课程65光学性质

1、第五节第五节 材料的光学性质材料的光学性质Nature Photonics：http:/ Photonics: /journal/apchd5光的波粒二象性光的波粒二象性 人们通常所说的光是一种能引起视觉的电磁辐射，人们通常所说的光是一种能引起视觉的电磁辐射，波长范围波长范围0.390.77m m，只在电磁波谱中占很窄，只在电磁波谱中占很窄的一部分。可见光的颜色取决于光的波长。白光的一部分。可见光的颜色取决于光的波长。白光是各种带色光的混合光。是各种带色光的混合光。 无线电波和微波、红外光是由原子振动或晶格结无线电波和微波、红外光是由原子振动或晶格结构改变引

2、起的低能、长波辐射。构改变引起的低能、长波辐射。X X射线、紫外光和射线、紫外光和可见光都是与原子的电子结构改变相关的。可见光都是与原子的电子结构改变相关的。射射线是改变原子结构产生的，具有很高的能量。它线是改变原子结构产生的，具有很高的能量。它们本质上都属于电磁辐射。们本质上都属于电磁辐射。 紫外光和紫外光和X X射线的波长没有明确的分界，射线的波长没有明确的分界，X X射线和射线和射线也没有明确的波长界线，人们是根据它们射线也没有明确的波长界线，人们是根据它们产生的方法来区分的。产生的方法来区分的。光子的能量光子的能量 光具有波动和微粒两重性光具有波动和微粒两重性 考虑光的微粒性时，光的能

3、量就不是均匀连续地分布在它考虑光的微粒性时，光的能量就不是均匀连续地分布在它传播的空间，而是集中在一个个光子上，光子的能量为传播的空间，而是集中在一个个光子上，光子的能量为 光的动量为光的动量为 式中式中h为普朗克常数，为普朗克常数，6.6210-34J/s，为光的频率，为光的频率，c为光速，为光速，3108m/s，为波长。可见光子的能量与其波为波长。可见光子的能量与其波长成反比，与频率成正比。当电子吸收光子时每次总是吸长成反比，与频率成正比。当电子吸收光子时每次总是吸收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。chhE/hp Eg=1240/onset光的速度

4、光的速度 电磁波在真空中的传播速度为电磁波在真空中的传播速度为c=3108m/s式中式中0 0、0 0分别为真空中的介电常数和磁导率分别为真空中的介电常数和磁导率 当光在介质中传播时，其速度当光在介质中传播时，其速度v由下式决定由下式决定式中式中r r、r r分别为介质的介电常数和磁导率分别为介质的介电常数和磁导率 c与与v的比值称为介质的折射率的比值称为介质的折射率n001crrcv nvc光的反射与折射光的反射与折射 入射角、反射角和折射角入射角、反射角和折射角 折射定律折射定律 相对折射率相对折射率称为第二介质相当于第一介质的相对折射率称为第二介质相当于第一介质的相对折射率 绝对折射率第

5、一介质为真空时绝对折射率第一介质为真空时n2 为第二介质的绝对折射率，简称折射率为第二介质的绝对折射率，简称折射率 21122121sinsinvvnnn 两种介质相比，光的传播速度较大者称为两种介质相比，光的传播速度较大者称为光疏介质，其折射率光疏介质，其折射率较小较小。光的传播速度较小者称为。光的传播速度较小者称为光密介质，其折射率较大光密介质，其折射率较大。221sinsinnvc根据惠更斯原理推导出根据惠更斯原理推导出光的反射定律和折射定律光的反射定律和折射定律光的反射率、透过率和吸收率光的反射率、透过率和吸收率光照射到某种材料上时将产生光的反射与折射、光的吸收与光照射到某种材料上时将

6、产生光的反射与折射、光的吸收与透射。透射。设入射光的能量为设入射光的能量为W，反射光的能量为，反射光的能量为W，根据能量守恒，根据能量守恒，可得出可得出w=w+w吸收吸收+w透射透射光的反射率、透过率光的反射率、透过率 光的反射率光的反射率m为为 如介质如介质1为空气，为空气，n21=n2，则有，则有 1-m为透射率。如为透射率。如n1=n2(即即v1=v2，或，或n21=1)，则，则m=0，光，光线全部透过。线全部透过。 光线由空气入射到玻璃时，光线由空气入射到玻璃时，n2=1.5，可算得光线在第一界，可算得光线在第一界面的反射率面的反射率m=0.04，透过率为（，透过率为（1-m）=0.9

