光電材料課件

第七章光電材料第七章光電材料1固體的光性質(zhì)：從本質(zhì)上講，就是固體和電磁波的相互作用，這涉及晶體對(duì)光輻射的反射和吸收，晶體在光作用下的發(fā)光，光在晶體中的傳播和作用以及光電作用、光磁作用等。光電轉(zhuǎn)換材料發(fā)光材料激光材料固體的光性質(zhì)：從本質(zhì)上講，就是固體和電磁波的相互作用，這涉及27.1光電轉(zhuǎn)換材料純凈固體材料中。固體受到光輻射時(shí)，如果輻射光子的能量足以使電子由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，那么就會(huì)發(fā)生對(duì)光的吸收。這種吸收過(guò)程叫基礎(chǔ)吸收或固有吸收7.1.1固體的光吸收

基礎(chǔ)吸收或固有吸收

導(dǎo)帶價(jià)帶能隙（禁帶）光輻射絕緣體和半導(dǎo)體中電子的能帶結(jié)構(gòu)7.1光電轉(zhuǎn)換材料純凈固體材料中。固體受到光輻射時(shí)，如果輻3如：離子晶體能隙寬度一般為幾個(gè)電子伏，相當(dāng)于紫外光的能量。因此，純凈的理想離子晶體對(duì)可見(jiàn)光以至紅外區(qū)的光輻射，都不會(huì)發(fā)生光吸收，都是透明的。當(dāng)足夠強(qiáng)的輻射（如紫光）照射離子晶體時(shí)，價(jià)帶中的電子就有可能被激發(fā)跨過(guò)能隙，進(jìn)入導(dǎo)帶，發(fā)生光吸收。如：4

激子吸收（電子-空穴對(duì)）價(jià)帶中的電子吸收能量小于禁帶寬度，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)，電子實(shí)際還與空穴保持著庫(kù)侖力的相互作用，形成一個(gè)電中性系統(tǒng)，稱為激子。激子作為一個(gè)整體可以在晶格內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。導(dǎo)帶價(jià)帶激子能級(jí)光輻射激子吸收（電子-空穴對(duì)）導(dǎo)帶價(jià)帶激子能級(jí)光輻射5缺陷存在時(shí)晶體的光吸收晶體的缺陷：本征缺陷——填隙原子和空位，非本征缺陷——雜質(zhì)等。導(dǎo)帶價(jià)帶雜質(zhì)能級(jí)光輻射這些缺陷的能級(jí)在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙之中。當(dāng)材料受到光照時(shí)，缺陷能級(jí)上的電子空穴發(fā)生躍遷。這樣就使原本不能發(fā)生基礎(chǔ)吸收的物質(zhì)由于缺陷存在而發(fā)生光吸收。缺陷存在時(shí)晶體的光吸收導(dǎo)帶價(jià)帶雜質(zhì)能級(jí)光輻射這些缺陷的6

離子晶體的各種吸收光譜離子晶體的各種吸收光譜7C→V過(guò)程：基礎(chǔ)吸收E→V過(guò)程：激子吸收其他：缺陷吸收C→V過(guò)程：基礎(chǔ)吸收8D→V過(guò)程

松弛的束縛在中性雜質(zhì)上的電子和一個(gè)價(jià)帶中的空穴復(fù)合，相應(yīng)躍遷能量是Eg—ED。C→A過(guò)程

半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的一個(gè)電子落在受主雜質(zhì)原子上，并使受主雜質(zhì)原子電離化，這個(gè)過(guò)程的能量為Eg—EA。C→DA過(guò)程導(dǎo)帶電子向深受主雜質(zhì)上的躍遷，其能量小于能隙很多，這就是深受主雜質(zhì)躍遷。

D→A過(guò)程如果同一半導(dǎo)體材料中，施主和受主雜質(zhì)同時(shí)存在，那么可能發(fā)生中性施主雜質(zhì)給出一個(gè)電子躍遷到受主雜質(zhì)上的過(guò)程。D→V過(guò)程松弛的束縛在中性雜質(zhì)上的電子和一個(gè)價(jià)帶中的空9陶瓷材料的禁帶寬度較大，一般為3-10電子伏特，相當(dāng)于紫外光區(qū)的能量。因此，當(dāng)可見(jiàn)光光輻體晶體時(shí)，如此的能量不足以使其電子越過(guò)能隙，由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶。所以，晶體不會(huì)被激發(fā)，也不會(huì)發(fā)生光的吸收，陶瓷晶體在可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)都應(yīng)該是透明的。7.1.2陶瓷材料的光吸收陶瓷材料的禁帶寬度較大，一般為3-10電子伏特，相當(dāng)于紫外光10高壓鈉燈芯的透明氧化鋁瓷管高壓鈉燈芯的透明氧化鋁瓷管11陶瓷多晶體一般有兩個(gè)重要的吸收光譜帶。一是電子躍遷產(chǎn)生的吸收帶——左側(cè)的紫外截止波段，二是光學(xué)支格波的晶格振動(dòng)吸收帶——右側(cè)紅外截至波段1陶瓷材料的光吸收機(jī)理陶瓷多晶體一般有兩個(gè)重要的吸收光譜帶。1陶瓷材料的光吸收機(jī)12電子躍遷產(chǎn)生的吸收——紫外區(qū)禁帶寬度Eg和吸收波長(zhǎng)λ的關(guān)系為

hv>E

導(dǎo)帶價(jià)帶能隙（禁帶）光輻射hv

h——普朗克常數(shù)

c——光速電子躍遷產(chǎn)生的吸收——紫外區(qū)導(dǎo)帶價(jià)帶能隙（禁帶）光輻射h13二是光學(xué)支格波的晶格振動(dòng)吸收帶——紅外區(qū)當(dāng)入射光的頻率和材料內(nèi)原子的振動(dòng)頻率一致時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)入射光的強(qiáng)吸收

晶體材料內(nèi)原子振動(dòng)頻率采用雙原子分子振動(dòng)模型求得：二是光學(xué)支格波的晶格振動(dòng)吸收帶——紅外區(qū)當(dāng)入射光的頻率和材料14m1m2——雙原子分子振動(dòng)模型的雙原子質(zhì)量r——瞬時(shí)原子距離，k——原子結(jié)合力彈性常數(shù)u——折合質(zhì)量m1m2——雙原子分子振動(dòng)模型的雙原子質(zhì)量15理論上陶瓷在可見(jiàn)光區(qū)是透明的，但陶瓷是微細(xì)多晶的燒結(jié)體，主要由晶粒、晶界、玻璃相、氣孔、雜質(zhì)等組成。由于存在光的反射、折射和散射，使廣的透過(guò)率下降，陶瓷看起來(lái)是不透明的。2影響陶瓷透明性的因素理論上陶瓷在可見(jiàn)光區(qū)是透明的，但陶瓷是微細(xì)多晶的燒結(jié)體，主要16入射到材料的光一部分表現(xiàn)為表面的反射和內(nèi)部的吸收和散射，另一部分就成為透射光。透明材料希望的反射和吸收的光越少越好I——透射光強(qiáng)，I0——入射光強(qiáng)，R——反射率，α——吸收系數(shù)，s——散射系數(shù)，x——物體的厚度透射光強(qiáng)度：入射反射散射透射入射到材料的光I——透射光強(qiáng)，I0——入射光強(qiáng)，透射光強(qiáng)17應(yīng)該沒(méi)有或盡量減少氣孔和晶界等這樣的吸收中心和散射中心。同時(shí)還應(yīng)是單相的、由均質(zhì)晶體組成。并具有較高的光潔度。入射反射散射透射獲得高的透光率方法：應(yīng)該沒(méi)有或盡量減少氣孔和晶界等這樣的吸收中心和散射中心。入射18氣孔率晶界結(jié)構(gòu)原料與添加劑燒成氣氛表面加工光潔度陶瓷材料的透光性的主要影響因素：氣孔率陶瓷材料的透光性的主要影響因素：19氣孔率普通陶瓷即使有很高的致密度，往往也不透明，這是因?yàn)椋?/p>

內(nèi)部有很多封閉的氣孔?？倸饪茁食^(guò)1%的氧化物陶瓷基本是不透明的，因?yàn)闅饪椎恼凵渎史浅５?約為1.0)，這些氣孔在光線傳播的過(guò)程中會(huì)使光線發(fā)生多次反射，從而大大降低材料的透明度。氣孔率普通陶瓷即使有很高的致密度，往往也不透明，20晶界結(jié)構(gòu)首先，晶界是破壞陶瓷體光學(xué)均勻性、從而引起光的散射、致使材料的透光率下降。當(dāng)單位體積晶界數(shù)量較多，晶體配置雜亂無(wú)序，入射光透過(guò)晶界時(shí)，必然引起光的連續(xù)反射、折射，這樣其透光率也就降低。晶界結(jié)構(gòu)首先，晶界是破壞陶瓷體光學(xué)均勻性、從而引起光的散射、21其次，陶瓷材料的物相組成中通常包含著兩相或更多相，這種多相結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致光在相界表面上發(fā)生散射。材料的組成差異越大，折射率相差越大，整個(gè)陶瓷的透光率越低。其次，陶瓷材料的物相組成中通常包含著兩相或更多相，這種多相結(jié)22原料的粉體粒徑應(yīng)小于1um以外，尺寸要均勻，不產(chǎn)生團(tuán)聚。所以有時(shí)需加入添加劑。一方面是使燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)液相，降低燒結(jié)溫度，另一方面是抑制晶粒的長(zhǎng)大，縮短晶內(nèi)氣孔的擴(kuò)散路程，從而有利于得到致密的透光性好的透明陶瓷。添加劑用量一般很少，應(yīng)能均勻分布于材料中，完全溶于主晶相，不生成第二相物質(zhì)，也就是不破壞系統(tǒng)的單相性。原料與添加劑原料的粉體粒徑應(yīng)小于1um以外，尺寸要均勻，不產(chǎn)生團(tuán)聚。所以23例如，在燒結(jié)Al2O3透明陶瓷時(shí)，加入MgO。但是由于MgO局部偏析，在MgO分布較高的區(qū)域超過(guò)了固溶極限，就會(huì)在晶界上析出第二相（MgAl2O3）尖晶石，從而成為光的散射中心，使散射率增長(zhǎng)，降低了Al2O3陶瓷的透光性。

