納米材料的光學(xué)性能課件

納米材料的光學(xué)性能日期：2016.9.29-納米材料的光學(xué)性能日期：2016.9.29-1主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光發(fā)射特性4.納米材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.納米光學(xué)材料的應(yīng)用-主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光2

（1）波矢1.基本概念波矢是波的矢量表示方法。波矢是一個矢量，其方向表示波傳播的方向，其大小表示-（1）波矢1.基本概念波矢是波的矢量表示方法。波矢是一個3

（2）激子1.基本概念

通過庫侖作用束縛的電子-空穴對叫做激子。電子和空穴復(fù)合時便發(fā)光，以光子的形式釋放能量。根據(jù)電子與空穴相互作用的強(qiáng)弱，激子分為：萬尼爾（Wannier）激子（松束縛）；弗侖克爾（Frenkel）激子（緊束縛）。束縛半徑遠(yuǎn)大于原子半徑，庫侖相互作用較弱格點上原子或分子的激發(fā)態(tài)，庫侖相互作用較強(qiáng)

圖1半導(dǎo)體激子及發(fā)光示意圖-（2）激子1.基本概念通過庫侖作用束縛的電子-空4

（3）光譜線及移動1.基本概念-（3）光譜線及移動1.基本概念-5

（3）光譜線及移動1.基本概念與體材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在向短波方向移動，即藍(lán)移現(xiàn)象。圖2不同尺寸CdS的可見光-紫外吸收光譜激子峰微粒尺寸變小后：吸收峰藍(lán)移-（3）光譜線及移動1.基本概念與體材料相比，納米微粒的吸6

（3）光譜線及移動1.基本概念在有些情況下，粒徑減小至納米級時可以觀察到光吸收帶相對粗晶材料向長波方向移動，這種現(xiàn)象被稱為紅移。納米材料的每個光吸收帶的峰位由藍(lán)移和紅移因素共同作用而確定。圖3抗生蛋白鏈菌素修飾前1和修飾后2銀納米生物傳感器的LSPR激發(fā)光譜經(jīng)抗生蛋白鏈菌素修飾后，銀傳感器的吸收峰發(fā)生了紅移。藍(lán)移因素

紅移因素

光吸收帶藍(lán)移

光吸收帶紅移-（3）光譜線及移動1.基本概念在有些情況下，粒徑減小至納7主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光發(fā)射特性4.納米材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.納米光學(xué)材料的應(yīng)用-主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光82.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收光在固體中傳播時，其強(qiáng)度一般要發(fā)生衰減，出現(xiàn)光的吸收現(xiàn)象。光的吸收與光強(qiáng)有關(guān)。如果強(qiáng)度為I0的入射光，通過固體內(nèi)位移x后其強(qiáng)度將衰減為其中α為吸收系數(shù)，它表示光在固體中傳播的指數(shù)衰減規(guī)律。-2.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收光在固體中傳播時92.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收

某物質(zhì)的相對介電常數(shù)和折射率的復(fù)數(shù)形式：

其中ε1和ε2分別為相對介電常數(shù)εr的實部和虛部；復(fù)數(shù)折射率N的虛部κ叫消光系數(shù)，實部n

就是通常所說的折射率。由于折射率與介電常數(shù)的關(guān)系，因此有：

人們通常用n和κ這對光學(xué)常數(shù)來表征固體的光學(xué)性質(zhì)。

，-2.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收某物質(zhì)的相對102.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收消光系數(shù)κ也表示物質(zhì)的吸收，它與吸收系數(shù)α的關(guān)系為：

λ0為真空中光的波長，ω為入射光的頻率，c為光速。

吸收系數(shù)α的倒數(shù)叫作光在固體中的穿透深度：

消光系數(shù)k大的介質(zhì)，其光的穿透深度淺，表明物質(zhì)的吸收強(qiáng)，而長波光比短波光的穿透深度大。-2.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收消光系數(shù)κ也表示112.納米材料的光吸收特性（2）金屬納米顆粒的光吸收

大塊金屬具有不同顏色的光澤，表明它們對可見光范圍各種波長光的反射和吸收能力不同。如：金、銀、銅等。但是，小粒子對可見光具有低反射率、強(qiáng)吸收率。如：當(dāng)金(Au)粒子尺寸小于光波波長時，會失去原有的光澤而呈現(xiàn)黑色。金納米粒子的反射率小于10％。-2.納米材料的光吸收特性（2）金屬納米顆粒的光吸收大122.納米材料的光吸收特性（2）金屬納米顆粒的光吸收