7、6。光线透过。光线透过第二界面的比例为（第二界面的比例为（1-m）2=0.922。透过两片玻璃时透过。透过两片玻璃时透过率为率为0.85，透过四片玻璃时透过率为，透过四片玻璃时透过率为0.722。 要减小反射率，可在玻璃表面镀要减小反射率，可在玻璃表面镀增透膜或减反射膜增透膜或减反射膜，或将，或将多片玻璃多片玻璃用胶粘合用胶粘合（胶的折射率与玻璃相近），消除空气（胶的折射率与玻璃相近），消除空气隙。隙。mnnWW2212111mnnWW22211光的吸收与透射光的吸收与透射减反射膜减反射膜/增透膜增透膜金属的光吸收金属的光吸收 在金属中，因为价带与导带重叠，它们之间没有能隙，因此在金属中，因为

8、价带与导带重叠，它们之间没有能隙，因此不管入射光子的能量多小，电子都可以吸收它而跃迁到新的不管入射光子的能量多小，电子都可以吸收它而跃迁到新的能态上去。所以金属能吸收各种波长，是不透明的（只有金能态上去。所以金属能吸收各种波长，是不透明的（只有金属箔的厚度属箔的厚度3.1eV时，不可时，不可能吸收可见光，因而对可见光是透明的。能吸收可见光，因而对可见光是透明的。Eg1.8eV时，时，能吸收所有可见光，是不透明的。能吸收所有可见光，是不透明的。1.8eVEg3.1eV时，时，能吸收部分可见光，这类材料常常是带色透明的。能吸收部分可见光，这类材料常常是带色透明的。本征半导体的光吸收本征半导体的光吸

9、收 对半导体来说，其能隙小于绝缘体。如为本征半导对半导体来说，其能隙小于绝缘体。如为本征半导体，当光子的能量大于能隙，价带中的电子就被激体，当光子的能量大于能隙，价带中的电子就被激发到导带中去，这称为本征吸收。对于发到导带中去，这称为本征吸收。对于Si和和Ge，其，其能隙分别为能隙分别为1.1eV和和0.7eV。可从公式。可从公式 算得能通过的最短波长。因而得知算得能通过的最短波长。因而得知Si和和Ge对较短的对较短的波长（如可见光）是不透过的，产生吸收。而对于波长（如可见光）是不透过的，产生吸收。而对于波长较长的红外线则是透过的。波长较长的红外线则是透过的。gEhc掺杂半导体的光吸收掺杂半导

10、体的光吸收 如果是掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和如果是掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和受主能级，（受主能级，（Ed和和Ea），就会产生吸收。），就会产生吸收。 根据能隙标准判断时，绝缘体和多数半导根据能隙标准判断时，绝缘体和多数半导体，其对于长波长的光子是能透过的，因体，其对于长波长的光子是能透过的，因而是透明的。然而一些杂质会产生施主和而是透明的。然而一些杂质会产生施主和受主能级，另一些缺陷象气孔和晶界可使受主能级，另一些缺陷象气孔和晶界可使光子被散射，使材料变得不透明。结晶的光子被散射，使材料变得不透明。结晶的聚合物就比无定形聚合物更容易吸收光子。聚合物就比无定形聚合物更容易吸收

11、光子。材料的不透明性与半透明性材料的不透明性与半透明性一般说，由折射率各向异性的微晶组成的多晶体是半透明的，一般说，由折射率各向异性的微晶组成的多晶体是半透明的，或不透明的，光线在相邻微晶的界面处发生反射和折射，变得或不透明的，光线在相邻微晶的界面处发生反射和折射，变得十分弥散。十分弥散。当光线通过分散的很细的两相体系时，也因折射率不同发生散当光线通过分散的很细的两相体系时，也因折射率不同发生散射。如非晶均相高聚物是透明的。而结晶高聚物是晶区和非晶射。如非晶均相高聚物是透明的。而结晶高聚物是晶区和非晶区的混合体系，是半透明或不透明的。区的混合体系，是半透明或不透明的。陶瓷材料如是单晶体，一般是

12、透明的。当大多数陶瓷由晶相、陶瓷材料如是单晶体，一般是透明的。当大多数陶瓷由晶相、玻璃体和气孔组成，一般是不透明的。玻璃体和气孔组成，一般是不透明的。表表4-32, P382图图4-90, p386小尺寸的铂呈现黑色或者棕黑色小尺寸的铂呈现黑色或者棕黑色,是很多低温氧化催是很多低温氧化催化剂的重要成分化剂的重要成分,如汽车尾气催化如汽车尾气催化(三效催化剂三效催化剂)等等.小尺寸的小尺寸的Au/TiO2的低温氧的低温氧化催化活性近年来也是催化化催化活性近年来也是催化领域研究的热点之一。领域研究的热点之一。BGO单晶单晶氧化铝单晶氧化铝单晶蓝宝石蓝宝石Sapphire氧化铝坩埚氧化铝坩埚透明材料