Al2O3透明陶瓷不透明陶瓷例如，在燒結(jié)Al2O3透明陶瓷時(shí)，加入MgO。但是由于MgO24在陶瓷晶體中引入雜質(zhì)離子后，雜質(zhì)缺陷能級(jí)和價(jià)帶能級(jí)之間會(huì)發(fā)生電子-空穴復(fù)合過(guò)程，其相應(yīng)的能量就會(huì)小于間帶寬度Eg，往往落在可見(jiàn)光區(qū)，結(jié)果發(fā)生固體的光吸收。

例如:Al2O3晶體,其能隙為9ev，不可能吸收可見(jiàn)光，所以是透明的。如果摻入1%的Cr3+時(shí)，晶體呈深紅色，即紅寶石，可以吸收可見(jiàn)光。在陶瓷晶體中引入雜質(zhì)離子后，雜質(zhì)缺陷能級(jí)和價(jià)帶能級(jí)之間會(huì)發(fā)生25表面加工光潔度透明陶瓷的透光度還受表面加工光潔度的制約。燒結(jié)后未處理面具有較大的粗糙度，即呈現(xiàn)微小的凹凸?fàn)睿饩€入射到這種面上會(huì)發(fā)生漫反射。其表面的粗糙度越大，其透明度就越低。入射反射散射透射表面加工光潔度透明陶瓷的透光度還受表面加工光潔度的制約。燒結(jié)267.1.3半導(dǎo)體的光吸收和光導(dǎo)電現(xiàn)象

1.本征半導(dǎo)體的光吸收

本征半導(dǎo)體的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙較小，約為1ev。在極低溫度下，電氣全部處在價(jià)帶中，不會(huì)沿任何方向運(yùn)動(dòng)，是絕緣體，其光學(xué)性質(zhì)也和前述的絕緣體一樣。當(dāng)溫度升高，一些電子可能獲得充分的能量而跨過(guò)能隙，躍遷到原本空的導(dǎo)帶中。這時(shí)價(jià)帶中出現(xiàn)空能級(jí)，導(dǎo)帶中出現(xiàn)電子。7.1.3半導(dǎo)體的光吸收和光導(dǎo)電現(xiàn)象1.本27光電性質(zhì)：施主和受主雜質(zhì)將會(huì)使半導(dǎo)體的光吸收增強(qiáng)，導(dǎo)電性增加。發(fā)光性質(zhì)：只有當(dāng)激發(fā)態(tài)電子越過(guò)能隙與空穴復(fù)合時(shí)，才會(huì)發(fā)生半導(dǎo)體的發(fā)光。2.非本征半導(dǎo)體的光吸收導(dǎo)帶價(jià)帶雜質(zhì)能級(jí)光輻射n型半導(dǎo)體可以向?qū)峁┳銐虻碾娮?，但在價(jià)帶中如果沒(méi)有空穴，因此不會(huì)發(fā)光。同樣，p型半導(dǎo)體價(jià)帶中有空穴，但其如果導(dǎo)帶中卻沒(méi)有電子，因此也不會(huì)發(fā)光。光電性質(zhì)：施主和受主雜質(zhì)將會(huì)使半導(dǎo)體的光吸收增強(qiáng)，導(dǎo)電性增加28光吸收結(jié)果：光導(dǎo)電光致發(fā)光光吸收結(jié)果：29本征半導(dǎo)體的光吸收和發(fā)光，一般說(shuō)來(lái)都源于電子跨越能隙的躍遷，即直接躍遷。價(jià)帶中的電子吸收一定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光或近紅外光可以相互脫離而自行漂移，并參與導(dǎo)電。即產(chǎn)生所謂光導(dǎo)電現(xiàn)象。3光導(dǎo)電本征半導(dǎo)體的光吸收和發(fā)光，一般說(shuō)來(lái)都源于電子跨越能隙的躍遷，30光電流：光輻射激發(fā)產(chǎn)生的載流子，一方面在復(fù)合中心消失掉，另一方面在電場(chǎng)作用下可以移動(dòng)一段距離后，這種載流子的遷移產(chǎn)生的電流，稱為光電流。如果外電場(chǎng)強(qiáng)度大，則載流子在被復(fù)合之前在晶體漂移的距離長(zhǎng)、光電流強(qiáng)，但會(huì)有一個(gè)飽和值，即初級(jí)光電流的最大值。光電流：光輻射激發(fā)產(chǎn)生的載流子，一方面在復(fù)合中心消失掉，另一31AgBr的光導(dǎo)電流隨電壓的變化AgBr的光導(dǎo)電流隨電壓的變化32

光導(dǎo)電應(yīng)用：

利用半導(dǎo)體的光導(dǎo)電效應(yīng)，把光的信息轉(zhuǎn)化為電的信息，這在現(xiàn)代技術(shù)和日常生活中已得到廣泛應(yīng)用。例如，太陽(yáng)能電池；光敏電阻，CdS用于照相機(jī)的自動(dòng)曝光機(jī)；半導(dǎo)體硒應(yīng)用在靜電復(fù)印機(jī)上；利用對(duì)紅外線敏感的PbS、PbSe、PbTe等制成紅外線探測(cè)器。光導(dǎo)電應(yīng)用：33光敏電阻：是在一塊勻質(zhì)光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃或者云母等絕緣材料基板上，電極上加裝引線，用帶有入射窗口的金屬或塑料封裝而成的。

光敏電阻光敏電阻：是在一塊勻質(zhì)光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃或者34光敏電阻光譜特性：

光敏電阻只對(duì)一定范圍內(nèi)的光波才有響應(yīng)，對(duì)有的波長(zhǎng)響應(yīng)度較大，有的波長(zhǎng)響應(yīng)度小，甚至為零。光敏電阻光譜特性：35光敏電阻響應(yīng)時(shí)間：上升響應(yīng)時(shí)間tr：光生載流子從零上升到穩(wěn)定值的63%所需的時(shí)間。下降響應(yīng)時(shí)間tf：光照停止后，光生載流子從零下降到穩(wěn)定值的37%所需的時(shí)間。光敏電阻響應(yīng)時(shí)間τ光敏電阻響應(yīng)時(shí)間：上升響應(yīng)時(shí)間tr：光生載流子從零上升到穩(wěn)36當(dāng)光線較弱時(shí)，光敏電阻CdS阻值很大，與光敏電阻并聯(lián)的路燈電阻很小，所以電流主要從路燈流過(guò)，流經(jīng)繼電器的電流很小，處于關(guān)閉狀態(tài)。路燈點(diǎn)亮。光敏電阻應(yīng)用：照相機(jī)自動(dòng)曝光路燈自動(dòng)控制當(dāng)光線較弱時(shí)，光敏電阻CdS阻值很大，與光敏電阻并聯(lián)的路燈電37當(dāng)照射到CdS的光逐漸增大時(shí)，光敏電阻的電阻變小，使流經(jīng)繼電器的電流不斷增大，達(dá)到一定值時(shí)，繼電器由關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)榇蜷_(kāi)狀態(tài)，路燈與電源斷開(kāi)。路燈熄滅。當(dāng)照射到CdS的光逐漸增大時(shí)，光敏電阻的電阻變小，使流經(jīng)繼電38激光打印機(jī)和復(fù)印機(jī)激光打印機(jī)和復(fù)印機(jī)391．吸鼓帶電

對(duì)應(yīng)圖中1的位置，在感光鼓〔也稱吸鼓〕上用電極對(duì)感光體表面高壓電暈放電，使感光層表面帶電荷。感光鼓是在導(dǎo)電基體表面上涂有硒或其它光電導(dǎo)材料層。1．吸鼓帶電402．掃描曝光

對(duì)應(yīng)圖中2的位置，用受被打印內(nèi)容調(diào)制的激光束對(duì)感光層掃描曝光，受光照區(qū)域的電阻率下降（光導(dǎo)電），在感光層上形成由靜電荷分布構(gòu)成的潛像（電荷圖象）。2．掃描曝光413．靜電成像

對(duì)應(yīng)圖中3的位置，用含有炭精粉粒的顯像劑與感光層接觸，在靜電場(chǎng)的作用下，炭精粉粒附在感光層的曝光區(qū)域上，形成可見(jiàn)的炭精粉圖象，這過(guò)程也稱顯像過(guò)程。3．靜電成像424．著色轉(zhuǎn)印

對(duì)應(yīng)圖中4的位置，打印紙與已經(jīng)顯像的感光體接觸，同時(shí)采用電暈帶電體從紙的反面加電場(chǎng)，這時(shí)感光體表面的顯像劑轉(zhuǎn)移到打印紙上完成轉(zhuǎn)印。4．著色轉(zhuǎn)印435.熱壓定影

對(duì)應(yīng)圖中5的位置，用熱壓器加熱加壓使著色劑牢固粘結(jié)在打印紙上，完成了靜電打印。5.熱壓定影446．清洗吸鼓對(duì)應(yīng)圖中6的位置，將感光體用清洗器清除殘留的色粉，準(zhǔn)備下一張打印。6．清洗吸鼓45靜電復(fù)印機(jī)