實際上，金屬超微粒對光的反射率很低，一般低于1％。大約幾nm厚度的微粒即可消光，顯示為黑色，尺寸越小，色彩越黑。如：銀白色的鉑（白金）變?yōu)殂K黑，鉻變?yōu)殂t黑等。-2.納米材料的光吸收特性（2）金屬納米顆粒的光吸收實132.納米材料的光吸收特性（3）半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收由于量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致能隙增大,半導(dǎo)體納米材料的吸收光譜向高能方向移動,即吸收藍(lán)移。同時,由于電子和空穴的運(yùn)動受限,他們之間的波函數(shù)重疊增大,激子態(tài)振子強(qiáng)度增大,導(dǎo)致激子吸收增強(qiáng),因此很容易觀察到激子吸收峰,導(dǎo)致吸收光譜結(jié)構(gòu)化。-2.納米材料的光吸收特性（3）半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收由于量子14例：常規(guī)塊體TiO2是一種過渡金屬氧化物，帶隙寬度為3.2eV，為間接允許躍遷帶隙，在低溫下可由雜質(zhì)或束縛態(tài)發(fā)光。但是用硬脂酸包敷TiO2超微?？删鶆蚍稚⒌郊妆较嘀?，直到2400nm仍有很強(qiáng)的光吸收，其吸收譜滿足直接躍遷半導(dǎo)體小粒子的Urbach關(guān)系：

式中hν為光子能量，α為吸收系數(shù)，Eg為帶隙，B為材料特征常數(shù)。

2.納米材料的光吸收特性（3）半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收-例：常規(guī)塊體TiO2是一種過渡金屬氧化物，帶隙寬度為3.2e15與塊體TiO2不同的是，TiO2微粒在室溫下，由380～510nm波長的光激發(fā)下可產(chǎn)生540nm附近的寬帶發(fā)射峰，且隨粒子尺寸減小而出現(xiàn)吸收的紅移。另一方面，實驗觀測到TiO2納米薄膜隨著溫度的降低，薄膜吸收邊位置又向短波方向移動，即發(fā)生了藍(lán)移，如圖所示。2.納米材料的光吸收特性（3）半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收

圖4TiO2納米薄膜光吸收曲線-與塊體TiO2不同的是，TiO2微粒在室溫下，由3816主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光發(fā)射特性4.納米材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.納米光學(xué)材料的應(yīng)用-主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光173.納米材料的光發(fā)射特性

光致發(fā)光：指在一定波長光照射下被激發(fā)到高能級激發(fā)態(tài)的電子重新躍入低能級被空穴捕獲而發(fā)光的微觀過程。熒光：僅在激發(fā)過程中發(fā)射的光。磷光：在激發(fā)停止后還繼續(xù)發(fā)射一定時間的光。-3.納米材料的光發(fā)射特性光致發(fā)光：指在一定波長光照射183.納米材料的光發(fā)射特性

從物理機(jī)制來分析，電子躍遷可分為兩類：非輻射躍遷和輻射躍遷。

圖5激發(fā)和衰變過程示意圖當(dāng)能級間距很小時，電子躍遷可通過非輻射性級聯(lián)過程發(fā)射聲子，在這種情況下不發(fā)光；只有當(dāng)能級間距較大時，才有可能發(fā)射光子，實現(xiàn)輻射躍遷，產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。

-3.納米材料的光發(fā)射特性從物理機(jī)制來分析，電子躍遷可分193.納米材料的光發(fā)射特性

納米結(jié)構(gòu)材料中由于平移周期性被破壞，選擇定則對納米材料很可能不適用。在光激發(fā)下納米態(tài)所產(chǎn)生的發(fā)光帶是常規(guī)材料中受選擇定則限制而不可能出現(xiàn)的發(fā)光。（1）納米微粒的發(fā)光機(jī)制選擇定則不適用：-3.納米材料的光發(fā)射特性納米結(jié)構(gòu)材料中由于平移周期性203.納米材料的光發(fā)射特性

圖6CdS納米微粒的可能發(fā)光機(jī)制

半導(dǎo)體納米微粒受光激發(fā)后產(chǎn)生電子-空穴對，電子與空穴復(fù)合發(fā)光的途徑有三種情況：

a.電子和空穴直接復(fù)合，產(chǎn)生激子態(tài)發(fā)光。

b.通過表面缺陷態(tài)間接復(fù)合發(fā)光。

c.通過雜質(zhì)能級復(fù)合發(fā)光上述三種情況相互競爭。-3.納米材料的光發(fā)射特性圖6CdS納米微粒的可能發(fā)光機(jī)213.納米材料的光發(fā)射特性（2）納米發(fā)光材料舉例

