固體的光性質與光功能材料課件

固體的光性質與光功能材料1固體的光性質與光功能材料1 固體的光性質，從本質上講，就是固體和電磁波的相互作用，這涉及晶體對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。

按照具體作用機理或應用目的之不同，尚可把光功能材料進一步區(qū)分為電光材料、磁光材料、彈光材料、聲光材料、熱光材料、非線性光學材料以及激光材料等多種。2 固體的光性質，從本質上講，就是固體和電磁波的相互作用，這電光材料熒光材料材料：無機材料：砷化鎵（GaAs）、砷鋁化鎵（GaAlAs）等材料有機材料3電光材料熒光材料材料：344

市場上出售的普通熒光棒內裝有過氧化氫溶液以及一種包含苯基草酸酯和熒光染料的溶液。當上述兩種溶液混合時，會依次發(fā)生下列反應

5 市場上出售的普通熒光棒內裝有過氧化氫溶液以及一種包含苯基過氧化氫氧化苯基草酸酯，生成苯酚和不穩(wěn)定的過氧酸酯。不穩(wěn)定的過氧酸酯分解生成更多的苯酚和一種環(huán)狀過氧化合物。環(huán)狀過氧化合物分解生成二氧化碳。分解過程中會向染料釋放能量。染料原子的電子跳至更高級別，然后回落，并以光的形式釋放能量。6過氧化氫氧化苯基草酸酯，生成苯酚和不穩(wěn)定的過氧酸酯。6固體的能帶理論與導電性.Mg.

Mg先看兩個原子的情況1s2s2p3s3p1s2s2p3s3p7固體的能帶理論與導電性.Mg.Mg先看兩個原子的情況1s2能級能帶N條能隙，禁帶E1、能帶（energyband）：由于各原子間的相互作用，使得原來孤立原子的能級發(fā)生分裂。若有N個原子組成一體，對于原來孤立原子的一個能級，就分裂成N條靠得很近的能級，稱為能帶。8能級能帶N條能隙，禁帶E1、能帶（energyband）

滿帶：填滿電子的能帶。

空帶：沒有電子占據(jù)的能帶。

不滿帶：未填滿電子的能帶。

禁帶：不能填充電子的能區(qū)。

價帶：和價電子能級相應的能帶，即最高的充有電子的能帶。2、幾個概念：

滿帶E

不滿帶

禁帶

禁帶價帶

空帶9滿帶：填滿電子的能帶?？諑В簺]有電子占據(jù)的能帶。不滿二.絕緣體和半導體的能帶結構E空帶空帶滿帶禁帶ΔEg=3～6eV滿帶與空帶間有一個較寬的禁帶（Eg：3～6eV），共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到高能級（空帶）上去。絕緣體Eg=0.12eVE空帶（導帶）滿帶禁帶本征半導體半導體的禁帶寬度ΔEg很窄（0.1～2eV）加熱、光照、加電場都能把電子從滿帶激到發(fā)空帶中去，同時在滿帶中形成“空穴”。10二.絕緣體和半導體的能帶結構E空帶空帶 1、固體對光的吸收與光電轉換材料1.1固體光吸收的本質

1.1.1純凈物質對光的吸收-固有吸收： 價帶完全被電子填滿。導帶和價帶之間存在一定寬度的能隙（禁帶），在能隙中不能存在電子的能級。固體受到光輻射：如果輻射光子的能量不足以使電子由價帶躍遷至導帶，那么晶體就不會激發(fā)，也不會發(fā)生對光的吸收。電子由價帶到導帶的躍遷相關的光吸收，稱作基礎吸收或固有吸收。導帶價帶能隙（禁帶）絕緣體或半導體h11 1、固體對光的吸收與光電轉換材料1.1固體光吸收的本質 電磁波譜離子晶體的能隙寬度一般為幾個電子伏，相當于紫外光的能量。因此，純凈的理想離子晶體對可見光以至紅外區(qū)的光輻射，都不會發(fā)生光吸收，都是透明的。E=h12電磁波譜離子晶體的能隙寬度一般為幾個電子伏，相當于紫外光的能堿金屬鹵化物晶體對電磁波透明的波長可以由~25μm到250nm，0.05~5ev的能量。能量足夠高的輻射（如紫光）照射離子晶體時，價帶中的電子就有可能被激發(fā)跨過能隙，進入導帶，這樣就發(fā)生基礎吸收或固有吸收。CaF2的基礎吸收帶在200nm(約6ev)附近，NaCl的基礎吸收約為8ev，Al2O3的基礎吸收約在9ev。13堿金屬鹵化物晶體對電磁波透明的波長可以由~25μm到250n1.1.2缺陷存在時晶體的光吸收-激子吸收吸收能量低于能隙寬度，對應于電子由價帶向稍低于導帶底處的的能級的躍遷。這些能級可以看作是一些電子-空穴（或叫做激子）的激發(fā)能級處于這種能級上的電子，不顯示光導電現(xiàn)象，它們和價帶中的空穴偶合成電子-空穴對，作為整體在晶體中存在著或運動著，可以在晶體中運動一段距離（-1μm）后再復合湮滅。h導帶價帶激子能級141.1.2缺陷存在時晶體的光吸收-激子吸收吸收能量低于能隙缺陷存在時晶體的光吸收晶體的缺陷本征:填隙原子和空位非本征的:替代雜質等