同激光打印機(jī)相同，復(fù)印機(jī)也是利用光電技術(shù)和電子照相技術(shù)相結(jié)合的一種印字方式。復(fù)印機(jī)與激光打印機(jī)的主要區(qū)別是圖象信息產(chǎn)生的方式不同。復(fù)印機(jī)是實(shí)物文件被反射照明后由成像鏡頭成像曝光在感光體上；而激光打印機(jī)則是由主計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖象數(shù)據(jù)經(jīng)控制電路控制激光束的偏轉(zhuǎn)和光強(qiáng)度掃描曝光完成打印的。靜電復(fù)印機(jī)46半導(dǎo)體吸收光子后。導(dǎo)帶中出現(xiàn)自由電子，價(jià)帶中有空穴。當(dāng)導(dǎo)帶中的一個(gè)電子與價(jià)帶中的一個(gè)空穴復(fù)合時(shí)，就會(huì)發(fā)射出可見(jiàn)光的光子，這就是光致發(fā)光現(xiàn)象。2光致發(fā)光半導(dǎo)體吸收光子后。導(dǎo)帶中出現(xiàn)自由電子，價(jià)帶中有空穴。當(dāng)導(dǎo)帶47如果將n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成一個(gè)pn結(jié)，在pn結(jié)處施加一個(gè)正偏向壓，可以將n區(qū)的導(dǎo)帶電子注入到p區(qū)的價(jià)帶中，在那里與空穴復(fù)合，從而產(chǎn)生光子輻射。這是一種電致發(fā)光。（a）未加正偏壓的pn結(jié)（b）加正偏壓的pn結(jié)3電致發(fā)光如果將n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成一個(gè)pn結(jié)，在pn48

pn結(jié)光輻射過(guò)程的應(yīng)用——發(fā)光二極管利用半導(dǎo)體材料材料的可調(diào)成分來(lái)改變能隙，可制作出從發(fā)紅光到發(fā)綠光的各種顏色的發(fā)光二極管。發(fā)光二極管pn結(jié)光輻射過(guò)程的應(yīng)用——發(fā)光二極管發(fā)光二極管49電致發(fā)光的典型結(jié)構(gòu)圖其他電致發(fā)光的應(yīng)用電致發(fā)光的典型結(jié)構(gòu)圖其他電致發(fā)光的應(yīng)用50顯示屏廣告牌顯示屏廣告牌517.2發(fā)光材料7.2.1發(fā)光概論1．激發(fā)源和發(fā)光材料分類(lèi)發(fā)光:材料吸收了一定能量后，就會(huì)發(fā)生電子從低能態(tài)向高能態(tài)的躍遷，即分子從基態(tài)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。隨后，分子又會(huì)從激發(fā)態(tài)再躍遷回到穩(wěn)定的低能基態(tài)，在這一過(guò)程中會(huì)伴隨著能量的釋放。若能量以光能形式釋放，就是發(fā)光。7.2發(fā)光材料7.2.1發(fā)光概論發(fā)光:材料吸收了一定能量52根據(jù)激發(fā)光源類(lèi)型的不同劃分發(fā)光機(jī)理：光致發(fā)光：以光子或光為激發(fā)光源，常用的有紫外光作激發(fā)源。電致發(fā)光：以電能作激發(fā)源。陰極致發(fā)光：使用陰極射線或電子束為激發(fā)源。根據(jù)激發(fā)光源類(lèi)型的不同劃分發(fā)光機(jī)理：532．發(fā)光材料的特性（1）發(fā)光材料的發(fā)光顏色發(fā)光材料的顏色可通過(guò)不同方法來(lái)表征。發(fā)射光譜和吸收光譜是研究中應(yīng)用比較多的方法。吸收光譜是材料激發(fā)時(shí)所對(duì)應(yīng)的光譜，相應(yīng)吸收峰的波長(zhǎng)就是激發(fā)時(shí)能量對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。發(fā)射光譜反映發(fā)光材料輻射光的情況，對(duì)應(yīng)譜峰的波長(zhǎng)就是發(fā)光的顏色，2．發(fā)光材料的特性發(fā)射光譜和吸收光譜是研究中應(yīng)用比較多的方法54物質(zhì)顏色和吸收光的關(guān)系物質(zhì)顏色吸收光顏色波長(zhǎng)/nm黃綠紫400~450黃藍(lán)450~480橙綠藍(lán)480~490紅藍(lán)綠490~500紅紫綠500~560紫黃綠560~580藍(lán)黃580~610綠藍(lán)橙610~650藍(lán)綠紅650~780物質(zhì)顏色和吸收光的關(guān)系物質(zhì)顏色吸收光顏色波長(zhǎng)/nm黃綠紫4055第七章光電材料課件56光致發(fā)光材料的吸收光譜發(fā)光材料的發(fā)射光譜和吸收光譜光致發(fā)光材料的吸收光譜發(fā)光材料的發(fā)射光譜和吸收光譜57從材料的發(fā)射光譜來(lái)看，發(fā)射譜峰的寬窄也是發(fā)光材料的重要特性，譜峰越窄，發(fā)光材料的單色性越好，反之亦然。我們將譜峰1/2高度時(shí)縫的寬度稱作半寬度。發(fā)射峰的半寬度半寬度(2)

顏色的單色性

從材料的發(fā)射光譜來(lái)看，發(fā)射譜峰的寬窄也是發(fā)光材料的重要特性，58(3)發(fā)光效率

發(fā)光材料的另一個(gè)重要特性是其發(fā)光強(qiáng)度，發(fā)光強(qiáng)度也隨激發(fā)強(qiáng)度而改變。通常用發(fā)光效率來(lái)表征材料的發(fā)光本領(lǐng)。(3)發(fā)光效率59(4)余輝發(fā)光材料的一個(gè)重要特性是它的發(fā)光持續(xù)時(shí)間。依發(fā)光持續(xù)時(shí)間，我們可應(yīng)將發(fā)光區(qū)分為熒光和磷光：熒光：激發(fā)和發(fā)射兩個(gè)過(guò)程之間的間隙極短，約為<10-8秒。只要光源一離開(kāi)，熒光就會(huì)消失。磷光：在激發(fā)源離開(kāi)后，發(fā)光還會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。(4)余輝發(fā)光材料的一個(gè)重要特性是它的發(fā)光持續(xù)時(shí)間。60（a）熒光體（b）磷光體發(fā)光機(jī)制（a）熒光體61第七章光電材料課件62還可以用余輝來(lái)表示物質(zhì)發(fā)光的持續(xù)時(shí)間。余輝的定義為：當(dāng)激發(fā)光停止時(shí)的發(fā)光亮度（或強(qiáng)度）J0衰減到J0的10%時(shí)，所經(jīng)歷的時(shí)間稱為余輝時(shí)間，簡(jiǎn)稱余輝。根據(jù)余輝可將發(fā)光材料分為六個(gè)范圍：極短余輝<1μs短余輝1~10μs中短余輝10-2~1ms中余輝1~100ms長(zhǎng)余輝0.1~1s極長(zhǎng)余輝>1s還可以用余輝來(lái)表示物質(zhì)發(fā)光的持續(xù)時(shí)間。余輝的定義為：當(dāng)激發(fā)光63電視用熒光粉：中余輝雷達(dá)用熒光粉：長(zhǎng)或極長(zhǎng)余輝飛點(diǎn)掃描管：超短余輝(攝象記錄、示波顯示、

激光手術(shù)）電視用熒光粉：中余輝64光致發(fā)光材料一般由基質(zhì)材料和激活劑構(gòu)成基質(zhì)材料：硫化物、硒化物、含氧化合物如磷酸鹽、硅酸鹽，硫酸鹽、等。激活劑：稀土離子、過(guò)渡金屬離子等陽(yáng)離子。這些陽(yáng)離子往往是發(fā)光活性中心，稱作激活劑。敏化劑：在基質(zhì)中摻入第2類(lèi)型的雜質(zhì)使發(fā)光亮度增加，稱作敏活劑。7.2.2熒光和磷光1．光致發(fā)光材料的基本組成光致發(fā)光材料一般由基質(zhì)材料和激活劑構(gòu)成7.2.2熒光和磷光65光致發(fā)光材料按激活劑的不同主要分為以下幾種類(lèi)型（1）稀土金屬離子

原子序數(shù)57一71的鑭系元素，加上鈧和釔共17個(gè)稀土元素稀土金屬離子的電子層結(jié)構(gòu)比較特殊;價(jià)電子在4f層，而外面被填滿的5s5p殼層包圍。4f電子在基態(tài)能級(jí)和激發(fā)態(tài)能級(jí)之間躍遷就能產(chǎn)生光子，而且由于有5s，5P殼層的屏蔽，4f電子在躍遷時(shí)受溫度、晶體場(chǎng)和基體材料的影響很小。稀土金屬離子是最常用的發(fā)光材料激活劑。光致發(fā)光材料按激活劑的不同主要分為以下幾種類(lèi)型（1）稀土金屬66（2）過(guò)渡金屬離子過(guò)渡金屬離子具有不完全充滿的d電子殼層，具有復(fù)雜的d一d光轉(zhuǎn)換。（3）其它離子除過(guò)渡及稀土金屬離子外，許多金屬離子都可以作為摻雜離子，如Pb2+、Bi3+等，具有6S2電子構(gòu)型，它們的發(fā)光來(lái)源于，S-P轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換易受基質(zhì)材料的影響。（2）過(guò)渡金屬離子（3）其它離子67斯托克位移：一般說(shuō)來(lái)，發(fā)光固體吸收了激活輻射的能量hν，發(fā)射出能量為hν’的光，而ν’總小于ν，即發(fā)射光波長(zhǎng)比激活光的波長(zhǎng)要增大λ’>λ。這種效應(yīng)稱作斯托克位移（Stokesshift）。斯托克位移：68Eu摻雜Al2O3激發(fā)光譜Eu摻雜Al2O3發(fā)射光譜Eu摻雜Al2O3激發(fā)光譜Eu摻雜Al2O3發(fā)射光譜69（1）日光燈日光燈是磷光材料的最重要應(yīng)用之一。激發(fā)源是汞放電產(chǎn)生的紫外光，磷光材料吸收這種紫外光，發(fā)出“白色光”。日光燈的構(gòu)造示意圖

2.典型熒光和磷光材料Hg白光玻璃殼磷光體料涂層185nm254nm（1）日光燈日光燈的構(gòu)造示意圖2.典型熒光和磷光材料H70日光燈的構(gòu)造示意圖：它由一個(gè)內(nèi)壁涂有磷光體的玻璃管內(nèi)充有汞蒸氣和氬氣構(gòu)成。通電后，汞原子受到燈絲發(fā)出電子的轟擊，殼層電子被激發(fā)到較高能態(tài)。當(dāng)它返回到基態(tài)時(shí)便發(fā)出波長(zhǎng)為254和185nm的紫外光，涂在燈管內(nèi)壁的磷光體受到這種光輻照，就隨之發(fā)出白光。Hg白光玻璃殼磷光體料涂層185nm254nm日光燈的構(gòu)造示意圖：它由一個(gè)內(nèi)壁涂有磷光體的玻璃管內(nèi)充有汞蒸71(1)離子鍵的絕緣材料。如Cd2B2O5、Zn2SiO4、3Ca(PO4)2·Ca(Cl,F)2等。在這些材料中，相應(yīng)激活離子有一套不連續(xù)的能級(jí)。