有些原來不發(fā)光的材料，當(dāng)其粒子小到納米尺寸后出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象。

a.硅納米材料的發(fā)光

1990年，日本佳能公司的Tabagi首次在室溫觀察到硅顆粒（6nm）在800nm波長附近有強(qiáng)的發(fā)光帶。隨著粒徑減小到4nm，發(fā)光強(qiáng)度增大，短波側(cè)已延伸到可見光范圍。因此，硅納米材料可能成為有重要應(yīng)用前景的光電子材料。b.銀納米微粒的發(fā)光2000年，北京大學(xué)報道了埋藏于BaO介質(zhì)中的Ag納米微粒在可見光波段光致熒光增強(qiáng)現(xiàn)象。作為比較，Ag薄膜和Ag-BaO薄膜中的Ag含量相同，兩種薄膜中的Ag微粒平均直徑都是20nm，在室溫下采用紫外光激發(fā)。-3.納米材料的光發(fā)射特性（2）納米發(fā)光材料舉例有些原22謝謝！-謝謝！-23納米材料的光學(xué)性能日期：2016.9.29-納米材料的光學(xué)性能日期：2016.9.29-24主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光發(fā)射特性4.納米材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.納米光學(xué)材料的應(yīng)用-主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光25

（1）波矢1.基本概念波矢是波的矢量表示方法。波矢是一個矢量，其方向表示波傳播的方向，其大小表示-（1）波矢1.基本概念波矢是波的矢量表示方法。波矢是一個26

（2）激子1.基本概念

通過庫侖作用束縛的電子-空穴對叫做激子。電子和空穴復(fù)合時便發(fā)光，以光子的形式釋放能量。根據(jù)電子與空穴相互作用的強(qiáng)弱，激子分為：萬尼爾（Wannier）激子（松束縛）；弗侖克爾（Frenkel）激子（緊束縛）。束縛半徑遠(yuǎn)大于原子半徑，庫侖相互作用較弱格點上原子或分子的激發(fā)態(tài)，庫侖相互作用較強(qiáng)

圖1半導(dǎo)體激子及發(fā)光示意圖-（2）激子1.基本概念通過庫侖作用束縛的電子-空27

（3）光譜線及移動1.基本概念-（3）光譜線及移動1.基本概念-28

（3）光譜線及移動1.基本概念與體材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在向短波方向移動，即藍(lán)移現(xiàn)象。圖2不同尺寸CdS的可見光-紫外吸收光譜激子峰微粒尺寸變小后：吸收峰藍(lán)移-（3）光譜線及移動1.基本概念與體材料相比，納米微粒的吸29

（3）光譜線及移動1.基本概念在有些情況下，粒徑減小至納米級時可以觀察到光吸收帶相對粗晶材料向長波方向移動，這種現(xiàn)象被稱為紅移。納米材料的每個光吸收帶的峰位由藍(lán)移和紅移因素共同作用而確定。圖3抗生蛋白鏈菌素修飾前1和修飾后2銀納米生物傳感器的LSPR激發(fā)光譜經(jīng)抗生蛋白鏈菌素修飾后，銀傳感器的吸收峰發(fā)生了紅移。藍(lán)移因素

紅移因素

光吸收帶藍(lán)移

光吸收帶紅移-（3）光譜線及移動1.基本概念在有些情況下，粒徑減小至納30主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光發(fā)射特性4.納米材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.納米光學(xué)材料的應(yīng)用-主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光312.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收光在固體中傳播時，其強(qiáng)度一般要發(fā)生衰減，出現(xiàn)光的吸收現(xiàn)象。光的吸收與光強(qiáng)有關(guān)。如果強(qiáng)度為I0的入射光，通過固體內(nèi)位移x后其強(qiáng)度將衰減為其中α為吸收系數(shù)，它表示光在固體中傳播的指數(shù)衰減規(guī)律。-2.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收光在固體中傳播時322.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收

