Оптическое поглощение

Полученные результаты спектров оптического поглощения тонкой аморфной пленки WO₃ показывают, что фундаментальной край поглощения может быть разделен на две области. В первой области при K <10⁴ см^-1, край поглощения это экспоненциальная функция энергии фотона. Подобные экспоненциальные края, известны как края Урбаха, наблюдаемые у многих аморфных и кристаллических материалов. Происхождение этого экспоненциального хвоста поглощения все еще под вопросом, но согласно Dow & Redfield (1970) это вероятно является результатом случайного колебания внутренних полей, связанных со структурной неупорядоченностью, которая является значительной в аморфном твердом теле. Во второй области при K> 10⁴см^-1 край поглощения описывается соотношением hv = K∞(hν — E_g⁰)^1/2, где Eg° определена как энергия запрещенной зоны. Высокий коэффициент поглощения (~ 10⁵ см^-1) и квадратичная зависимость коэффициента поглощения от энергии фотона объясняется тем, что поглощение в этой области происходит благодаря разрешенному прямому (сохраняется импульс) межзонному переходу. Природа этого перехода недостаточно объяснена. Однако, вероятно он возникает из-за некоторых локализованных уровней от валентной зоны до расширенного состояния выше подвижного края зоны проводимости. Тот факт, что фотоэлектрическая проводимость наблюдается в этой области, подтверждает представление о том, что эти уровни в зоне проводимости участвуют в этом переходе.

Другая интересная особенность края оптического поглощения в WO₃ состоит в том, что этот край перемещается в более низкоэнергетическую сторону в целом на 0,38 еВ (рис. 3), при переходе от аморфного в кристаллическое состояние. Это вообще противоречит установленному факту, что во многих материалах, ширина запрещенной зоны обычно сужается, при переходе от кристаллического в аморфное состояние вследствие распределения уровней в пределах запрещенной зоны. Однако, есть некоторые исключения относительно этого принципа. Так например, Keller и Stuke (1965) было обнаружено, что в аморфном теллуре энергия активации для характеристического диапазона E_g = 0,87 еВ по сравнению с 0,32 еВ в кристаллическом состоянии. Точно так же они обнаружили увеличение в hν для края поглощения в аморфном теллуре 0,4 еВ, которое они приписали к расширению ширины запрещенной зоны из-за увеличения промежутка между цепями в аморфном состоянии. Возможно, что в аморфных пленках WO₃ относительное расположение самых близких соседей не такое как в кристаллическом материале и поэтому, основная особенность зонной структуры, такая как ширина запрещенной зона, не подобна ширине запрещенной зоны кристаллического материала. В этом отношении это положение отличается относительно тонких пленок MoO₃, где край поглощения смещен в более длинноволновую область по сравнению со спектром монокристалла (Deb, 1968). Как показано, вероятно, WO₃ — ионное тело, если сравнивать высокочастотную константу (5,0) с низкочастотной диэлектрической проницаемостью (~20). Конфигурация внешнего электронного уровня в вольфраме 5d⁴6s². В простейшей ионной модели для WO₃, состоящего из ионов W⁶⁺ и O^2-, валентная зона состоит из 2p-орбиталей кислорода, а зона проводимости связана с пустыми 5d-орбиталями вольфрама (W⁵⁺ — состояние). Однако, есть некоторые сомнения относительно того, достаточно ли накладываются волновые функции d-орбиталей WO₃, чтобы образовалась зона проводимости. Фактически катионное-катионное разделение в WO₃ является слишком большим, чтобы иметь заметное перекрытие d-орбиталей.