燈用磷光材料的組成

常用的基質(zhì)晶體有兩類(lèi)(1)離子鍵的絕緣材料。燈用磷光材料的組成常用的72(2)共價(jià)性的半導(dǎo)體化合物ZnS等。對(duì)這類(lèi)材料，基質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)會(huì)由于加入激活劑離子伴隨的能級(jí)而有所改變。例如，分別摻雜Ag+、Sb3+和Eu2+離子的ZnS磷光體由于激活劑不同，而產(chǎn)生特征的光譜和顏色。(2)共價(jià)性的半導(dǎo)體化合物ZnS等。對(duì)這類(lèi)材料，基質(zhì)的能帶73日光燈磷光體構(gòu)成：雙重?fù)诫s了Sb3+和Eu2+的磷灰石?；|(zhì)：Ca5(PO4)3F激活劑：Sb3+，發(fā)藍(lán)光；Mn2+，發(fā)桔黃色光，

Sb3+，Mn2+都加：發(fā)出近似白色光。用氯離子部分取代氟磷灰石中氟離子，可以改變發(fā)射光譜的波長(zhǎng)分布。這是由于基質(zhì)變化改變了激活劑離子的能級(jí)，也就改變了其發(fā)射光譜波長(zhǎng)。以這種方式小心控制組成比例，可以獲得較佳的熒光顏色。日光燈磷光體構(gòu)成：雙重?fù)诫s了Sb3+和Eu2+的磷灰石。74

燈用稀土光致發(fā)光材料

組成

顏色

用途

Y2O3:Eu

紅

節(jié)能燈

Y(V,P)O4:Eu

紅

高壓汞燈

MgAl11O19:Ce,Tb

綠

節(jié)能燈

LaPO4:Ce,Tb

綠

節(jié)能燈

GdMgB5O10:Ce,Tb

綠

節(jié)能燈

BaMgAl10O17:Eu,Mn

蘭綠

節(jié)能燈

BaMgAl10O17:Eu

蘭

節(jié)能燈

Sr5(PO4)3Cl:Eu

蘭

節(jié)能燈

Sr3(PO4)2:Eu

蘭

復(fù)印燈

燈用稀土光致發(fā)光材料顏色用途Y2O3:Eu紅節(jié)能75電視機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示器等使用的熒光材料——陰極射線致發(fā)光材料，——電子束為激發(fā)源。顯象管用熒光材料要求——足夠高的發(fā)光亮度，——余輝時(shí)間要求短，這類(lèi)材料又依黑白和彩色顯像管分為：“白色”發(fā)光材料和彩色發(fā)光材料。（2）顯示用熒光材料——陰極射線發(fā)光電視機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示器等使用的熒光材料（2）顯示用熒光材料——76第七章光電材料課件77國(guó)產(chǎn)y7材料（Zn,Cd）S:Ag發(fā)黃色光國(guó)產(chǎn)y8材料ZnS:Ag發(fā)藍(lán)色光國(guó)產(chǎn)y26材料y7+y8發(fā)白色光（Zn,Be）2SiO4:Mn發(fā)黃色光（Ca,Mg）SiO3:Ti發(fā)藍(lán)色光(1)“白色”發(fā)光材料最早研究“白色”發(fā)光材料是一類(lèi)單一組分的材料，主要有ZnS·CdS:Ag,Au和ZnS·CdS:P,As，但其效率低，沒(méi)有得到實(shí)際的應(yīng)用，后來(lái)又研制了硫氧化合物材料。目前廣泛使用的是復(fù)合成分材料，例如：(1)“白色”發(fā)光材料78（2）彩色發(fā)光材料彩色電視機(jī)顯像管用發(fā)光材料有紅、綠、藍(lán)三種成分組成。為了最佳傳送顏色。在陰極射線發(fā)光材料中，幾年來(lái)發(fā)展極快、具有前途的一類(lèi)材料是稀土型發(fā)光材料。稀土型材料既能承擔(dān)激活劑的作用，也能作為發(fā)光材料的基質(zhì)，而且具有極短余輝、顏色飽和度和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且能夠在高密度電子流激發(fā)下使用，因此在彩電顯像管中得到廣泛使用。（2）彩色發(fā)光材料79發(fā)光機(jī)理：當(dāng)一束高能電子束打在發(fā)光體上，部分穿透到固體中并在其中失去能量，處于基態(tài)E1位置的電子吸收外界高能量子而躍遷到微發(fā)態(tài)E2。由于電子在高能級(jí)不穩(wěn)定，因而電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基點(diǎn)時(shí)，便發(fā)生發(fā)光現(xiàn)象。

發(fā)光機(jī)理：當(dāng)一束高能電子束打在發(fā)光體上，部分穿透到固體中并在80第七章光電材料課件81彩色顯像管用發(fā)光材料示例顏色組成色度主峰波長(zhǎng)（nm）能量效率（%）10%余輝xy紅Zn3(PO4)2:Mn0.6650.3356636.727ms（Zn,Cd）S:Ag0.6650.33667016.0

YVO4：Eu0.6640.3306207.11-3msY2O3:Eu0.6400.3526108.71-3msY2O3S:Eu0.6480.34462613.00.5-2ms綠Zn2SiO4:Mn0.2180.7125257.425ms（Zn,Cd）S:Ag0.3000.60053519.80.05-2ms（Zn,Cd）S:Al0.3570.59653518.415-30μsZnS:Cu,Al0.2430.63353021.815-30μsZnS:Cu,Au,Al0.3320.602535

15-30μs藍(lán)ZnS:,Ag0.1460.05745020.45-15μs彩色顯像管用發(fā)光材料示例82品字型電子槍一字型電子槍品字型電子槍83顏色混合模式顏色混合模式84一、激光與激光器7.3激光材料一、激光與激光器7.3激光材料8520世紀(jì)四大發(fā)明：原子能計(jì)算機(jī)半導(dǎo)體激光器激光應(yīng)用通信：激光武器醫(yī)學(xué)20世紀(jì)四大發(fā)明：86英文名：LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)“受激輻射的光放大”中文名：1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森建議將“光受激輻射”改稱“激光”“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”激光1、激光及激光器概述英文名：LASER(LightAmplification872、激光原理—電光是如何轉(zhuǎn)換的？(a)：自發(fā)輻射

處于高能級(jí)態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能級(jí)態(tài)，并同時(shí)向外輻射出一個(gè)光子；宏觀表現(xiàn)：發(fā)光光子能量：2、激光原理—電光是如何轉(zhuǎn)換的？(a)：自發(fā)輻射光子能量：88(b)：受激吸收處于低能級(jí)態(tài)的原子在一定條件下的輻射場(chǎng)作用下，吸收一個(gè)光子，躍遷到高能級(jí)態(tài)；宏觀表現(xiàn)：光被吸收(b)：受激吸收89(c)：受激輻射處于高能級(jí)態(tài)的原子在一定條件下的輻射場(chǎng)作用下，躍遷到低能級(jí)態(tài)，并同時(shí)輻射出一個(gè)與入射光子完全一樣的光子。

宏觀表現(xiàn)：光被放大(c)：受激輻射90自發(fā)輻射與受激輻射的區(qū)別自發(fā)輻射：完全是一種隨機(jī)過(guò)程，各發(fā)光原子的發(fā)光過(guò)程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無(wú)規(guī)則的射向四面八方，另外位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個(gè)范圍。受激輻射：

原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。自發(fā)輻射與受激輻射的區(qū)別自發(fā)輻射：完全是一種隨機(jī)過(guò)程，各發(fā)光91結(jié)論：受激輻射是產(chǎn)生激光的唯一渠道。受激輻射占主導(dǎo)的必要條件；受激輻射>受激吸收結(jié)論：受激輻射是產(chǎn)生激光的唯一渠道。受激輻射占主導(dǎo)的必要條件92實(shí)現(xiàn)受激輻射>受激吸收的方法：使處在高能級(jí)的原子數(shù)目比處在低能級(jí)的多——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？實(shí)現(xiàn)受激輻射>受激吸收的方法：使處在高能級(jí)的原子數(shù)目比處在低93泵浦源：用外界能量來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)、使粒子從低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)態(tài)的裝置泵浦方式：氣體輝光放電或高頻放電方式，直接注入電子方式等。如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？泵浦源：用外界能量來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)、使943、激光器的基本結(jié)構(gòu)3、激光器的基本結(jié)構(gòu)95常用激光器由三部分組成：

工作物質(zhì)泵浦源光學(xué)諧振腔激光工作物質(zhì)激勵(lì)能源諧振腔激光器結(jié)構(gòu)示意圖常用激光器由三部分組成：工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)激勵(lì)能源諧振964、激光發(fā)生過(guò)程1）受激原子自發(fā)輻射出光子4、激光發(fā)生過(guò)程1）受激原子自發(fā)輻射出光子97982）受激原子在光子照射下發(fā)生受激輻射982）受激原子在光子照射下發(fā)生受激輻射98

受激輻射光在反射鏡反射下產(chǎn)生新的受激輻射，使得諧振腔內(nèi)沿軸向的光驟然增，形成激光。3）光振蕩：3）光振蕩：995、激光的特點(diǎn)及應(yīng)用1).方向性好發(fā)散角?。杭す馄靼l(fā)射的激光，天生就是朝一個(gè)方向射出，光束的發(fā)散角極小，接近平行。1962年，人類(lèi)第一次用激光照射月球，地球距離月球的距離大約為38萬(wàn)公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里；5、激光的特點(diǎn)及應(yīng)用1).方向性好發(fā)散角?。杭す馄靼l(fā)射的激光100應(yīng)用—激光測(cè)距應(yīng)用—激光測(cè)距101102亮度高：由于激光的發(fā)射能力強(qiáng)和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高億萬(wàn)倍，比太陽(yáng)表面的亮度高幾百億倍。亮度是衡量一個(gè)光源質(zhì)量的重要指標(biāo)，若將中等強(qiáng)度的激光束經(jīng)過(guò)會(huì)聚，可在焦點(diǎn)出產(chǎn)生幾千到幾萬(wàn)度的高溫。102亮度高：由于激光的發(fā)射能力強(qiáng)和能量的高度集中，所以亮度102