15缺陷存在時晶體的光吸收晶體的缺陷15缺陷存在時晶體的光吸收 缺陷的能級位于價帶、導帶之間的能隙之中。當材料受到光照時，受主缺陷能級接受價帶遷移來的電子，而施主能級上的電子可以向導帶遷移，這樣就使原本不能發(fā)生基礎吸收的物質由于缺陷存在而發(fā)生光吸收，16缺陷存在時晶體的光吸收 缺陷的能級位于價帶、導帶之間的能隙之1.2半導體的光吸收和光導電現(xiàn)象在極低溫度下，電子全部處在價帶，不沿任何方向運動，是絕緣體室溫下半導體材料的禁帶寬度決定材料的性質。1.2.1本征半導體的光吸收本征半導體的光吸收和發(fā)光，一般說來都源于電子跨越能隙的躍遷，即直接躍遷。價帶中的電子吸收一定波長的可見光或近紅外光可以相互脫離而自行漂移，并參與導電，產(chǎn)生所謂光導電現(xiàn)象。當導帶中的一個電子與價帶中的一個空穴復合時，就會發(fā)射出可見光的光子，光致發(fā)光現(xiàn)象。171.2半導體的光吸收和光導電現(xiàn)象在極低溫度下，電子全部處在【例】要使半導體CdS產(chǎn)生本征光電導，求激發(fā)電子的光波的波長最大多長？滿帶空帶hEg=2.42eV解CdS18【例】要使半導體CdS產(chǎn)生本征光電導，求激發(fā)電子的光波的波摻入半導體的雜質有三類：施主雜質、受主雜質和等電子雜質。1.2.2非本征半導體的光吸收空帶滿帶施主能級EDEgSiSiSiSiSiSiSiPn型半導體19摻入半導體的雜質有三類：施主雜質、受主雜質和等電子雜質。1.摻入半導體的雜質有三類：施主雜質、受主雜質和等電子雜質。1.2.2非本征半導體的光吸收EA空帶滿帶受主能級SiSiSiSiSiSiSi+BEgp型半導體20摻入半導體的雜質有三類：施主雜質、受主雜質和等電子雜質。1.當雜質的價電子數(shù)等于其所替代的主晶格原子的價電子數(shù)時，這種雜質稱為等電子雜質.1.2.2非本征半導體的光吸收21當雜質的價電子數(shù)等于其所替代的主晶格原子的價電子數(shù)時，這種雜單獨的施主和受主雜質不會影響到材料的光學性質。因為只有當激發(fā)態(tài)電子越過能隙與空穴復合時，才會發(fā)生半導體的發(fā)光。1.2.2非本征半導體的光吸收EA空帶滿帶受主能級Eg空帶滿帶施主能級EDEg22單獨的施主和受主雜質不會影響到材料的光學性質。因為只有當激發(fā)在晶體對光的基礎吸收中，同時產(chǎn)生電子和空穴成為載流子，對晶體的電導作出貢獻。雜質吸收中，激發(fā)到導帶中的電子可以參與導電，但留下來的空穴被束縛在雜質中心，不能參與導電。這樣的空穴俘獲鄰近的電子而復合。當價帶電子受光激發(fā)到雜質中心時，價帶中產(chǎn)生的空穴可以參與導電。1.2.3光導電現(xiàn)象23在晶體對光的基礎吸收中，同時產(chǎn)生電子和空穴成為載流子，對晶體當電場強度一定時，改變光的強度會對光導電流產(chǎn)生影響。一般地，光導電流強度與光強成正比變化。

