光电材料课件

1、第七章 光电材料固体的光性质：从本质上讲，就是固体和电磁波的相互作用，这涉及晶体对光辐射的反射和吸收，晶体在光作用下的发光，光在晶体中的传播和作用以及光电作用、光磁作用等。光电转换材料发光材料激光材料7.1 光电转换材料纯净固体材料中。固体受到光辐射时，如果辐射光子的能量足以使电子由价带跃迁至导带，那么就会发生对光的吸收。这种吸收过程叫基础吸收或固有吸收7.1.1 固体的光吸收 基础吸收或固有吸收 导带价带能隙 （禁带）光辐射绝缘体和半导体中电子的能带结构如：离子晶体 能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的

2、。当足够强的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，发生光吸收。 激子吸收（电子-空穴对） 价带中的电子吸收能量小于禁带宽度，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。激子作为一个整体可以在晶格内自由运动。能产生激子的光吸收称为激子吸收。导带价带激子能级光辐射缺陷存在时晶体的光吸收 晶体的缺陷：本征缺陷填隙原子和空位，非本征缺陷杂质等。导带价带杂质能级光辐射这些缺陷的能级在价带和导带之间的能隙之中。当材料受到光照时，缺陷能级上的电子空穴发生跃迁。这样就使原本不能发生基础吸收的物质由于

3、缺陷存在而发生光吸收。 离子晶体的各种吸收光谱CV过程 ：基础吸收EV过程 ：激子吸收其他：缺陷吸收DV过程 松弛的束缚在中性杂质上的电子和一个价带中的空穴复合，相应跃迁能量是EgED。CA过程 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EgEA。CDA过程 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。 DA过程 如果同一半导体材料中，施主和受主杂质同时存在，那么可能发生中性施主杂质给出一个电子跃迁到受主杂质上的过程。陶瓷材料的禁带宽度较大，一般为3-10电子伏特，相当于紫外光区的能量。因此，当可见光光辐体晶体时，如此的能量不

4、足以使其电子越过能隙，由价带跃迁至导带。所以，晶体不会被激发，也不会发生光的吸收，陶瓷晶体在可见光区内都应该是透明的。7.1.2 陶瓷材料的光吸收高压钠灯芯的透明氧化铝瓷管陶瓷多晶体一般有两个重要的吸收光谱带。一是电子跃迁产生的吸收带左侧的紫外截止波段，二是光学支格波的晶格振动吸收带右侧红外截至波段1 陶瓷材料的光吸收机理电子跃迁产生的吸收紫外区禁带宽度Eg和吸收波长的关系为 hv E 导带价带能隙 （禁带）光辐射hv h普朗克常数 c光速二是光学支格波的晶格振动吸收带红外区当入射光的频率和材料内原子的振动频率一致时会产生对入射光的强吸收 晶体材料内原子振动频率采用双原子分子振动模型求得：m1

5、 m2 双原子分子振动模型的双原子质量r 瞬时原子距离， k原子结合力弹性常数u折合质量理论上陶瓷在可见光区是透明的，但陶瓷是微细多晶的烧结体，主要由晶粒、晶界、玻璃相、气孔、杂质等组成。由于存在光的反射、折射和散射，使广的透过率下降，陶瓷看起来是不透明的。2 影响陶瓷透明性的因素入射到材料的光一部分表现为表面的反射和内部的吸收和散射，另一部分就成为透射光。透明材料希望的反射和吸收的光越少越好I透射光强， I0入射光强，R反射率， 吸收系数，s散射系数， x物体的厚度透射光强度：入射反射散射透射应该没有或尽量减少气孔和晶界等这样的吸收中心和散射中心。同时还应是单相的、由均质晶体组成。并具有较高

