材料物理材料的光学20171.ppt

Tandon, S. P.; Gupta, J. P. Phys. Stat. Sol. 1970, 38, 363. Tauc, J.; Grigorovici, R.; Vancu, A. Phys. Stat. Sol. 1966, 15, 627. 6.2 材料的透光性 ZnO薄膜的实验结果 当光波在媒质中传播时，用透射法测定光的衰减时，发现媒质中光的衰减与光强成正比，引入比例系数a，得：I=I0e-αx。对于禁带宽度的计算，可根据αhv=A(hv-Eg)?，由以上两式得函数关系(αhv)?~hv，依此做图，将吸收边陡峭的线性部分外推到(αhv)2=hv处，与X轴的交点即为禁带宽度。 6.2 材料的透光性 AlN薄膜的实验结果 薄膜的光学能带隙随着生长温度的升高而变窄。这可能是由于沉积温度过高，AlN薄膜的内部缺陷密度过大，造成薄膜质量的降低，这与前面讨论的结果相一致。 6.2 材料的透光性 半导体的光吸收和光导电现象 半导体材料的禁带宽度决定材料的性质。 本征半导体的光吸收和发光，一般说来都源于电子跨越能隙的跃迁，即直接跃迁。 价带中的电子吸收一定波长的可见光或近红外光可以相互脱离而自行漂移，并参与导电，即产生所谓光导电现象。 当导带中的一个电子与价带中的一个空穴复合时，就会发射出可见光的光子，这就是所谓光致发光现象。 6.2 材料的透光性 抑制细菌生长和病毒的活性能力，从而达到杀菌、空气净化、除臭、防霉，消除空气污染。 通过特定波长光线照射，激活纳米光催化剂，生成电子—空穴对，使光催化剂与周围的H2O分子、O2分子发生作用，结合生成氢氧自由基OH——锁住空气中各种有害成分，分解有害成分分子 6.2 材料的透光性 导带 价带 能隙(禁带） 激子能级 对应于电子由价带向稍低于导带底处的能级跃迁有关。这些能级可以看作是一些电子-空穴（或叫做激子，excition）的激发能级。处于这种能级上的电子，不同于被激发到导带上的电子，不显示光导电现象，它们和价带中的空穴偶合成电子-空穴对，作为整体在晶体中存在着或运动着，可以在晶体中运动一段距离（~1μm）后再复合湮灭。 6.2 材料的透光性 激子吸收 (excition absorption) 缺陷吸收 晶体的缺陷有本征的，如填隙原子和空位，也有非本征的，如替代杂质等。 这些缺陷的能级定于在价带和导带之间的能隙之中。当材料受到光照时，受主缺陷能级接受价带迁移来的电子，而施主能级上的电子可以向导带迁移，这样就使原本不能发生基础吸收的物质由于缺陷存在而发生光吸收。 6.2 材料的透光性 6.2 材料的透光性 Ev Ec Ee EA EDD EDA ED 能级图：缺陷能级+激子能级 E: excition D: donor DD: deep donor DA: deep acceptor A: acceptor 例子： C-A过程：本征半导体导带中的一个电子落在受主杂质原子上，并使受主杂质原子电离化，这个过程的能量为Eg—EA。例如对GaAs来说，许多受主杂质的EA为0.03ev，所以C→A过程应发生在1.49ev处。实际上，在GaAs的发光光谱中，已观察到1.49ev处的弱发光谱线，它应当归属于自由电子-中性受主杂质跃迁。 导带电子向深受主杂质上的跃迁，其能量小于能隙很多，这就是深受主杂质跃迁C→DA过程。 6.2 材料的透光性 离子晶体的各种吸收光谱示意图 6.2 材料的透光性 6.2 材料的透光性 晶格吸收 (lattice absorption) 绝缘体材料在红外区还有：由于离子弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量的吸收峰。 - + - + - + - + - + - + Ions at equilibrium positions in the crystal - + - + - + - + - + - + E z Forced oscillations by the EM wave 光的波长与晶格振动能量接近时，耦合发生，被吸收 6.2 材料的透光性 离子极化建立和消除时间很短，与离子在晶格振动的周期有相同的数量级，约为10-12-10-13s（1012Hz，红外） -q +q E 离子位移极化 被吸收后，转变为晶格振动能。（热能） 这种共振峰的吸收对应于离子极化的损耗弛豫峰。 6.2 材料的透光性 InP的红外吸收 J. Phys.: Condens. Matter 24 435803 (2012) 6.2 材料的透光性 要使有较宽的可见光透明频率范围：禁带宽度大，原子原子间结合力小，离子质量大，如高原子质量的碱金属卤化物。 要使该吸收峰原理可见光区，则需要选择较小的材料热振动频率γ，