AgBr的光導電流隨電壓的變化光生載流子，一部分在復合中心消失掉，另一部分在電場作用下可以移動一段距離后，再被陷阱俘獲。如果外電場強度大，則載流子在被陷阱所俘獲之前在晶體中飄移的距離長、光電流強，但會有一個飽和值（即初級光電流的最大值）24當電場強度一定時，改變光的強度會對光導電流產(chǎn)生影響。一般地，光導電效應的應用光導電特性材料對光敏感，無光照時，不易導電；受到光照時，就變的容易導電了。常用的硫化鎘半導體光敏電阻，在無光照時電阻高達幾十兆歐，受到光照時電阻會減小到幾十千歐。利用光導電特性制作的光電器件還有光電二極管和光電三極管等。25光導電效應的應用光導電特性材料對光敏感，無光照時，不易導電； 2、固體的發(fā)光和發(fā)光材料2.1激發(fā)源和發(fā)光材料分類發(fā)光：描述某些固體材料由于吸收能量而隨之發(fā)生的發(fā)射光現(xiàn)象。發(fā)光可以以激發(fā)光源類型的不同劃分為如下發(fā)光類型：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。26 2、固體的發(fā)光和發(fā)光材料2.1激發(fā)源和發(fā)光材料分類262.2發(fā)光材料的特性發(fā)光材料的顏色：發(fā)光材料的顏色可通過不同方法來表征。發(fā)射光譜和吸收光譜是研究中應用比較多的方法吸收光譜是材料激發(fā)時所對應的光譜，相應吸收峰的波長就是激發(fā)時能量對應波長，發(fā)射光譜反映發(fā)光材料輻射光的情況，對應譜峰的波長就是發(fā)光的顏色光致發(fā)光材料的吸收光譜和發(fā)射光譜272.2發(fā)光材料的特性吸收光譜是材料激發(fā)時所對應的光譜，相應吸顏色的單色性從材料的發(fā)射光譜來看，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高度時縫的寬度稱作半寬度。光致發(fā)光材料的發(fā)射光譜 發(fā)射峰的半寬度半寬度28顏色的單色性光致發(fā)光材料的發(fā)射光譜 發(fā)射峰的半寬度半寬度色坐標發(fā)光材料的顏色可以用色坐標來表示。國際照明協(xié)會決定選取一組三基色參數(shù)x、y、z，時的顏色匹配過程中只有疊加的辦法，稱作（x、y、z系統(tǒng)）。任何一種顏色Q在這種系統(tǒng)中表示為：29色坐標發(fā)光材料的顏色可以用色坐標來表示。29發(fā)光效率

發(fā)光材料的另一個重要特性是其發(fā)光強度，發(fā)光強度也隨激發(fā)強度而改變。通常用發(fā)光效率來表征材料的發(fā)光本領，有3種表示方法：量子效率發(fā)射物質輻射的量子數(shù)N發(fā)光與激發(fā)光源輸入的量子數(shù)N吸收（如果是光致發(fā)光則是光子數(shù)；如系電子發(fā)光，則是電子數(shù)。余類推。）的比值：B量子=N發(fā)光/N吸收5.2.1能量效率發(fā)光能量與激發(fā)源輸入能量之間的比值B量子=E發(fā)光/E吸收5.2.2如果是光致發(fā)光，又與E=hν，所以能量效率還可以表示如下：B量子=E發(fā)光/E吸收=hν發(fā)光/hν吸收=ν發(fā)光/ν吸收5.2.3光度效率發(fā)光的流明數(shù)與激發(fā)源輸入流明數(shù)的比值：B量子=光度發(fā)光/光度吸收5.2.430發(fā)光效率30余輝