6、的光洁度。入射反射散射透射获得高的透光率方法：气孔率晶界结构原料与添加剂烧成气氛表面加工光洁度陶瓷材料的透光性的主要影响因素：气孔率普通陶瓷即使有很高的致密度，往往也不透明，这是因为： 内部有很多封闭的气孔。总气孔率超过1%的氧化物陶瓷基本是不透明的，因为气孔的折射率非常低(约为1.0)，这些气孔在光线传播的过程中会使光线发生多次反射，从而大大降低材料的透明度。晶界结构首先，晶界是破坏陶瓷体光学均匀性、从而引起光的散射、致使材料的透光率下降。当单位体积晶界数量较多，晶体配置杂乱无序，入射光透过晶界时，必然引起光的连续反射、折射，这样其透光率也就降低。其次，陶瓷材料的物相组成中通常包含着两相或更

7、多相，这种多相结构会导致光在相界表面上发生散射。材料的组成差异越大，折射率相差越大，整个陶瓷的透光率越低。原料的粉体粒径应小于1um以外，尺寸要均匀，不产生团聚。所以有时需加入添加剂。一方面是使烧结过程中出现液相，降低烧结温度，另一方面是抑制晶粒的长大，缩短晶内气孔的扩散路程，从而有利于得到致密的透光性好的透明陶瓷。 添加剂用量一般很少，应能均匀分布于材料中，完全溶于主晶相，不生成第二相物质，也就是不破坏系统的单相性。原料与添加剂例如，在烧结Al2O3透明陶瓷时，加入MgO。但是由于MgO局部偏析， 在MgO分布较高的区域超过了固溶极限，就会在晶界上析出第二相（MgAl2O3）尖晶石，从而成为

8、光的散射中心，使散射率增长，降低了Al2O3陶瓷的透光性。Al2O3透明陶瓷不透明陶瓷在陶瓷晶体中引入杂质离子后，杂质缺陷能级和价带能级之间会发生电子-空穴复合过程，其相应的能量就会小于间带宽度Eg，往往落在可见光区，结果发生固体的光吸收。 例如:Al2O3晶体,其能隙为9ev，不可能吸收可见光，所以是透明的。如果掺入1%的Cr3+时，晶体呈深红色，即红宝石，可以吸收可见光。表面加工光洁度透明陶瓷的透光度还受表面加工光洁度的制约。烧结后未处理面具有较大的粗糙度，即呈现微小的凹凸状，光线入射到这种面上会发生漫反射。其表面的粗糙度越大，其透明度就越低。入射反射散射透射7.1.3 半导体的光吸收和光

9、导电现象 1.本征半导体的光吸收 本征半导体的价带和导带之间的能隙较小，约为1ev。在极低温度下，电气全部处在价带中，不会沿任何方向运动，是绝缘体，其光学性质也和前述的绝缘体一样。当温度升高，一些电子可能获得充分的能量而跨过能隙，跃迁到原本空的导带中。这时价带中出现空能级，导带中出现电子。光电性质：施主和受主杂质将会使半导体的光吸收增强，导电性增加。发光性质：只有当激发态电子越过能隙与空穴复合时，才会发生半导体的发光。 2. 非本征半导体的光吸收导带价带杂质能级光辐射n型半导体可以向导带提供足够的电子，但在价带中如果没有空穴，因此不会发光。同样，p型半导体价带中有空穴，但其如果导带中却没有电子

10、，因此也不会发光。光吸收结果：光导电光致发光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。3 光导电光电流：光辐射激发产生的载流子，一方面在复合中心消失掉，另一方面在电场作用下可以移动一段距离后，这种载流子的迁移产生的电流，称为光电流。 如果外电场强度大，则载流子在被复合之前在晶体漂移的距离长、光电流强，但会有一个饱和值，即初级光电流的最大值。AgBr的光导电流随电压的变化 光导电应用： 利用半导体的光导电效应，把光的信息转化为电的信息，这在现代技术和日常生活中已得到广