激光能量在時(shí)間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬(wàn)度的高溫。

激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點(diǎn)。激光切割激光能量在時(shí)間和空間上高度集中，能在極小區(qū)激光加工、激103應(yīng)用—激光打孔應(yīng)用—激光打孔104105單色性好：光的顏色由光的不同波長(zhǎng)決定，不同的顏色，是不同波長(zhǎng)的光作用于人的視覺(jué)的不同而反映出來(lái)。激光的波長(zhǎng)基本一致，譜線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。2).單色性好105單色性好：光的顏色由光的不同波長(zhǎng)決定，不同的顏色，是105106相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品質(zhì)不同，導(dǎo)致它們的相干性也有高低之分。普通光是自發(fā)輻射光，不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。激光不同于普通光源，它是受激輻射光，具有極強(qiáng)的相干性，所以稱為相干光。相干條件（CoherentCondition）：①振動(dòng)方向相同；②振動(dòng)頻率相同；③相位相同或相位差保持恒定那么在兩束光相遇的區(qū)域內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

3).相干性好106相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品質(zhì)不同，導(dǎo)致它106激光的其他應(yīng)用—激光醫(yī)療、美容整形激光打印機(jī)激光的其他應(yīng)用—激光醫(yī)療、美容整形激光打印機(jī)107二、固體激光材料二、固體激光材料108常見(jiàn)激光器的種類(lèi)固體激光器（晶體、玻璃）氣體激光器（原子、分子、離子）液體激光器（用在液體中能發(fā)出熒光的有機(jī)染料分子作為激活劑）半導(dǎo)體激光器紅寶石激光器半導(dǎo)體激光器常見(jiàn)激光器的種類(lèi)固體激光器（晶體、玻璃）紅寶石激光器半導(dǎo)體激1091、固體激光工作物質(zhì)固體激光工作物質(zhì)由基質(zhì)材料和激活離子組成?；|(zhì)材料：其作用主要是為激活離子提供一個(gè)適當(dāng)?shù)木Ц駡?chǎng)。決定工作物質(zhì)的各種物理化學(xué)性質(zhì)；激活離子：發(fā)光中心，實(shí)際上是少量摻雜離子，稱為激活離子。激光的波長(zhǎng)主要取決于激活離子的內(nèi)部能級(jí)結(jié)構(gòu)。

1、固體激光工作物質(zhì)固體激光工作物質(zhì)由基質(zhì)材料和激1101）基質(zhì)材料優(yōu)點(diǎn)：熱導(dǎo)率高、硬度高、熒光譜線較窄。缺點(diǎn)：光學(xué)質(zhì)量和摻雜的均勻性較差。1）基質(zhì)材料優(yōu)點(diǎn)：熱導(dǎo)率高、硬度高、熒光譜線較窄。111第七章光電材料課件1122）激活離子2）激活離子1132、紅寶石激光器紅寶石是在晶體氧化鋁(Al2O3)中摻入少量的Cr2O3，由Cr3+部分取代Al3+而成，激活離子Cr3+。晶體顏色為淡紅色，它是剛玉的一種。能級(jí)結(jié)構(gòu)：鉻失去的三個(gè)電子躍遷形成高能級(jí)電子，在光的激發(fā)下可受激發(fā)射而發(fā)光。2、紅寶石激光器紅寶石是在晶體氧化鋁(Al2O3)中摻入少量114第七章光電材料課件115

能量（103cm-1）

4F1204F2非輻射躍遷2E10激活激光693.3nm04A2基態(tài)紅寶石晶體中Cr3+的能級(jí)和激光發(fā)射

從圖來(lái)看，用氙光燈的強(qiáng)可見(jiàn)光照射到紅寶石晶體上，Cr3+離子的d電子從基態(tài)4A2激發(fā)到較高的激發(fā)態(tài)4F1、4F2能級(jí)。這些能級(jí)上的電子通過(guò)非輻射過(guò)程很快回到稍低一些的能級(jí)2E。2E激發(fā)態(tài)能級(jí)的壽命非常長(zhǎng)，約為5×10-3秒。這意味著有足夠的時(shí)間可以將這種激發(fā)狀況普遍化。從能級(jí)2E回到基態(tài)就產(chǎn)生激光。在這一轉(zhuǎn)變過(guò)程，晶體相中許多離子互相激勵(lì)、衰變，便產(chǎn)生了強(qiáng)的波長(zhǎng)為693nm的相干紅光脈沖。紅寶石激光器的工作過(guò)程能量（103cm-1）4F1116反射鏡閃爍燈紅寶石開(kāi)關(guān)激光束紅寶石激光器的設(shè)計(jì)紅寶石激光器的主體是一根長(zhǎng)數(shù)百厘米、直徑1-2厘米的紅寶石晶體棒，棒的一個(gè)側(cè)端裝有1個(gè)鏡子，使得發(fā)出光又返回棒中。另一側(cè)端裝有Q閥。其實(shí)這是1個(gè)可旋轉(zhuǎn)的的鏡子，既可以允許激光束從系統(tǒng)中射出，又可以將光束返回棒中，只是當(dāng)光束強(qiáng)度達(dá)到最佳要求時(shí)才被發(fā)射出來(lái)。這樣，由于激光束在棒中往返通過(guò)，形成了更多的活化中心，就使初始相干輻射脈沖強(qiáng)度變大。反閃爍燈紅寶石開(kāi)關(guān)激光束紅寶石激光器的設(shè)計(jì)紅寶石激光器的主體117眼科：用于視網(wǎng)膜的焊接，治療青光眼，虹膜的切除激光的首次在醫(yī)學(xué)上的成功應(yīng)用是進(jìn)行眼內(nèi)手術(shù)，無(wú)需要切開(kāi)眼球。早在1962年，一臺(tái)紅寶石激光器將病人脫落的視網(wǎng)膜與眼球重新連接，使他恢復(fù)了視力。3）紅寶石激光器應(yīng)用眼科：用于視網(wǎng)膜的焊接，治療青光眼，虹膜的切除118皮膚科：用于照射治療；激光去痣和激光美白：紅寶石激光器波長(zhǎng)為694.3nm的可見(jiàn)紅光，這種波長(zhǎng)的激光最不易被氧合血紅蛋白吸收，而黑色素對(duì)其吸收率較高。激光脫毛：臨床常用其長(zhǎng)脈沖模式，深入皮膚真皮層，破壞毛囊，永久性去除身體多余毛發(fā)；皮膚科：用于照射治療；119第七章光電材料第七章光電材料120固體的光性質(zhì)：從本質(zhì)上講，就是固體和電磁波的相互作用，這涉及晶體對(duì)光輻射的反射和吸收，晶體在光作用下的發(fā)光，光在晶體中的傳播和作用以及光電作用、光磁作用等。光電轉(zhuǎn)換材料發(fā)光材料激光材料固體的光性質(zhì)：從本質(zhì)上講，就是固體和電磁波的相互作用，這涉及1217.1光電轉(zhuǎn)換材料純凈固體材料中。固體受到光輻射時(shí)，如果輻射光子的能量足以使電子由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，那么就會(huì)發(fā)生對(duì)光的吸收。這種吸收過(guò)程叫基礎(chǔ)吸收或固有吸收7.1.1固體的光吸收

基礎(chǔ)吸收或固有吸收

導(dǎo)帶價(jià)帶能隙（禁帶）光輻射絕緣體和半導(dǎo)體中電子的能帶結(jié)構(gòu)7.1光電轉(zhuǎn)換材料純凈固體材料中。固體受到光輻射時(shí)，如果輻122如：離子晶體能隙寬度一般為幾個(gè)電子伏，相當(dāng)于紫外光的能量。因此，純凈的理想離子晶體對(duì)可見(jiàn)光以至紅外區(qū)的光輻射，都不會(huì)發(fā)生光吸收，都是透明的。當(dāng)足夠強(qiáng)的輻射（如紫光）照射離子晶體時(shí)，價(jià)帶中的電子就有可能被激發(fā)跨過(guò)能隙，進(jìn)入導(dǎo)帶，發(fā)生光吸收。如：123

激子吸收（電子-空穴對(duì)）價(jià)帶中的電子吸收能量小于禁帶寬度，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)，電子實(shí)際還與空穴保持著庫(kù)侖力的相互作用，形成一個(gè)電中性系統(tǒng)，稱為激子。激子作為一個(gè)整體可以在晶格內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。導(dǎo)帶價(jià)帶激子能級(jí)光輻射激子吸收（電子-空穴對(duì)）導(dǎo)帶價(jià)帶激子能級(jí)光輻射124缺陷存在時(shí)晶體的光吸收晶體的缺陷：本征缺陷——填隙原子和空位，非本征缺陷——雜質(zhì)等。導(dǎo)帶價(jià)帶雜質(zhì)能級(jí)光輻射這些缺陷的能級(jí)在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙之中。當(dāng)材料受到光照時(shí)，缺陷能級(jí)上的電子空穴發(fā)生躍遷。這樣就使原本不能發(fā)生基礎(chǔ)吸收的物質(zhì)由于缺陷存在而發(fā)生光吸收。缺陷存在時(shí)晶體的光吸收導(dǎo)帶價(jià)帶雜質(zhì)能級(jí)光輻射這些缺陷的125

離子晶體的各種吸收光譜離子晶體的各種吸收光譜126C→V過(guò)程：基礎(chǔ)吸收E→V過(guò)程：激子吸收其他：缺陷吸收C→V過(guò)程：基礎(chǔ)吸收127D→V過(guò)程

松弛的束縛在中性雜質(zhì)上的電子和一個(gè)價(jià)帶中的空穴復(fù)合，相應(yīng)躍遷能量是Eg—ED。C→A過(guò)程

半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的一個(gè)電子落在受主雜質(zhì)原子上，并使受主雜質(zhì)原子電離化，這個(gè)過(guò)程的能量為Eg—EA。C→DA過(guò)程導(dǎo)帶電子向深受主雜質(zhì)上的躍遷，其能量小于能隙很多，這就是深受主雜質(zhì)躍遷。