發(fā)光材料的一個重要特性是它的發(fā)光持續(xù)時間。依發(fā)光持續(xù)時間，我們可應將發(fā)光區(qū)分為熒光和磷光：熒光（Fluorescence）：激發(fā)和發(fā)射兩個過程之間的間隙極短，約為<10-8秒。只要光源一離開，熒光就會消失。磷光（Phosphorescence）：在激發(fā)源離開后，發(fā)光還會持續(xù)較長的時間。還可以用余輝來表示物質發(fā)光的持續(xù)時間。余輝的定義為：當激發(fā)光停止時的發(fā)光亮度（或強度）J0衰減到J0的10%時，所經(jīng)歷的時間稱為余輝時間，簡稱余輝。根據(jù)余輝可將發(fā)光材料分為六個范圍：極短余輝<1μs短余輝1~10μs中短余輝10-2~1ms中余輝1~100ms長余輝0.1~1s極長余輝>1s31余輝31典型磷光材料日光用磷光材料日光燈是磷光材料的最重要應用之一。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”。由一個內壁涂有磷光體的玻璃管內充有汞蒸氣和氬氣構成。通電后，汞原子受到燈絲發(fā)出電子的轟擊，被激發(fā)到較高能態(tài)。當它返回到基態(tài)時便發(fā)出波長為254和185nm的紫外光，涂在燈管內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185nm254nm32典型磷光材料Hg白光玻璃殼磷光體料涂層185nm254nm32.3發(fā)光類型場致發(fā)光：半導體材料在外電場的作用下的發(fā)光現(xiàn)象。如II-VI族與III-V族化合物。II-VI族制成粉末、薄膜或者單晶都可以發(fā)光，而III-V族化合物當前只限于單晶。II-VI族粉末目前有三種類型：1.交流電場激發(fā)發(fā)光材料，以ZnS為主要基質，Cu的摻雜量高達10-3；2.直流電場激發(fā)發(fā)光材料，以ZnS-Cu,Mn最好；3.有存貯性能的材料，如ZnS-Mn，以直流電激發(fā)時，它不發(fā)光，但如同時加以輻照，即可發(fā)光，而且撤出輻照后，它仍可發(fā)光。332.3發(fā)光類型如II-VI族與III-V族化合物。II-V2.3發(fā)光類型陰極射線發(fā)光：在真空中從陰極出來的電子束經(jīng)加速后，轟擊熒光屏發(fā)出發(fā)光。顯象管用熒光材料要求必須具有足夠高的發(fā)光亮度，；余輝時間要求足夠短，在電流密度為0.2μA·cm-2情況下，激發(fā)停止后經(jīng)過40μs，發(fā)光亮度對初始亮度的比值為0.6~0.8，可見發(fā)光效率足夠高；最后從工藝上還要求嚴格的顆粒度。這類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。342.3發(fā)光類型顯象管用熒光材料要求必須具有足夠高的發(fā)光亮度彩色發(fā)光材料彩色電視機顯像管用發(fā)光材料有紅、綠、藍三種成分組成。在陰極射線發(fā)光材料中，幾年來發(fā)展極快、具有前途的一類材料是稀土型發(fā)光材料。稀土型材料既能承擔激活劑的作用，也能作為發(fā)光材料的基質，而且具有顏色飽和度和性能穩(wěn)定的特點，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。35彩色發(fā)光材料352.3發(fā)光類型發(fā)光二極管（LED）：一種低電壓注入型發(fā)光，可以把電能直接轉化成光能材料：無機材料：砷化鎵（GaAs）、砷鋁化鎵（GaAlAs）等材料有機材料（OLED）：362.3發(fā)光類型材料：36P-n結處的發(fā)光機理n型p型U0電勢電子電勢能p-n結np37P-n結處的發(fā)光機理n型p型U0電勢電子電勢能p-n結np3由于p-n結的存在，電子的能量應考慮進勢壘帶來的附加勢能。