11、泛应用。 例如，太阳能电池；光敏电阻，CdS用于照相机的自动曝光机；半导体硒应用在静电复印机上；利用对红外线敏感的PbS、PbSe、PbTe等制成红外线探测器。光敏电阻：是在一块匀质光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃或者云母等绝缘材料基板上，电极上加装引线，用带有入射窗口的金属或塑料封装而成的。 光敏电阻光敏电阻光谱特性： 光敏电阻只对一定范围内的光波才有响应，对有的波长响应度较大，有的波长响应度小，甚至为零。光敏电阻响应时间：上升响应时间tr ：光生载流子从零上升到稳定值的63%所需 的时间。下降响应时间tf：光照停止后，光生载流子从零下降到稳 定值的37%所需的时间。光敏电阻响应时间当光线

12、较弱时，光敏电阻CdS阻值很大，与光敏电阻并联的路灯电阻很小，所以电流主要从路灯流过，流经继电器的电流很小，处于关闭状态。路灯点亮。光敏电阻应用：照相机自动曝光路灯自动控制当照射到CdS的光逐渐增大时，光敏电阻的电阻变小，使流经继电器的电流不断增大，达到一定值时，继电器由关闭状态变为打开状态，路灯与电源断开。路灯熄灭。激光打印机和复印机1 吸鼓带电 对应图中1的位置，在感光鼓也称吸鼓上用电极对感光体表面高压电晕放电，使感光层表面带电荷。感光鼓是在导电基体表面上涂有硒或其它光电导材料层。2 扫描曝光 对应图中2的位置，用受被打印内容调制的激光束对感光层扫描曝光，受光照区域的电阻率下降（光导电），

13、在感光层上形成由静电荷分布构成的潜像（电荷图象）。3 静电成像 对应图中3的位置，用含有炭精粉粒的显像剂与感光层接触，在静电场的作用下，炭精粉粒附在感光层的曝光区域上，形成可见的炭精粉图象，这过程也称显像过程。4着色转印 对应图中4的位置，打印纸与已经显像的感光体接触，同时采用电晕带电体从纸的反面加电场，这时感光体表面的显像剂转移到打印纸上完成转印。5. 热压定影 对应图中5的位置，用热压器加热加压使着色剂牢固粘结在打印纸上，完成了静电打印。6 清洗吸鼓 对应图中6的位置，将感光体用清洗器清除残留的色粉，准备下一张打印。静电复印机 同激光打印机相同，复印机也是利用光电技术和电子照相技术相结合的

14、一种印字方式。复印机与激光打印机的主要区别是图象信息产生的方式不同。复印机是实物文件被反射照明后由成像镜头成像曝光在感光体上；而激光打印机则是由主计算机产生的图象数据经控制电路控制激光束的偏转和光强度扫描曝光完成打印的。 半导体吸收光子后。导带中出现自由电子，价带中有空穴。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，这就是光致发光现象。2 光致发光如果将n型半导体和p型半导体结合在一起形成一个pn结，在pn结处施加一个正偏向压，可以将n区的导带电子注入到p区的价带中，在那里与空穴复合，从而产生光子辐射。这是一种电致发光。（a）未加正偏压的pn结 （b）加正偏压的pn结3

15、 电致发光 pn结光辐射过程的应用发光二极管利用半导体材料材料的可调成分来改变能隙，可制作出从发红光到发绿光的各种颜色的发光二极管。发光二极管电致发光的典型结构图其他电致发光的应用显示屏广告牌7.2 发光材料7.2.1 发光概论1激发源和发光材料分类发光:材料吸收了一定能量后，就会发生电子从低能态向高能态的跃迁，即分子从基态被激发到激发态。随后，分子又会从激发态再跃迁回到稳定的低能基态，在这一过程中会伴随着能量的释放。若能量以光能形式释放，就是发光。根据激发光源类型的不同划分发光机理：光致发光：以光子或光为激发光源，常用的有紫外光作激 发源。电致发光：以电能作激发源。阴极致发光：使用阴极射线或