D→A過(guò)程如果同一半導(dǎo)體材料中，施主和受主雜質(zhì)同時(shí)存在，那么可能發(fā)生中性施主雜質(zhì)給出一個(gè)電子躍遷到受主雜質(zhì)上的過(guò)程。D→V過(guò)程松弛的束縛在中性雜質(zhì)上的電子和一個(gè)價(jià)帶中的空128陶瓷材料的禁帶寬度較大，一般為3-10電子伏特，相當(dāng)于紫外光區(qū)的能量。因此，當(dāng)可見(jiàn)光光輻體晶體時(shí)，如此的能量不足以使其電子越過(guò)能隙，由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶。所以，晶體不會(huì)被激發(fā)，也不會(huì)發(fā)生光的吸收，陶瓷晶體在可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)都應(yīng)該是透明的。7.1.2陶瓷材料的光吸收陶瓷材料的禁帶寬度較大，一般為3-10電子伏特，相當(dāng)于紫外光129高壓鈉燈芯的透明氧化鋁瓷管高壓鈉燈芯的透明氧化鋁瓷管130陶瓷多晶體一般有兩個(gè)重要的吸收光譜帶。一是電子躍遷產(chǎn)生的吸收帶——左側(cè)的紫外截止波段，二是光學(xué)支格波的晶格振動(dòng)吸收帶——右側(cè)紅外截至波段1陶瓷材料的光吸收機(jī)理陶瓷多晶體一般有兩個(gè)重要的吸收光譜帶。1陶瓷材料的光吸收機(jī)131電子躍遷產(chǎn)生的吸收——紫外區(qū)禁帶寬度Eg和吸收波長(zhǎng)λ的關(guān)系為

hv>E

導(dǎo)帶價(jià)帶能隙（禁帶）光輻射hv

h——普朗克常數(shù)

c——光速電子躍遷產(chǎn)生的吸收——紫外區(qū)導(dǎo)帶價(jià)帶能隙（禁帶）光輻射h132二是光學(xué)支格波的晶格振動(dòng)吸收帶——紅外區(qū)當(dāng)入射光的頻率和材料內(nèi)原子的振動(dòng)頻率一致時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)入射光的強(qiáng)吸收

晶體材料內(nèi)原子振動(dòng)頻率采用雙原子分子振動(dòng)模型求得：二是光學(xué)支格波的晶格振動(dòng)吸收帶——紅外區(qū)當(dāng)入射光的頻率和材料133m1m2——雙原子分子振動(dòng)模型的雙原子質(zhì)量r——瞬時(shí)原子距離，k——原子結(jié)合力彈性常數(shù)u——折合質(zhì)量m1m2——雙原子分子振動(dòng)模型的雙原子質(zhì)量134理論上陶瓷在可見(jiàn)光區(qū)是透明的，但陶瓷是微細(xì)多晶的燒結(jié)體，主要由晶粒、晶界、玻璃相、氣孔、雜質(zhì)等組成。由于存在光的反射、折射和散射，使廣的透過(guò)率下降，陶瓷看起來(lái)是不透明的。2影響陶瓷透明性的因素理論上陶瓷在可見(jiàn)光區(qū)是透明的，但陶瓷是微細(xì)多晶的燒結(jié)體，主要135入射到材料的光一部分表現(xiàn)為表面的反射和內(nèi)部的吸收和散射，另一部分就成為透射光。透明材料希望的反射和吸收的光越少越好I——透射光強(qiáng)，I0——入射光強(qiáng)，R——反射率，α——吸收系數(shù)，s——散射系數(shù)，x——物體的厚度透射光強(qiáng)度：入射反射散射透射入射到材料的光I——透射光強(qiáng)，I0——入射光強(qiáng)，透射光強(qiáng)136應(yīng)該沒(méi)有或盡量減少氣孔和晶界等這樣的吸收中心和散射中心。同時(shí)還應(yīng)是單相的、由均質(zhì)晶體組成。并具有較高的光潔度。入射反射散射透射獲得高的透光率方法：應(yīng)該沒(méi)有或盡量減少氣孔和晶界等這樣的吸收中心和散射中心。入射137氣孔率晶界結(jié)構(gòu)原料與添加劑燒成氣氛表面加工光潔度陶瓷材料的透光性的主要影響因素：氣孔率陶瓷材料的透光性的主要影響因素：138氣孔率普通陶瓷即使有很高的致密度，往往也不透明，這是因?yàn)椋?/p>

內(nèi)部有很多封閉的氣孔?？倸饪茁食^(guò)1%的氧化物陶瓷基本是不透明的，因?yàn)闅饪椎恼凵渎史浅５?約為1.0)，這些氣孔在光線傳播的過(guò)程中會(huì)使光線發(fā)生多次反射，從而大大降低材料的透明度。氣孔率普通陶瓷即使有很高的致密度，往往也不透明，139晶界結(jié)構(gòu)首先，晶界是破壞陶瓷體光學(xué)均勻性、從而引起光的散射、致使材料的透光率下降。當(dāng)單位體積晶界數(shù)量較多，晶體配置雜亂無(wú)序，入射光透過(guò)晶界時(shí)，必然引起光的連續(xù)反射、折射，這樣其透光率也就降低。晶界結(jié)構(gòu)首先，晶界是破壞陶瓷體光學(xué)均勻性、從而引起光的散射、140其次，陶瓷材料的物相組成中通常包含著兩相或更多相，這種多相結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致光在相界表面上發(fā)生散射。材料的組成差異越大，折射率相差越大，整個(gè)陶瓷的透光率越低。其次，陶瓷材料的物相組成中通常包含著兩相或更多相，這種多相結(jié)141原料的粉體粒徑應(yīng)小于1um以外，尺寸要均勻，不產(chǎn)生團(tuán)聚。所以有時(shí)需加入添加劑。一方面是使燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)液相，降低燒結(jié)溫度，另一方面是抑制晶粒的長(zhǎng)大，縮短晶內(nèi)氣孔的擴(kuò)散路程，從而有利于得到致密的透光性好的透明陶瓷。添加劑用量一般很少，應(yīng)能均勻分布于材料中，完全溶于主晶相，不生成第二相物質(zhì)，也就是不破壞系統(tǒng)的單相性。原料與添加劑原料的粉體粒徑應(yīng)小于1um以外，尺寸要均勻，不產(chǎn)生團(tuán)聚。所以142例如，在燒結(jié)Al2O3透明陶瓷時(shí)，加入MgO。但是由于MgO局部偏析，在MgO分布較高的區(qū)域超過(guò)了固溶極限，就會(huì)在晶界上析出第二相（MgAl2O3）尖晶石，從而成為光的散射中心，使散射率增長(zhǎng)，降低了Al2O3陶瓷的透光性。

Al2O3透明陶瓷不透明陶瓷例如，在燒結(jié)Al2O3透明陶瓷時(shí)，加入MgO。但是由于MgO143在陶瓷晶體中引入雜質(zhì)離子后，雜質(zhì)缺陷能級(jí)和價(jià)帶能級(jí)之間會(huì)發(fā)生電子-空穴復(fù)合過(guò)程，其相應(yīng)的能量就會(huì)小于間帶寬度Eg，往往落在可見(jiàn)光區(qū)，結(jié)果發(fā)生固體的光吸收。

例如:Al2O3晶體,其能隙為9ev，不可能吸收可見(jiàn)光，所以是透明的。如果摻入1%的Cr3+時(shí)，晶體呈深紅色，即紅寶石，可以吸收可見(jiàn)光。在陶瓷晶體中引入雜質(zhì)離子后，雜質(zhì)缺陷能級(jí)和價(jià)帶能級(jí)之間會(huì)發(fā)生144表面加工光潔度透明陶瓷的透光度還受表面加工光潔度的制約。燒結(jié)后未處理面具有較大的粗糙度，即呈現(xiàn)微小的凹凸?fàn)?，光線入射到這種面上會(huì)發(fā)生漫反射。其表面的粗糙度越大，其透明度就越低。入射反射散射透射表面加工光潔度透明陶瓷的透光度還受表面加工光潔度的制約。燒結(jié)1457.1.3半導(dǎo)體的光吸收和光導(dǎo)電現(xiàn)象

1.本征半導(dǎo)體的光吸收

本征半導(dǎo)體的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙較小，約為1ev。在極低溫度下，電氣全部處在價(jià)帶中，不會(huì)沿任何方向運(yùn)動(dòng)，是絕緣體，其光學(xué)性質(zhì)也和前述的絕緣體一樣。當(dāng)溫度升高，一些電子可能獲得充分的能量而跨過(guò)能隙，躍遷到原本空的導(dǎo)帶中。這時(shí)價(jià)帶中出現(xiàn)空能級(jí)，導(dǎo)帶中出現(xiàn)電子。7.1.3半導(dǎo)體的光吸收和光導(dǎo)電現(xiàn)象1.本146光電性質(zhì)：施主和受主雜質(zhì)將會(huì)使半導(dǎo)體的光吸收增強(qiáng)，導(dǎo)電性增加。發(fā)光性質(zhì)：只有當(dāng)激發(fā)態(tài)電子越過(guò)能隙與空穴復(fù)合時(shí)，才會(huì)發(fā)生半導(dǎo)體的發(fā)光。2.非本征半導(dǎo)體的光吸收導(dǎo)帶價(jià)帶雜質(zhì)能級(jí)光輻射n型半導(dǎo)體可以向?qū)峁┳銐虻碾娮?，但在價(jià)帶中如果沒(méi)有空穴，因此不會(huì)發(fā)光。同樣，p型半導(dǎo)體價(jià)帶中有空穴，但其如果導(dǎo)帶中卻沒(méi)有電子，因此也不會(huì)發(fā)光。光電性質(zhì)：施主和受主雜質(zhì)將會(huì)使半導(dǎo)體的光吸收增強(qiáng)，導(dǎo)電性增加147光吸收結(jié)果：光導(dǎo)電光致發(fā)光光吸收結(jié)果：148本征半導(dǎo)體的光吸收和發(fā)光，一般說(shuō)來(lái)都源于電子跨越能隙的躍遷，即直接躍遷。價(jià)帶中的電子吸收一定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光或近紅外光可以相互脫離而自行漂移，并參與導(dǎo)電。即產(chǎn)生所謂光導(dǎo)電現(xiàn)象。3光導(dǎo)電本征半導(dǎo)體的光吸收和發(fā)光，一般說(shuō)來(lái)都源于電子跨越能隙的躍遷，149光電流：光輻射激發(fā)產(chǎn)生的載流子，一方面在復(fù)合中心消失掉，另一方面在電場(chǎng)作用下可以移動(dòng)一段距離后，這種載流子的遷移產(chǎn)生的電流，稱為光電流。如果外電場(chǎng)強(qiáng)度大，則載流子在被復(fù)合之前在晶體漂移的距離長(zhǎng)、光電流強(qiáng)，但會(huì)有一個(gè)飽和值，即初級(jí)光電流的最大值。光電流：光輻射激發(fā)產(chǎn)生的載流子，一方面在復(fù)合中心消失掉，另一150AgBr的光導(dǎo)電流隨電壓的變化AgBr的光導(dǎo)電流隨電壓的變化151