這使電子能帶出現(xiàn)彎曲：空帶空帶p-n結滿帶滿帶+—p-n結處施加正偏向壓，n區(qū)的導帶電子與p區(qū)的空穴在p-n結處復合，從而產(chǎn)生光子輻射這種發(fā)光只發(fā)生在p-n結上，稱作注入結型發(fā)光這是一種電致發(fā)光，是發(fā)光二極管工作的基本過程。38由于p-n結的存在，電子的能量應考慮進勢壘帶來的附加3、固體激光材料激光的產(chǎn)生E2E1hE2E1自發(fā)發(fā)射躍遷吸收hAA電子從E2返回E1，并釋放出一個光子hv=E2-E1E2E1h受激輻射躍遷hhA393、固體激光材料激光的產(chǎn)生E2E1hE2E1自發(fā)發(fā)射躍遷只有能量為hv=E2-E1的光子才能引起受激輻射；受激輻射后，就有兩個能量都是hv的光子；受激輻射光的位相、偏振都與入射光相同；在外界光子引發(fā)受激輻射的同時，也發(fā)生吸收的過程；處于低能態(tài)的原子數(shù)總是很多，外界光子被吸收的可能性更大，引發(fā)受激輻射的可能性很小。40只有能量為hv=E2-E1的光子才能引起受激輻射；40產(chǎn)生激光的必要條件只有讓高能級的原子數(shù)大于低能級的原子數(shù)；（也叫粒子數(shù)反轉）才可能使受激輻射的幾率大于吸收幾率；維持連續(xù)不斷的受激輻射。41產(chǎn)生激光的必要條件只有讓高能級的原子數(shù)大于低能級的原子數(shù)；（產(chǎn)生激光的充分條件單色光 粒子數(shù)反轉產(chǎn)生的激光壽命短、微弱，沒有實用價值； 必須經(jīng)過光諧振器，使光子不斷增值，最后產(chǎn)生很強的位相相同的單色光，就是實用的激光。42產(chǎn)生激光的充分條件單色光42激光器的組成部分自1960年梅曼研制出第一臺紅寶石激光器以來，激光器的研制和應用有了飛速發(fā)展，在工業(yè)、醫(yī)療、民用、國防等領域應用廣泛。激光器主要由三部分組成：激光工作物質、激勵能源、光學共振腔。1）工作物質是激光器的核心，只有能實現(xiàn)能級躍遷的物質才能作為激光器的工作物質。2）激勵能源（光泵）作用是給工作物質以能量，即將原子由低能級激發(fā)到高能級的外界能量。3）光學共振腔是激光器的重要部件，其作用一是使工作物質的受激輻射連續(xù)進行，起“放大作用”；二是對光束的準直作用和過濾作用。43激光器的組成部分自1960年梅曼研制出第一臺紅寶石激光器以來激光器的分類根據(jù)激光工作物質，可把激光器分為氣體激光器、固體激光器、分子激光器、半導體激光器等。44激光器的分類根據(jù)激光工作物質，可把激光器分為氣體激光器、固體固體激光器固體激光器發(fā)展最早，其體積小，輸出功率大，應用方便。但由于工作物質很復雜，造價高。用于固體激光器的物質主要有三種：紅寶石工作物質，它是在單晶體剛玉基質中摻入少量的三價鉻離子后形成的激活晶體。摻入的三價鉻離子是激活劑，起發(fā)光中心的作用。輸出波長為694.3nm，為紅色光；摻釹鋁石榴石（Nd：YAG）工作物質，輸出的波長為1.06μm呈白藍色光；釹玻璃工作物質，輸出波長1.06μm呈紫藍色光。45固體激光器固體激光器發(fā)展最早，其體積小，輸出功率大，應用方便氣體激光器工作物質主要以氣體狀態(tài)進行發(fā)射的激光器在常溫常壓下是氣體，但有的物質在通常條件下是液體（如非金屬粒子的有水、汞），及固體（如金屬離子結構的銅，鎘等粒子），經(jīng)過加熱使其變?yōu)檎魵?，利用這類蒸氣作為工作物質的激光器，統(tǒng)歸氣體激光器之中。典型的氣體激光器為氦－氖（He-Ne）激光器

氣體激光器與固體激光器相比較，兩者中以氣體激光器的結構相對簡單得多，造價較低，操作簡便，但是輸出功率常較小。46氣體激光器工作物質主要以氣體狀態(tài)進行發(fā)射的激光器46分子激光器分子氣體激光器通過分子能級間的躍遷產(chǎn)生激發(fā)振蕩的一和種激光器，分子氣體激光器中主要使用的為CO2激光器；

CO2激光器效率高，不造成工作介質損害，發(fā)射出10.6μm波長的不可見激光，是一種比較理想的激光器。47分子激光器分子氣體激光器通過分子能級間的躍遷產(chǎn)生激發(fā)振蕩的一4、光導纖維光導纖維：簡作光纖，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具。484、光導纖維光導纖維：簡作光纖，是一種利用光在玻璃或塑料制成總外徑125~200μm纖芯(高透明固體材料，如高石英玻璃)包層（折射率較纖芯低固