Quelle Nummer 445

Rubrik 18 : PHYSIK   Unterrubrik 18.00 : PHYSIK

OPTIK (METALLE)
ROLF E. HUMMEL
OPTISCHE EIGENSCHAFTEN VON METALLEN UND LEGIERUNGEN
MIT EINER EINFUEHRUNG IN DIE ELEKTRONENTHEORIE DER
METALLE
REINE UND ANGEWANDTE METALLKUNDE IN EINZELDARSTELLUNG
LUNGEN, HERAUSGEGEBEN VON W. KOESTER
BAND 22,SPRINGER-VERLAG BERLIN, HEIDELBERG, NEW YORK
1971, 158-


001  im Außenwasser plötzlich anstieg: (Abb.).
002  Analyse der Reflexionsspektren. Absorptions-Banden
003  In Kapitel wurde dargelegt, daß sich das optische
004  Verhalten der Metalle durch das Zusammenwirken von freien und
005  gebundenen Elektronen beschreiben und berechnen läßt. In
006  Abschnitt sahen wir dann, daß man mit Hilfe der
007  Wellenmechanik und den Vorstellungen von Intraband
008  übergängen und Interbandübergängen das unterschiedliche
009  Verhalten der Elektronen in ein geschlossenes Konzept einordnen
010  kann. In den Abb. und wurde das Zusammenwirken von
011  freien und gebundenen Elektronen auf die optischen Konstanten
012  gezeigt. (Abb.) In diesem Abschnitt wollen wir nun den umgekehrten
013  Weg wie in Kapitel beschreiten und aus gemessenen
014  Reflexionsdaten die optischen Konstanten und den Beitrag der
015  freien und gebundenen Elektronen zu diesen Konstanten bestimmen und
016  sehen, welche Schlüsse sich aus diesen Ergebnissen auf die
017  Bandstruktur ziehen lassen. In Abb. ist das
018  Reflexionsspektrum von Silber gezeigt. Aus diesem lassen sich mit
019  Hilfe einer Kramers-Kronig-Analyse die optischen
020  Konstanten bzw. die realen und imaginären Teile der komplexen
021  Dielektrizitätskonstante, (Formel) und (Formel) bestimmen. Ein Vergleich
022  von Abb. mit den Abb. und zeigt, wie wir bereits
023  wissen, daß man bei kleinen Frequenzen (Photonenenergien), d.h.
