierry Amand, and Bernhard Urbaszek Rev. Mod. Phys. 90, 021001
- Este artícul conté una traducció derivada de «Absorción (óptica)» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.