13、的颜色透明材料的颜色电子受激从高能态回到低能态又会重新反射出光子，其波长电子受激从高能态回到低能态又会重新反射出光子，其波长不一定与吸收光的波长相同。因此，透射光的波长分布是非不一定与吸收光的波长相同。因此，透射光的波长分布是非吸收光光波与重新发射光波的混合波，透明材料的颜色由混吸收光光波与重新发射光波的混合波，透明材料的颜色由混合波的颜色决定。合波的颜色决定。蓝宝石是蓝宝石是Al2O3单晶，无色。红宝石是在单晶，无色。红宝石是在Al2O3单晶禁带中引单晶禁带中引入入Cr3+的杂质能级，造成了对光波的选择性吸收（对约的杂质能级，造成了对光波的选择性吸收（对约0.4m m 的蓝紫色的光和的蓝紫色

14、的光和对约对约0.6m 的黄绿光的强烈选择性吸收）。的黄绿光的强烈选择性吸收）。非吸收光和重新发射的光波决定其呈红色。非吸收光和重新发射的光波决定其呈红色。材料的发光性能材料的发光性能 材料吸收外界的能量后，其中部分能量以频率在可见光材料吸收外界的能量后，其中部分能量以频率在可见光范围内向外发射（能量为范围内向外发射（能量为1.83.1eV），这称为发光。），这称为发光。与与热辐射发光热辐射发光相比，这称为相比，这称为冷发光冷发光。 对于金属，因为价带与导带重叠没有能隙，光吸收后发对于金属，因为价带与导带重叠没有能隙，光吸收后发射光子的能量很小，其对应的波长大于可见光的光谱范射光子的能量很小，

15、其对应的波长大于可见光的光谱范围，因而没有发光现象。围，因而没有发光现象。材料的发光性能材料的发光性能 对一些陶瓷与半导体材料，就可能产生发光。对一些陶瓷与半导体材料，就可能产生发光。 外界激发源使电子跃迁到导带，但电子在高能级的导带外界激发源使电子跃迁到导带，但电子在高能级的导带中是不稳定的，停留的时间很短，只有中是不稳定的，停留的时间很短，只有10-8s左右，就又左右，就又自发的返回低能级的价带中，并相应的放出光子，其波自发的返回低能级的价带中，并相应的放出光子，其波长为长为 。当外界激发源去除后，发光现象随即。当外界激发源去除后，发光现象随即很快消失，这称为很快消失，这称为荧光荧光。gE

16、hc/材料的发光性能材料的发光性能 另一类材料，因含有杂质和缺陷，在能隙中引入了施主能另一类材料，因含有杂质和缺陷，在能隙中引入了施主能级，被激发到导带中的电子在返回价带之前先落入施主能级，被激发到导带中的电子在返回价带之前先落入施主能级，并被俘获停留一段较长的时间，电子在逐步逃脱这个级，并被俘获停留一段较长的时间，电子在逐步逃脱这个陷阱之后才返回价带中的低能级，这时相应的放出光子，陷阱之后才返回价带中的低能级，这时相应的放出光子，其波长为其波长为 由于这种发光能持续一段较长时间，便称为由于这种发光能持续一段较长时间，便称为磷光磷光。dgEEhc材料的发光性能材料的发光性能 磷光与荧光的大致分

17、界是激发源去除后，磷光与荧光的大致分界是激发源去除后，发光时间短于发光时间短于10-8s称为荧光，时间更长的称为荧光，时间更长的称为磷光。在彩色电视机中使用了三种磷称为磷光。在彩色电视机中使用了三种磷光材料，人为地设计出不同的能隙，使它光材料，人为地设计出不同的能隙，使它们分别产生红绿蓝三种磷光。们分别产生红绿蓝三种磷光。 公路交通中应用的夜间路标都用长余辉的公路交通中应用的夜间路标都用长余辉的磷光体。磷光体。例题例题 ZnS的能隙为的能隙为3.54eV，要激发，要激发ZnS的电子需要光子的波长使多少？如在的电子需要光子的波长使多少？如在ZnS中加入杂质，使之在导带下的中加入杂质，使之在导带下

18、的1.38eV处产生一能量陷阱，试问发光处产生一能量陷阱，试问发光时的波长是多少？时的波长是多少？解：（解：（1）激发电子进入导带的最大波长为）激发电子进入导带的最大波长为 这个波长相当于紫外线。这个波长相当于紫外线。 （2）在电子返回价带之前首先落入了陷阱，其发射光子的波长为）在电子返回价带之前首先落入了陷阱，其发射光子的波长为此相当于红外线谱，不可见。此相当于红外线谱，不可见。 （3）当电子逃脱陷阱再返回价带，发射光子的波长为）当电子逃脱陷阱再返回价带，发射光子的波长为 此为可见光，呈黄色。此为可见光，呈黄色。 AmmEhcg350610506. 3)106 . 1)(54. 3()103)(1062. 6(719834AmEhcd8895)106 . 1)(38. 1 ()103)(1062. 6(19834AmEEhcdg5747)106 . 1)(38. 154. 3()103)(1062. 6(19834热辐射热辐射 当材料开