024  bei E (math.Op.) 3,8 e V, das optische Verhalten von
025  Silber mit der Theorie der freien Elektronen beschreiben kann.
026  In diesem Spektralbereich haben nämlich (Formel) und (Formel) die
027  charakteristische Kurvenform für freie Elektronen. Oberhalb 3,
028  8 e V weicht jedoch die spektrale Abhängigkeit von (Formel) und
029  (Formel) von derjenigen der Abb. und ab. (Abb.) Es lassen sich
030  nun die Beiträge der freien und gebundenen Elektronen zu (Formel) oder
031  (Formel) trennen. Hierzu bringt man die Drudesche Formel für (Formel) mit
032  der experimentellen Kurve im niederfrquenten Spektralgebiet in
033  Einklang, indem man die effektive Masse und die Relaxationszeit
034  als variable Parameter betrachtet. Mit diesen Parametern wird
035  dann z. B. (Formel) aus Gleichung () im gesamten
036  Spektralgebiet berechnet und über der Frequenz aufgetragen.
037  Durch diese Separation treten Absorptionsbanden deutlich in
038  Erscheinung. In Abb. (oben) ist eine solche Bande für
039  Silber gezeigt. Sie hat ein Maximum kurz oberhalb 4 c V
040  (ultraviolett). Ein Vergleich der aus den klassischen Formeln
041  erhaltenen Kurve für (Formel) mit der Bande der Abb. zeigt eine
042  recht gute Übereinstimmung des prinzipiellen Verlaufs. Es soll
043  besonders hervorgehoben werden, daß (Formel) im niederfrequenten
044  Spektralgebiet, selbst bei Abwesenheit von Interbandübergängen,
045  nicht gegen Null geht, sondern einen relativ konstanten Beitrag
046  zu (Formel) liefert. Dagegen verschwindet (Formel) in einiger Entfernung von
047  einer Absorptionsbande fast vollständig. Der Verlauf von (Formel) in
048  Abb. bei Energien unterhalb 3,8 e V entspricht daher
049  demjenigen, den man mit der Theorie der freien Elektronen erhalten
050  würde. (Formel) hingegen stimmt selbst bei kleineren Frequenzen wegen
051  des konstanten Beitrags von (Formel) nicht mit (Formel) überein. Das
052  optische Verhalten von Kupfer ist ganz ähnlich, jedoch mit dem
053  wichtigen Unterschied, daß bei diesem Metall eine
054  Absorptionsbande im sichtbaren Spektralbereich auftritt. Diese
055  Bande ist für die charakteristische Farbe des Kupfers
056  verantwortlich. (Abb.) Absorptionsbanden treten nun, wie wir in
057  Abschnitt gesehen haben, immer dann auf, wenn Elektronen von
058  einem tiefer liegenden Band auf unbesetzte Niveaus eines höheren
059  Bandes übergehen. Bei anwachsender Frequenz des auf das Metall
060  fallenden Lichtes wird eine kritische Frequenz erreicht, bei der
061  diese Interbandübergänge einsetzen. Bei Kupfer und Silber
062  liegen die dazugehörigen Schwellenenergien bei 2,1 bzw. 4 e
063  V. Diese ersten Absorptionsbanden werden entweder durch
064  Elektronenübergänge von der Fermi-Fläche zum nächst
065  höheren Band oder durch Übergänge von einem tieferen Band zur
066  Fermi-Fläche hervorgerufen. Bandberechnungen haben gezeigt,
067  daß bei den Edelmetallen die d-Bänder und die Fermi
068  -Fläche nahe beieinander liegen. In das Bandschema von
069  Kupfer (Abb.) ist ein erlaubter, direkter
070  Interbandübergang vom d-Band zur Fermi-Fläche
071  in der Umgebung von (Formel) eingezeichnet, dessen Energiedifferenz
072  etwa 2,4 e V beträgt. Wir ordnen diesen Bandübergang der
073  experimentell beobachteten Schwellenenergie von 2,1 e V zu.
074  Weitere erlaubte Übergänge bei höheren Energien treten zwischen
075  (Formel) und (Formel) auf. Diese können der zweiten Absorptionsbande,
076  deren Schwellenenergie bei 4,2 e V liegt, zugeschrieben
077  werden. Nahe zusammenliegende Übergänge bewirken eine
078  Verbreiterung einer Absorptionsbande. Als weiteres Beispiel
079  wollen wir das Reflexionsspektrum und die optischen Eigenschaften
080  von Aluminium betrachten. Die Abbildungen und zeigen,
081  daß bis auf einen schmalen Frequenzbereich um 1 e V das Verhalten
082  dieses Metalls mit der Theorie der freien Elektronen beschrieben
083  werden kann. Die Größen (Formel) und (Formel) verlaufen nämlich hier
084  ähnlich wie in den Abb. und. Dies kommt auch in dem
085  Bandschema vom Aluminium zum Ausdruck, das demjenigen für freie
086  Elektronen für eine kubisch-flächenzentrierte Struktur sehr
087  ähnlich ist. Aus Abb. ersieht man, daß zwischen den
088  bändern nur sehr schmale verbotene Bereiche * Bandlücken)
089  vorhanden sind. Man kann nur zeigen, daß im wesentlichen nur
090  einige besondere Übergänge, nämlich solche zwischen sogenannten
091  kritischen Punkten, zur Interbandabsorption beitragen. Diese
092  kritischen Punkte sind Stellen hoher Symmetrie, z. B.
093  Flächen einer Brillouin-Zone oder Stellen, an denen die
094  Bänder relativ flach oder parallel verlaufen. Dann ist die
095  gemeinsame Zustandsdichte groß. Aus der Frequenzabhängigkeit
096  der optischen Konstanten läßt sich daher auf das Vorhandensein
097  solcher kritischer Punkte, auf Bandlücken und auf die Weite
098  dieser Lücken schließen. Die kritischen Punkte, die am meisten
099  zu den Bandübergängen in Aluminium beitragen, sind die in Abb.
100  mit W bezeichneten Punkte und die (Formel)-Achse. Wie man
101  sieht, ist der Energieunterschied zwischen (Formel) und (Formel) bzw.