光導(dǎo)電應(yīng)用：

利用半導(dǎo)體的光導(dǎo)電效應(yīng)，把光的信息轉(zhuǎn)化為電的信息，這在現(xiàn)代技術(shù)和日常生活中已得到廣泛應(yīng)用。例如，太陽(yáng)能電池；光敏電阻，CdS用于照相機(jī)的自動(dòng)曝光機(jī)；半導(dǎo)體硒應(yīng)用在靜電復(fù)印機(jī)上；利用對(duì)紅外線敏感的PbS、PbSe、PbTe等制成紅外線探測(cè)器。光導(dǎo)電應(yīng)用：152光敏電阻：是在一塊勻質(zhì)光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃或者云母等絕緣材料基板上，電極上加裝引線，用帶有入射窗口的金屬或塑料封裝而成的。

光敏電阻光敏電阻：是在一塊勻質(zhì)光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃或者153光敏電阻光譜特性：

光敏電阻只對(duì)一定范圍內(nèi)的光波才有響應(yīng)，對(duì)有的波長(zhǎng)響應(yīng)度較大，有的波長(zhǎng)響應(yīng)度小，甚至為零。光敏電阻光譜特性：154光敏電阻響應(yīng)時(shí)間：上升響應(yīng)時(shí)間tr：光生載流子從零上升到穩(wěn)定值的63%所需的時(shí)間。下降響應(yīng)時(shí)間tf：光照停止后，光生載流子從零下降到穩(wěn)定值的37%所需的時(shí)間。光敏電阻響應(yīng)時(shí)間τ光敏電阻響應(yīng)時(shí)間：上升響應(yīng)時(shí)間tr：光生載流子從零上升到穩(wěn)155當(dāng)光線較弱時(shí)，光敏電阻CdS阻值很大，與光敏電阻并聯(lián)的路燈電阻很小，所以電流主要從路燈流過(guò)，流經(jīng)繼電器的電流很小，處于關(guān)閉狀態(tài)。路燈點(diǎn)亮。光敏電阻應(yīng)用：照相機(jī)自動(dòng)曝光路燈自動(dòng)控制當(dāng)光線較弱時(shí)，光敏電阻CdS阻值很大，與光敏電阻并聯(lián)的路燈電156當(dāng)照射到CdS的光逐漸增大時(shí)，光敏電阻的電阻變小，使流經(jīng)繼電器的電流不斷增大，達(dá)到一定值時(shí)，繼電器由關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)榇蜷_(kāi)狀態(tài)，路燈與電源斷開(kāi)。路燈熄滅。當(dāng)照射到CdS的光逐漸增大時(shí)，光敏電阻的電阻變小，使流經(jīng)繼電157激光打印機(jī)和復(fù)印機(jī)激光打印機(jī)和復(fù)印機(jī)1581．吸鼓帶電

對(duì)應(yīng)圖中1的位置，在感光鼓〔也稱吸鼓〕上用電極對(duì)感光體表面高壓電暈放電，使感光層表面帶電荷。感光鼓是在導(dǎo)電基體表面上涂有硒或其它光電導(dǎo)材料層。1．吸鼓帶電1592．掃描曝光

對(duì)應(yīng)圖中2的位置，用受被打印內(nèi)容調(diào)制的激光束對(duì)感光層掃描曝光，受光照區(qū)域的電阻率下降（光導(dǎo)電），在感光層上形成由靜電荷分布構(gòu)成的潛像（電荷圖象）。2．掃描曝光1603．靜電成像

對(duì)應(yīng)圖中3的位置，用含有炭精粉粒的顯像劑與感光層接觸，在靜電場(chǎng)的作用下，炭精粉粒附在感光層的曝光區(qū)域上，形成可見(jiàn)的炭精粉圖象，這過(guò)程也稱顯像過(guò)程。3．靜電成像1614．著色轉(zhuǎn)印

對(duì)應(yīng)圖中4的位置，打印紙與已經(jīng)顯像的感光體接觸，同時(shí)采用電暈帶電體從紙的反面加電場(chǎng)，這時(shí)感光體表面的顯像劑轉(zhuǎn)移到打印紙上完成轉(zhuǎn)印。4．著色轉(zhuǎn)印1625.熱壓定影

對(duì)應(yīng)圖中5的位置，用熱壓器加熱加壓使著色劑牢固粘結(jié)在打印紙上，完成了靜電打印。5.熱壓定影1636．清洗吸鼓對(duì)應(yīng)圖中6的位置，將感光體用清洗器清除殘留的色粉，準(zhǔn)備下一張打印。6．清洗吸鼓164靜電復(fù)印機(jī)

同激光打印機(jī)相同，復(fù)印機(jī)也是利用光電技術(shù)和電子照相技術(shù)相結(jié)合的一種印字方式。復(fù)印機(jī)與激光打印機(jī)的主要區(qū)別是圖象信息產(chǎn)生的方式不同。復(fù)印機(jī)是實(shí)物文件被反射照明后由成像鏡頭成像曝光在感光體上；而激光打印機(jī)則是由主計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖象數(shù)據(jù)經(jīng)控制電路控制激光束的偏轉(zhuǎn)和光強(qiáng)度掃描曝光完成打印的。靜電復(fù)印機(jī)165半導(dǎo)體吸收光子后。導(dǎo)帶中出現(xiàn)自由電子，價(jià)帶中有空穴。當(dāng)導(dǎo)帶中的一個(gè)電子與價(jià)帶中的一個(gè)空穴復(fù)合時(shí)，就會(huì)發(fā)射出可見(jiàn)光的光子，這就是光致發(fā)光現(xiàn)象。2光致發(fā)光半導(dǎo)體吸收光子后。導(dǎo)帶中出現(xiàn)自由電子，價(jià)帶中有空穴。當(dāng)導(dǎo)帶166如果將n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成一個(gè)pn結(jié)，在pn結(jié)處施加一個(gè)正偏向壓，可以將n區(qū)的導(dǎo)帶電子注入到p區(qū)的價(jià)帶中，在那里與空穴復(fù)合，從而產(chǎn)生光子輻射。這是一種電致發(fā)光。（a）未加正偏壓的pn結(jié)（b）加正偏壓的pn結(jié)3電致發(fā)光如果將n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成一個(gè)pn結(jié)，在pn167

pn結(jié)光輻射過(guò)程的應(yīng)用——發(fā)光二極管利用半導(dǎo)體材料材料的可調(diào)成分來(lái)改變能隙，可制作出從發(fā)紅光到發(fā)綠光的各種顏色的發(fā)光二極管。發(fā)光二極管pn結(jié)光輻射過(guò)程的應(yīng)用——發(fā)光二極管發(fā)光二極管168電致發(fā)光的典型結(jié)構(gòu)圖其他電致發(fā)光的應(yīng)用電致發(fā)光的典型結(jié)構(gòu)圖其他電致發(fā)光的應(yīng)用169顯示屏廣告牌顯示屏廣告牌1707.2發(fā)光材料7.2.1發(fā)光概論1．激發(fā)源和發(fā)光材料分類(lèi)發(fā)光:材料吸收了一定能量后，就會(huì)發(fā)生電子從低能態(tài)向高能態(tài)的躍遷，即分子從基態(tài)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。隨后，分子又會(huì)從激發(fā)態(tài)再躍遷回到穩(wěn)定的低能基態(tài)，在這一過(guò)程中會(huì)伴隨著能量的釋放。若能量以光能形式釋放，就是發(fā)光。7.2發(fā)光材料7.2.1發(fā)光概論發(fā)光:材料吸收了一定能量171根據(jù)激發(fā)光源類(lèi)型的不同劃分發(fā)光機(jī)理：光致發(fā)光：以光子或光為激發(fā)光源，常用的有紫外光作激發(fā)源。電致發(fā)光：以電能作激發(fā)源。陰極致發(fā)光：使用陰極射線或電子束為激發(fā)源。根據(jù)激發(fā)光源類(lèi)型的不同劃分發(fā)光機(jī)理：1722．發(fā)光材料的特性（1）發(fā)光材料的發(fā)光顏色發(fā)光材料的顏色可通過(guò)不同方法來(lái)表征。發(fā)射光譜和吸收光譜是研究中應(yīng)用比較多的方法。吸收光譜是材料激發(fā)時(shí)所對(duì)應(yīng)的光譜，相應(yīng)吸收峰的波長(zhǎng)就是激發(fā)時(shí)能量對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。發(fā)射光譜反映發(fā)光材料輻射光的情況，對(duì)應(yīng)譜峰的波長(zhǎng)就是發(fā)光的顏色，2．發(fā)光材料的特性發(fā)射光譜和吸收光譜是研究中應(yīng)用比較多的方法173物質(zhì)顏色和吸收光的關(guān)系物質(zhì)顏色吸收光顏色波長(zhǎng)/nm黃綠紫400~450黃藍(lán)450~480橙綠藍(lán)480~490紅藍(lán)綠490~500紅紫綠500~560紫黃綠560~580藍(lán)黃580~610綠藍(lán)橙610~650藍(lán)綠紅650~780物質(zhì)顏色和吸收光的關(guān)系物質(zhì)顏色吸收光顏色波長(zhǎng)/nm黃綠紫40174第七章光電材料課件175光致發(fā)光材料的吸收光譜發(fā)光材料的發(fā)射光譜和吸收光譜光致發(fā)光材料的吸收光譜發(fā)光材料的發(fā)射光譜和吸收光譜176從材料的發(fā)射光譜來(lái)看，發(fā)射譜峰的寬窄也是發(fā)光材料的重要特性，譜峰越窄，發(fā)光材料的單色性越好，反之亦然。我們將譜峰1/2高度時(shí)縫的寬度稱作半寬度。發(fā)射峰的半寬度半寬度(2)