16、电子束为激发源。2发光材料的特性（1）发光材料的发光颜色 发光材料的颜色可通过不同方法来表征。发射光谱和吸收光谱是研究中应用比较多的方法。吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸收峰的波长就是激发时能量对应波长。发射光谱反映发光材料辐射光的情况，对应谱峰的波长就是发光的颜色，物质颜色和吸收光的关系物质颜色吸收光颜色波长/nm黄绿紫400450黄蓝450480橙绿蓝480490红蓝绿490500红紫绿500560紫黄绿560580蓝黄580610绿蓝橙610650蓝绿红650780光致发光材料的吸收光谱发光材料的发射光谱和吸收光谱从材料的发射光谱来看，发射谱峰的宽窄也是发光材料的重要特性，谱峰越

17、窄，发光材料的单色性越好，反之亦然。我们将谱峰1/2高度时缝的宽度称作半宽度。发射峰的半宽度半宽度(2) 颜色的单色性 (3)发光效率 发光材料的另一个重要特性是其发光强度，发光强度也随激发强度而改变。通常用发光效率来表征材料的发光本领。(4)余辉发光材料的一个重要特性是它的发光持续时间。依发光持续时间，我们可应将发光区分为荧光和磷光：荧光：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为10-8秒。 只要光源一离开，荧光就会消失。磷光：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。（a）荧光体 （b）磷光体发光机制还可以用余辉来表示物质发光的持续时间。余辉的定义为：当激发光停止时的发光亮度（或强度）J0衰减

18、到J0的10%时，所经历的时间称为余辉时间，简称余辉。根据余辉可将发光材料分为六个范围：极短余辉 1s电视用荧光粉：中余辉雷达用荧光粉：长或极长余辉飞点扫描管：超短余辉(摄象记录、示波显示、 激光手术）光致发光材料一般由基质材料和激活剂构成基质材料：硫化物、硒化物、含氧化合物如磷酸盐、硅酸 盐，硫酸盐、等。激活剂：稀土离子、过渡金属离子等阳离子。 这些阳离子往往是发光活性中心，称作激活剂。敏化剂：在基质中掺入第2类型的杂质使发光亮度增 加，称作敏活剂。7.2.2 荧光和磷光1光致发光材料的基本组成光致发光材料按激活剂的不同主要分为以下几种类型（1）稀土金属离子 原子序数57一71的镧系元素，加

19、上钪和钇共17个稀土元素稀土金属离子的电子层结构比较特殊;价电子在4f层，而外面被填满的5s5p壳层包围。4f电子在基态能级和激发态能级之间跃迁就能产生光子，而且由于有5s，5P壳层的屏蔽，4f电子在跃迁时受温度、晶体场和基体材料的影响很小。稀土金属离子是最常用的发光材料激活剂。（2）过渡金属离子过渡金属离子具有不完全充满的d电子壳层，具有复杂的d一d光转换。（3）其它离子除过渡及稀土金属离子外，许多金属离子都可以作为掺杂离子，如Pb2+、Bi3+等，具有6S2电子构型，它们的发光来源于，S-P转换，这种转换易受基质材料的影响。斯托克位移： 一般说来，发光固体吸收了激活辐射的能量h，发射出能量

20、为h的光，而总小于，即发射光波长比激活光的波长要增大。这种效应称作斯托克位移（Stokes shift）。Eu掺杂Al2O3激发光谱Eu掺杂Al2O3发射光谱（1）日光灯日光灯是磷光材料的最重要应用之一。激发源是汞放电产生的紫外光，磷光材料吸收这种紫外光，发出“白色光”。日光灯的构造示意图 2. 典型荧光和磷光材料Hg白光玻璃壳磷光体料涂层185nm254nm日光灯的构造示意图：它由一个内壁涂有磷光体的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。通电后，汞原子受到灯丝发出电子的轰击，壳层电子被激发到较高能态。当它返回到基态时便发出波长为254和185nm的紫外光，涂在灯管内壁的磷光体受到这种光辐照，就随之发