102  zwischen (Formel) und (Formel) ungefähr 1,4 e V, während zwischen (Formel)
103  und (Formel) eine Energiedifferenz von etwa über 2 e V besteht. Die
104  Elektronenübergänge zwischen diesen kritischen Punkten
105  verursachen also die beobachtete " Struktur " von r, (Formel) und (Formel)
106  bei 1,5 e V. (Abb.) Aus der bekannten Bandstruktur und den
107  Wellenfunktionen läßt sich der Einfluß der Bandübergänge auf
108  (Formel) berechnen. Ein Vergleich zeigt, daß die Kurvenform und die
109  Lage des Maximums der berechneten und der experimentell erhaltenen
110  Banden übereinstimmen. Die Diskrepanz in der Höhe der beiden
111  Kurven liegt daran, daß bei der Berechnung Vielelektroneneffekte
112  vernachlässigt wurden. Als letztes Beispiel wollen wir das
113  optische Verhalten eines Übergangsmetalls diskutieren. Wir sehen
114  aus Abb., daß das Reflexionsvermögen von Nickel schon
115  bei kleinen Photonenenergien abfällt, ohne das bei Kupfer und
116  Silber beobachtete Plateau bei 2 bzw. 4 e V aufzuweisen. Es
117  hat sich nun gezeigt, daß bei kleinen Frequenzen die
118  Leitfähigkeit (Formel) viel besser zur Identifizierung von
119  Interbandübergängen geeignet ist als (Formel), da die Multiplikation
120  von (Formel) mit v das Unendlichwerden der Funktion verhindert. Dies
121  geht aus Abb. hervor. Die Leitfähigkeit von Nickel zeigt
122  bereits " Struktur " bei 0,3 und 1,4 e V. (Abb.) Dies
123  legt den Schluß nahe, daß bei Nickel die Interbandübergänge
124  schon bei sehr viel kleineren Frequenzen als bei Kupfer oder
125  Silber angeregt werden. Bandberechnungen bestätigen diese
126  Vermutung. Bei Übergangsmetallen liegen die d-
127  Bänder sehr nahe an der Fermi-Fläche und überschneiden
128  diese sogar gelegentlich. Aus Abb. geht auch hervor, daß
129  eine große Ähnlichkeit zwischen der Bandstruktur von Kupfer und
130  Nickel besteht. Daher ist es nicht erstaunlich, daß die
131  spektralen Reflexionsvermögen dieser Metalle bei höheren
132  Energien ähnlich verlaufen. Plasmaoszillationen. In
133  Abschnitt diskutierten wir das Verhalten von freien Elektronen,
134  die durch das elektrische Wechselfeld des Lichtes zu
135  ungedämpften Schwingungen angeregt wurden. Wir definierten eine
136  kritische Frequenz (Formel) (Plasmafrequenz), die den
137  Spektralbereich der metallischen Reflexion vom
138  Durchlässigkeitsbereich abgrenzt. Wir kamen damals zu dem
139  Ergebnis, daß bei der Plasmafrequenz die
140  Dielelektrizitätskonstante verschwindet ((Formel)). Hieraus folgt
141  mit Gleichung () (Formel). Nimmt man vollkommen freie Elektronen
142  an, dann müßte also bei der Plasmafrequenz sowohl (Formel) als auch
143  (Formel) verschwinden. Man beobachtet jedoch auch Plasmafrequenzen,
144  wenn (Formel) (kleine Dämpfung) und (Formel) ist oder sogar wenn (Formel) und
145  (Formel) sehr klein sind. In diesem Abschnitt wollen wir die früher
146  erarbeiteten Vorstellungen erweitern und uns die in einem
147  Festkörper in hoher Dichte vorhandenen Elektronen als
148  einheitliches Plasma denken. Dieses kann wegen der zwischen den
149  Elektronen bestehenden Coulomb-Wechselwirkungen unter
150  Einfluß eines äußeren Wechselfeldes zu flüssigkeitsartigen
151  Schwingungen angeregt werden. Es besitzt, wie ein Oszillator,
152  eine Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz, nämlich die
153  oben erwähnte Plasmafrequenz. Trägt man den imaginären Teil
154  der reziproken Dielelektrizitätskonstante über der Frequenz auf,
155  so kann die Plasmafrequenz, wie wir gleich sehen werden, an einem
156  charakteristischen Resonanzmaximum erkannt werden. Es gilt
157  nämlich (Formel). Der imaginäre Teil der Dielelektrizitätskonstante
158  ergibt sich damit zu (Formel). Aus () ist ersichtlich, daß für
159  (Formel) und (Formel) die " Energieverlustfunktion " (Formel) einen Höchstwert
160  einnimmt, d. h., es tritt eine Plasmaresonanz auf. Wir
161  wollen nun die Energieverlustfunktion einiger Metalle betrachten.