顏色的單色性

從材料的發(fā)射光譜來(lái)看，發(fā)射譜峰的寬窄也是發(fā)光材料的重要特性，177(3)發(fā)光效率

發(fā)光材料的另一個(gè)重要特性是其發(fā)光強(qiáng)度，發(fā)光強(qiáng)度也隨激發(fā)強(qiáng)度而改變。通常用發(fā)光效率來(lái)表征材料的發(fā)光本領(lǐng)。(3)發(fā)光效率178(4)余輝發(fā)光材料的一個(gè)重要特性是它的發(fā)光持續(xù)時(shí)間。依發(fā)光持續(xù)時(shí)間，我們可應(yīng)將發(fā)光區(qū)分為熒光和磷光：熒光：激發(fā)和發(fā)射兩個(gè)過(guò)程之間的間隙極短，約為<10-8秒。只要光源一離開(kāi)，熒光就會(huì)消失。磷光：在激發(fā)源離開(kāi)后，發(fā)光還會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。(4)余輝發(fā)光材料的一個(gè)重要特性是它的發(fā)光持續(xù)時(shí)間。179（a）熒光體（b）磷光體發(fā)光機(jī)制（a）熒光體180第七章光電材料課件181還可以用余輝來(lái)表示物質(zhì)發(fā)光的持續(xù)時(shí)間。余輝的定義為：當(dāng)激發(fā)光停止時(shí)的發(fā)光亮度（或強(qiáng)度）J0衰減到J0的10%時(shí)，所經(jīng)歷的時(shí)間稱為余輝時(shí)間，簡(jiǎn)稱余輝。根據(jù)余輝可將發(fā)光材料分為六個(gè)范圍：極短余輝<1μs短余輝1~10μs中短余輝10-2~1ms中余輝1~100ms長(zhǎng)余輝0.1~1s極長(zhǎng)余輝>1s還可以用余輝來(lái)表示物質(zhì)發(fā)光的持續(xù)時(shí)間。余輝的定義為：當(dāng)激發(fā)光182電視用熒光粉：中余輝雷達(dá)用熒光粉：長(zhǎng)或極長(zhǎng)余輝飛點(diǎn)掃描管：超短余輝(攝象記錄、示波顯示、

激光手術(shù)）電視用熒光粉：中余輝183光致發(fā)光材料一般由基質(zhì)材料和激活劑構(gòu)成基質(zhì)材料：硫化物、硒化物、含氧化合物如磷酸鹽、硅酸鹽，硫酸鹽、等。激活劑：稀土離子、過(guò)渡金屬離子等陽(yáng)離子。這些陽(yáng)離子往往是發(fā)光活性中心，稱作激活劑。敏化劑：在基質(zhì)中摻入第2類(lèi)型的雜質(zhì)使發(fā)光亮度增加，稱作敏活劑。7.2.2熒光和磷光1．光致發(fā)光材料的基本組成光致發(fā)光材料一般由基質(zhì)材料和激活劑構(gòu)成7.2.2熒光和磷光184光致發(fā)光材料按激活劑的不同主要分為以下幾種類(lèi)型（1）稀土金屬離子

原子序數(shù)57一71的鑭系元素，加上鈧和釔共17個(gè)稀土元素稀土金屬離子的電子層結(jié)構(gòu)比較特殊;價(jià)電子在4f層，而外面被填滿的5s5p殼層包圍。4f電子在基態(tài)能級(jí)和激發(fā)態(tài)能級(jí)之間躍遷就能產(chǎn)生光子，而且由于有5s，5P殼層的屏蔽，4f電子在躍遷時(shí)受溫度、晶體場(chǎng)和基體材料的影響很小。稀土金屬離子是最常用的發(fā)光材料激活劑。光致發(fā)光材料按激活劑的不同主要分為以下幾種類(lèi)型（1）稀土金屬185（2）過(guò)渡金屬離子過(guò)渡金屬離子具有不完全充滿的d電子殼層，具有復(fù)雜的d一d光轉(zhuǎn)換。（3）其它離子除過(guò)渡及稀土金屬離子外，許多金屬離子都可以作為摻雜離子，如Pb2+、Bi3+等，具有6S2電子構(gòu)型，它們的發(fā)光來(lái)源于，S-P轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換易受基質(zhì)材料的影響。（2）過(guò)渡金屬離子（3）其它離子186斯托克位移：一般說(shuō)來(lái)，發(fā)光固體吸收了激活輻射的能量hν，發(fā)射出能量為hν’的光，而ν’總小于ν，即發(fā)射光波長(zhǎng)比激活光的波長(zhǎng)要增大λ’>λ。這種效應(yīng)稱作斯托克位移（Stokesshift）。斯托克位移：187Eu摻雜Al2O3激發(fā)光譜Eu摻雜Al2O3發(fā)射光譜Eu摻雜Al2O3激發(fā)光譜Eu摻雜Al2O3發(fā)射光譜188（1）日光燈日光燈是磷光材料的最重要應(yīng)用之一。激發(fā)源是汞放電產(chǎn)生的紫外光，磷光材料吸收這種紫外光，發(fā)出“白色光”。日光燈的構(gòu)造示意圖

2.典型熒光和磷光材料Hg白光玻璃殼磷光體料涂層185nm254nm（1）日光燈日光燈的構(gòu)造示意圖2.典型熒光和磷光材料H189日光燈的構(gòu)造示意圖：它由一個(gè)內(nèi)壁涂有磷光體的玻璃管內(nèi)充有汞蒸氣和氬氣構(gòu)成。通電后，汞原子受到燈絲發(fā)出電子的轟擊，殼層電子被激發(fā)到較高能態(tài)。當(dāng)它返回到基態(tài)時(shí)便發(fā)出波長(zhǎng)為254和185nm的紫外光，涂在燈管內(nèi)壁的磷光體受到這種光輻照，就隨之發(fā)出白光。Hg白光玻璃殼磷光體料涂層185nm254nm日光燈的構(gòu)造示意圖：它由一個(gè)內(nèi)壁涂有磷光體的玻璃管內(nèi)充有汞蒸190(1)離子鍵的絕緣材料。如Cd2B2O5、Zn2SiO4、3Ca(PO4)2·Ca(Cl,F)2等。在這些材料中，相應(yīng)激活離子有一套不連續(xù)的能級(jí)。

燈用磷光材料的組成

常用的基質(zhì)晶體有兩類(lèi)(1)離子鍵的絕緣材料。燈用磷光材料的組成常用的191(2)共價(jià)性的半導(dǎo)體化合物ZnS等。對(duì)這類(lèi)材料，基質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)會(huì)由于加入激活劑離子伴隨的能級(jí)而有所改變。例如，分別摻雜Ag+、Sb3+和Eu2+離子的ZnS磷光體由于激活劑不同，而產(chǎn)生特征的光譜和顏色。(2)共價(jià)性的半導(dǎo)體化合物ZnS等。對(duì)這類(lèi)材料，基質(zhì)的能帶192日光燈磷光體構(gòu)成：雙重?fù)诫s了Sb3+和Eu2+的磷灰石?；|(zhì)：Ca5(PO4)3F激活劑：Sb3+，發(fā)藍(lán)光；Mn2+，發(fā)桔黃色光，

Sb3+，Mn2+都加：發(fā)出近似白色光。用氯離子部分取代氟磷灰石中氟離子，可以改變發(fā)射光譜的波長(zhǎng)分布。這是由于基質(zhì)變化改變了激活劑離子的能級(jí)，也就改變了其發(fā)射光譜波長(zhǎng)。以這種方式小心控制組成比例，可以獲得較佳的熒光顏色。日光燈磷光體構(gòu)成：雙重?fù)诫s了Sb3+和Eu2+的磷灰石。193

燈用稀土光致發(fā)光材料

組成

顏色

用途

Y2O3:Eu

紅

節(jié)能燈

Y(V,P)O4:Eu

紅

高壓汞燈

MgAl11O19:Ce,Tb

綠

節(jié)能燈

LaPO4:Ce,Tb

綠

節(jié)能燈

GdMgB5O10:Ce,Tb

綠

節(jié)能燈

BaMgAl10O17:Eu,Mn

蘭綠

節(jié)能燈

BaMgAl10O17:Eu

蘭

節(jié)能燈

Sr5(PO4)3Cl:Eu

蘭

節(jié)能燈

Sr3(PO4)2:Eu

蘭

復(fù)印燈

燈用稀土光致發(fā)光材料顏色用途Y2O3:Eu紅節(jié)能194電視機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示器等使用的熒光材料——陰極射線致發(fā)光材料，——電子束為激發(fā)源。顯象管用熒光材料要求——足夠高的發(fā)光亮度，——余輝時(shí)間要求短，這類(lèi)材料又依黑白和彩色顯像管分為：“白色”發(fā)光材料和彩色發(fā)光材料。（2）顯示用熒光材料——陰極射線發(fā)光電視機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示器等使用的熒光材料（2）顯示用熒光材料——195第七章光電材料課件196國(guó)產(chǎn)y7材料（Zn,Cd）S:Ag發(fā)黃色光國(guó)產(chǎn)y8材料ZnS:Ag發(fā)藍(lán)色光國(guó)產(chǎn)y26材料y7+y8發(fā)白色光（Zn,Be）2SiO4:Mn發(fā)黃色光（Ca,Mg）SiO3:Ti發(fā)藍(lán)色光(1)“白色”發(fā)光材料最早研究“白色”發(fā)光材料是一類(lèi)單一組分的材料，主要有ZnS·CdS:Ag,Au和ZnS·CdS:P,As，但其效率低，沒(méi)有得到實(shí)際的應(yīng)用，后來(lái)又研制了硫氧化合物材料。目前廣泛使用的是復(fù)合成分材料，例如：(1)“白色”發(fā)光材料197（2）彩色發(fā)光材料彩色電視機(jī)顯像管用發(fā)光材料有紅、綠、藍(lán)三種成分組成。為了最佳傳送顏色。在陰極射線發(fā)光材