某物質(zhì)的相對介電常數(shù)和折射率的復(fù)數(shù)形式：

其中ε1和ε2分別為相對介電常數(shù)εr的實部和虛部；復(fù)數(shù)折射率N的虛部κ叫消光系數(shù)，實部n

就是通常所說的折射率。由于折射率與介電常數(shù)的關(guān)系，因此有：

人們通常用n和κ這對光學(xué)常數(shù)來表征固體的光學(xué)性質(zhì)。

，-2.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收某物質(zhì)的相對332.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收消光系數(shù)κ也表示物質(zhì)的吸收，它與吸收系數(shù)α的關(guān)系為：

λ0為真空中光的波長，ω為入射光的頻率，c為光速。

吸收系數(shù)α的倒數(shù)叫作光在固體中的穿透深度：

消光系數(shù)k大的介質(zhì)，其光的穿透深度淺，表明物質(zhì)的吸收強(qiáng)，而長波光比短波光的穿透深度大。-2.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收消光系數(shù)κ也表示342.納米材料的光吸收特性（2）金屬納米顆粒的光吸收

大塊金屬具有不同顏色的光澤，表明它們對可見光范圍各種波長光的反射和吸收能力不同。如：金、銀、銅等。但是，小粒子對可見光具有低反射率、強(qiáng)吸收率。如：當(dāng)金(Au)粒子尺寸小于光波波長時，會失去原有的光澤而呈現(xiàn)黑色。金納米粒子的反射率小于10％。-2.納米材料的光吸收特性（2）金屬納米顆粒的光吸收大352.納米材料的光吸收特性（2）金屬納米顆粒的光吸收

實際上，金屬超微粒對光的反射率很低，一般低于1％。大約幾nm厚度的微粒即可消光，顯示為黑色，尺寸越小，色彩越黑。如：銀白色的鉑（白金）變?yōu)殂K黑，鉻變?yōu)殂t黑等。-2.納米材料的光吸收特性（2）金屬納米顆粒的光吸收實362.納米材料的光吸收特性（3）半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收由于量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致能隙增大,半導(dǎo)體納米材料的吸收光譜向高能方向移動,即吸收藍(lán)移。同時,由于電子和空穴的運(yùn)動受限,他們之間的波函數(shù)重疊增大,激子態(tài)振子強(qiáng)度增大,導(dǎo)致激子吸收增強(qiáng),因此很容易觀察到激子吸收峰,導(dǎo)致吸收光譜結(jié)構(gòu)化。-2.納米材料的光吸收特性（3）半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收由于量子37例：常規(guī)塊體TiO2是一種過渡金屬氧化物，帶隙寬度為3.2eV，為間接允許躍遷帶隙，在低溫下可由雜質(zhì)或束縛態(tài)發(fā)光。但是用硬脂酸包敷TiO2超微?？删鶆蚍稚⒌郊妆较嘀?，直到2400nm仍有很強(qiáng)的光吸收，其吸收譜滿足直接躍遷半導(dǎo)體小粒子的Urbach關(guān)系：

式中hν為光子能量，α為吸收系數(shù)，Eg為帶隙，B為材料特征常數(shù)。

2.納米材料的光吸收特性（3）半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收-例：常規(guī)塊體TiO2是一種過渡金屬氧化物，帶隙寬度為3.2e38與塊體TiO2不同的是，TiO2微粒在室溫下，由380～510nm波長的光激發(fā)下可產(chǎn)生540nm附近的寬帶發(fā)射峰，且隨粒子尺寸減小而出現(xiàn)吸收的紅移。另一方面，實驗觀測到TiO2納米薄膜隨著溫度的降低，薄膜吸收邊位置又向短波方向移動，即發(fā)生了藍(lán)移，如圖所示。2.納米材料的光吸收特性（3）半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收

圖4TiO2納米薄膜光吸收曲線-與塊體TiO2不同的是，TiO2微粒在室溫下，由3839主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光發(fā)射特性4.納米材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.納米光學(xué)材料的應(yīng)用-主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光403.納米材料的光發(fā)射特性

光致發(fā)光：指在一定波長光照射下被激發(fā)到高能級激發(fā)態(tài)的電子重新躍入低能級被空穴捕獲而發(fā)光的微觀過程。熒光：僅在激發(fā)過程中發(fā)射的光。磷光：在激發(fā)停止后還繼續(xù)發(fā)射一定時間的光。-3.納米材料的光發(fā)射特性光致發(fā)光：指在一定波長光照射413.納米材料的光發(fā)射特性

從物理機(jī)制來分析，電子躍遷可分為兩類：非輻射躍遷和輻射躍遷。

圖5激