162  Wir beginnen mit Aluminium, da sich dieses, wie wir oben gesehen
163  haben, außer in einem schmalen Frequenzgebiet mit der Theorie der
164  freien Elektronen beschreiben läßt. Die aus () berechnete
165  Energieverlustfunktion hat bei diesem Metall ein steiles Maximum
166  bei 15,2 e V. Der reale Teil der Dielektrizitätskonstante
167  ((Formel)) ist bei dieser Energie 0 und (Formel) ist sehr klein.Bei
168  Silber sind die Verhältnisse etwas komplizierter. Bei diesem
169  Metall hat die Energieverlustfunktion ein steiles Maximum bei 4 e
170  V. Diese Resonanzstelle kann nicht ausschließlich den freien
171  Elektronen zugeschrieben werden, da (Formel) wie wir Abb.
172  entnehmen, erst bei 9,2 e V Null wird. Die Plasmaresonanz
173  bei 4 e V entsteht also durch Zusammenwirken der d
174  elektronen und der Leitungselektronen. Die Verlustfunktion
175  hat eine weitere, aber sehr flache Resonanzstelle bei 7,5 e V.
176  Dieses Maximum rührt im wesentlichen von den Leitungselektronen
177  her, wird aber durch Interbandübergänge bei höheren Frequenzen
178  gestört. (Abb.) Das Reflexionsspektrum von Silber bei 4 e V kann
179  nun vollständig erklärt werden: Der scharfe Abfall von (Formel) von
180  nahezu 100 % auf weniger als 1 % innerhalb eines Bruchteils
181  von einem Elektronenvolt wird durch die schwach gedämpfte
182  Plasmaresonanz hervorgerufen. Der plötzliche Anstieg nur 0,
183  1 e V oberhalb dieser Resonanzstelle tritt wegen der bei dieser
184  Energie einsetzenden Interbandübergänge auf. Diese sprunghafte
185  Änderung der optischen Konstanten wird sonst bei Metallen nicht
186  beobachtet. Bei Kupfer schließlich treten nur Plasmaresonanzen
187  von freien Elektronen auf, die durch Interbandübergänge gestört
188  werden und daher sehr breit sind. (Abb.) Aus den Abbildungen und
189  entnehmen wir, daß die Energieverlustfunktion nicht nur beim
190  Auftreten einer Plasmaresonanz ein Maximum aufweist.
191  Plasmaresonanzen kann man von Interbandeffekten dadurch
192  unterscheiden, daß bei den ersteren (Formel) und (Formel) klein sind,
193  während (Formel) und (Formel) bei Frequenzen, bei denen
194  Interbandübergänge auftreten, " Struktur " haben. Es sei
195  angemerkt, daß die Energieverlustfunktion auch noch auf anderem,
196  als dem hier beschriebenen Weg bestimmt werden kann. Bei einer
197  dieser Methoden mißt man den charakteristischen Energieverlust von
198  schnellen Elektronen, die einen dünnen Metallfilm durchdringen.
199  Verteilung der Interbandübergänge über einen
200  Frequenzbereich. Wir sahen in den vorangehenden Abschnitten,
201  daß Interbandübergänge am Auftreten einer " Struktur " in den
202  Reflexionsspektren erkannt werden können. Bei Aluminium waren
203  die Verhältnisse am einfachsten zu überblicken, weil bei diesem
204  Metall in dem betrachteten Frequenzbereich nur eine
205  Absorptionsbande (bei etwa 1,5 e V) zu beobachten war. Bei
206  den Edelmetallen treten jedoch mehrere Absorptionsbanden auf, die
207  sich mehr oder weniger überlagern. Es ist daher nützlich, eine
208  Funktion zu finden, mit deren Hilfe es möglich ist, die
209  Verteilung der Interbandübergänge in einem Frequenzbereich zu
210  studieren. Diese Funktion wurde mit (Formel) gefunden; sie ist die
211  effektive Zahl der Elektronen pro Atom, die zu den optischen
212  Eigenschaften in einem Frequenzbereich bis (Formel) beitragen und
213  berechnet sich durch (numerische) Integration aus den
214  experimentell erhaltenen (Formel)-Werten mittels der Gleichung
215  (Summenregel) (Formel) ((Formel) = Atomdichte im Kristall, Gleichung
216  ()). Aus der Energieabhängigkeit von (Formel) kann man auf die
217  Verteilung der Interbandübergänge bzw. die
218  Oszillatorenstärken (Formel) schließen. Wir wollen dies wieder an
