杂质和缺陷态光谱

1、1第五章第五章 杂质和缺陷态光谱杂质和缺陷态光谱v离子晶体的离子晶体的F中心及其吸收与发射光谱中心及其吸收与发射光谱v位形坐标模型位形坐标模型v分立中心的吸收与发光分立中心的吸收与发光*v导带（或价带）到杂质中心之间的跃迁导带（或价带）到杂质中心之间的跃迁v施主施主-受主对联合中心的吸收与发光受主对联合中心的吸收与发光v等电子杂质中心的吸收与发射等电子杂质中心的吸收与发射*2固体中可能的跃迁固体中可能的跃迁1.2-带间跃迁带间跃迁; 3-带带-施主施主(受主受主)间的跃迁间的跃迁; 4-施主施主-受主对跃迁受主对跃迁; 5-复合中心间的跃迁复合中心间的跃迁; 6-分立中心内部的跃迁分立中心内部

2、的跃迁; 7-多声子弛预过程多声子弛预过程; 8-Auger 过程过程3v离子晶体的离子晶体的F心及其吸收与发射光谱心及其吸收与发射光谱F 心心：由碱卤晶体中一个负离子：由碱卤晶体中一个负离子空位和一个束缚电子空位和一个束缚电子(1)电子陷阱；电子陷阱；(2)获得：过量碱金属蒸气加热处理等；获得：过量碱金属蒸气加热处理等；(3)无色透明无色透明呈现颜色呈现颜色: NaCl (Na蒸气加热处理蒸气加热处理)黄色黄色 KCl (K蒸气加热处理蒸气加热处理)蓝色蓝色*其它色心：其它色心：V心：由一个正离子空位和一个束缚空穴，起空穴陷阱作用心：由一个正离子空位和一个束缚空穴，起空穴陷阱作用M心：由两个

3、相临的心：由两个相临的F心构成心构成R 心：由三个相临的心：由三个相临的F心构成心构成+ + + + +4KBr晶体晶体 F 心的吸收与发射光谱的特点：心的吸收与发射光谱的特点：(1)吸收与发射间的吸收与发射间的Stokes频移；频移；(2)带状光谱；带状光谱；(3)T ，峰位红移；，峰位红移；(4)T ，谱带加宽；，谱带加宽；(5)T ，强度降低。，强度降低。5- + - + - + - + - + + - + + -+ - + - + - + - +- + - + - + - + -+ - + - + - + - +- + - + - + - + - + + - + + -+ - + -

4、+ - + - +- + - + - + - + -+ - + - + - + - +F心基态心基态F心激发态心激发态F心基态与激发态示意图心基态与激发态示意图F 心的光跃迁要考虑心的光跃迁要考虑电子跃迁电子跃迁和和晶格弛豫晶格弛豫过程过程6v位形坐标模型位形坐标模型位形坐标：位形坐标： 电子与晶格振动的总能量与离子平电子与晶格振动的总能量与离子平均位置的关系，采用简谐近似模型均位置的关系，采用简谐近似模型 电子与声子的相互作用电子与声子的相互作用 电子与声子的相互作用能，即晶格电子与声子的相互作用能，即晶格弛豫能为弛豫能为 晶格弛豫能所折合的声子数为晶格弛豫能所折合的声子数为 (黄昆因子黄昆

5、因子)201()2Ek RR 位形坐标模型与吸收和位形坐标模型与吸收和光发射过程示意图光发射过程示意图epqEmRRrR22001()()2 Ug(R)：电子处于基态时的系统能量：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量：电子处于激发态时的系统能量UUg(R)Ue(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1qpsmR221()2R可表示电子与声子作用的强弱可表示电子与声子作用的强弱7弗兰克弗兰克-康登康登(Franck-Condon)原理原理Ug(R)：电子处于基态时的系统能量：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量：电子处于激发态时的系统能量UU

6、g(R)Ue(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1R0A: 光吸收过程；光吸收过程；AB: 晶格弛豫过程，晶格弛豫过程， B的位置与晶格温度有关的位置与晶格温度有关BC: 光子发射过程；光子发射过程；CR0: 晶格弛豫过程；晶格弛豫过程；l光吸收与光发射的光吸收与光发射的Stokes频移频移 从激发到发射，电子经历两次与离子晶格的作用，从激发到发射，电子经历两次与离子晶格的作用，发射声子散失能量，结果产生发射声子散失能量，结果产生Stokes频移。频移。 由于跃迁时间由于跃迁时间晶格弛豫晶格弛豫时间，电子竖直跃迁时间，电子竖直跃迁8l吸收光与发射光的谱线增宽吸收光与发射光的谱线增宽Ug(

7、R)：电子处于基态时的系统能量：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量：电子处于激发态时的系统能量Ue(R)UUg(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1吸收吸收发射发射振动能级的基态与激发振动能级的基态与激发态的波函数态的波函数Rv=0v=nUR09l发射光谱的线型发射光谱的线型Ug(R)：电子处于基态时的系统能量：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量：电子处于激发态时的系统能量UUg(R)Ue(R)RR0r0 rABCDFEv1u0v0u1r0、 0：BC过程的发光频率过程的发光频率 r 、 ：DE过程的发光频率过程的发光频率 则发射光

8、谱的半宽与激发则发射光谱的半宽与激发态离子的位形差（态离子的位形差（CEF）gR remR remgU gk RdU grrdRdU gdRk r2000001( )2( )()()( )() 利利用用另，另，B、D点振子出现的几率为点振子出现的几率为eemvrrWrrCCaa22200()exp () exp () 发光强度发光强度emgIWak r a222002220()()exp () exp () 高斯分布高斯分布10l吸收与发射光谱的温度关系吸收与发射光谱的温度关系温度对吸收谱的影响温度对吸收谱的影响：温度升高，体系处于基态温度升高，体系处于基态中较高振动能级中较高振动能级u结果：

9、谱线进一步加宽；结果：谱线进一步加宽； 谱线红移谱线红移UUg(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1Ug(R)：电子处于基态时的系统能量：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量：电子处于激发态时的系统能量温度对发射谱的影响温度对发射谱的影响：温度升高，体系处于激发温度升高，体系处于激发态中较高振动能级态中较高振动能级v结果：谱线进一步加宽；结果：谱线进一步加宽； 谱线红移谱线红移 强度减弱强度减弱?emBemk TT01 2 2 2位位形形差差( () )振振子子能能量量（）另另与实验结果一致！与实验结果一致！11l发射光谱的温度猝灭发射光谱的温度猝灭Ug(R)：电子处于基态时的系统能量：电子处于基态时的系统能量Ue(R)：电子处于激发态时的系统能量：电子处于激发态时的系统能量UUg(R)Ue(R)RR0r0ABCDFEv1u0v0u1v=v 若温度升高，使体若温度升高，使体系处于激发态中振动系处于激发态中振动能级能级v以上，激发态电以上，激发态电子可无辐射地到达基子可无辐射地到达基态，再经晶格驰豫回态，再经晶格驰豫回到基