219  einigen Beispielen zeigen. (Abb.) In Aluminium wächst (Formel) bei
220  kleinen Energien zuerst relativ rasch an und erreicht den
221  Sättigungswert (Formel) schließlich bei etwa 70 e V. Die Struktur
222  der Kurve um 1,5 e V führen wir, wie in Abschnitt, auf
223  Interbandübergänge bei W und (Formel) zurück. Das schnelle
224  Erreichen des Sättigungswertes deutet darauf hin, daß alle
225  wichtigen Interbandübergänge, die das Valenzband zum
226  Ausgangspunkt haben, bei kleinen Energien auftreten. Mit anderen
227  Worten: Die Anregungsfrequenz (des Lichtes) ist bei hohen
228  Frequenzen viel größer als die Eigenfrequenz der Oszillatoren,
229  so daß die Oszillatoren nicht mehr angeregt werden können. In
230  Kupfer, Silber und Gold sind die Oszillatorenstärken (im
231  Gegensatz zu Aluminium und den Halbleitern) über einen großen
232  Energiebereich verteilt. Daher wächst (Formel), nachdem die
233  Schwellenenergie für Interbandübergänge überschritten ist, mit
234  wachsender Frequenz stetig an. Unterhalb dieser Schwellenenergie
235  (bei Gold und Silber etwa 2,5 bzw. 4 e V) ist (Formel), d.h.
236  (Formel) nimmt über einen kleinen Energiebereich den Wert
237  für freie Elektronen an. Würden keine Elektronen von weiter
238  innen liegenden Energiezuständen angeregt, so würden die Kurven
239  bei (Formel) eine Sättigung erfahren. Die Art, wie (Formel) sich einem
240  Sättigungswert annähert, gibt also einen Hinweis auf die
241  Verteilung der Oszillatorenstärken. Wir haben in den
242  vorangehenden Abschnitten gesehen, daß die Frequenzabhängigkeit
243  der optischen Konstanten den Bandtheoretikern eine wertvolle Hilfe
244  gibt, ihre theoretischen Berechnungen zu überprüfen. Weitere
245  experimentelle Untersuchungen, die sich möglichst über einen
246  ausgedehnten Frequenzbereich erstrecken sollen, sind daher von
247  größtem Interesse. Zahl der freien Leitungselektronen
248  Die optischen Eigenschaften der Metalle im niederfrequenten
249  Spektralbereich kann man, wie wir gesehen haben, mit der Annahme
250  freier Elektronen erklären und berechnen. Es ist nun
251  wünschenswert zu wissen, wie viele Elektronen in einem
252  Metall als frei betrachtet werden können. Die Kenntnis dieser
253  Zahl ist unter anderem deswegen von besonderem Interesse, weil sie
254  auch in einer Reihe von nicht-optischen Formeln enthalten ist
255  (Hallkonstante, Elektrotransport, Supraleitung). Diese
256  Formeln sind jedoch in der Regel nicht so unabhängig von der
257  Modellvorstellung, wie die klassischen Gleichungen der
258  Metalloptik. Es lassen sich nämlich die Drudeschen Beziehungen
259  auch auf ganz anderem, als dem im Kapitel beschrittenen Weg
260  ableiten, z. B. mit Hilfe des normalen Skineffekts oder der
261  Quantentheorie. Die weiter unten zur Berechnung der
262  Ladungsträgerdichte benutzte Beziehung ist relativ einfach und
263  enthält keine Relaxationszeit. Daher muß, wie wir in Abschnitt
264  ausführten, der anomale Skineffekt nicht berücksichtigt
265  werden. Die Bestimmung der Zahl der freien Elektronen eines
266  Metalls wird gelegentlich wegen dieser Gründe als eine der
267  Hauptaufgaben der Metalloptik angesehen. Es sei jedoch darauf
268  hingewiesen, daß die Definition und Bestimmung einer
269  universiellen Ladungsträgerdichte nicht so problemlos ist, wie es
270  in früheren Jahren schien. Wir wissen aus Abschnitt, daß
271  bei relativ kleinen Energien die Valenzelektronen der einwertigen
272  Metalle Kupfer, Silber und Gold zu Intrabandübergängen fähig
273  sind. Wir können daher annehmen, daß bei diesen Metallen
274  ein Elektron pro Atom (das Valenz-s-Elektron)
275  als frei betrachtet werden kann.

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