21、出白光。Hg白光玻璃壳磷光体料涂层185nm254nm (1) 离子键的绝缘材料。 如Cd2B2O5、Zn2SiO4、3Ca(PO4)2Ca(Cl,F)2等。在这些材料中，相应激活离子有一套不连续的能级。 灯用磷光材料的组成 常用的基质晶体有两类(2) 共价性的半导体化合物ZnS等。对这类材料，基质的能带结构会由于加入激活剂离子伴随的能级而有所改变。例如，分别掺杂Ag+、Sb3+和Eu2+离子的ZnS磷光体由于激活剂不同，而产生特征的光谱和颜色。日光灯磷光体构成：双重掺杂了Sb3+和Eu2+的磷灰石。基质： Ca5(PO4)3F激活剂：Sb3+，发蓝光； Mn2+，发桔黄色光， Sb3+，Mn

22、2+都加：发出近似白色光。用氯离子部分取代氟磷灰石中氟离子，可以改变发射光谱的波长分布。这是由于基质变化改变了激活剂离子的能级，也就改变了其发射光谱波长。以这种方式小心控制组成比例，可以获得较佳的荧光颜色。 灯用稀土光致发光材料 组成 颜色 用途 Y2O3:Eu 红 节能灯 Y(V,P)O4:Eu 红 高压汞灯 MgAl11O19:Ce,Tb 绿 节能灯 LaPO4:Ce,Tb 绿 节能灯 GdMgB5O10:Ce,Tb 绿 节能灯 BaMgAl10O17:Eu,Mn 兰绿 节能灯 BaMgAl10O17:Eu 兰 节能灯 Sr5(PO4)3Cl:Eu 兰 节能灯 Sr3(PO4)2:Eu 兰

23、 复印灯 电视机和计算机显示器等使用的荧光材料阴极射线致发光材料，电子束为激发源。显象管用荧光材料要求足够高的发光亮度，余辉时间要求短，这类材料又依黑白和彩色显像管分为：“白色”发光材料和彩色发光材料。（2）显示用荧光材料阴极射线发光国产y7材料 （Zn,Cd）S:Ag 发黄色光 国产y8材料 ZnS:Ag 发蓝色光 国产y26 材料 y7+y8 发白色光 （Zn,Be）2SiO4:Mn 发黄色光 （Ca,Mg）SiO3:Ti 发蓝色光(1)“白色”发光材料最早研究“白色”发光材料是一类单一组分的材料，主要有ZnSCdS:Ag,Au和ZnSCdS:P,As，但其效率低，没有得到实际的应用，后来

24、又研制了硫氧化合物材料。目前广泛使用的是复合成分材料，例如：（2）彩色发光材料彩色电视机显像管用发光材料有红、绿、蓝三种成分组成。为了最佳传送颜色。在阴极射线发光材料中，几年来发展极快、具有前途的一类材料是稀土型发光材料。稀土型材料既能承担激活剂的作用，也能作为发光材料的基质，而且具有极短余辉、颜色饱和度和性能稳定的特点，并且能够在高密度电子流激发下使用，因此在彩电显像管中得到广泛使用。发光机理：当一束高能电子束打在发光体上，部分穿透到固体中并在其中失去能量，处于基态E1位置的电子吸收外界高能量子而跃迁到微发态E2。由于电子在高能级不稳定，因而电子从激发态跃迁到基点时，便发生发光现象。 彩色显

25、像管用发光材料示例颜色 组 成 色 度 主峰波长（nm）能量效率（%）10%余辉 x y红 Zn3(PO4)2:Mn 0.665 0.335 663 6.7 27ms （Zn,Cd）S:Ag 0.665 0.336 670 16.0 YVO4：Eu 0.664 0.330 620 7.1 1-3ms Y2O3:Eu 0.640 0.352 610 8.7 1-3ms Y2O3S:Eu 0.648 0.344 626 13.0 0.5-2ms绿 Zn2SiO4:Mn 0.218 0.712 525 7.4 25ms （Zn,Cd）S:Ag 0.300 0.600 535 19.8 0.05-2m

26、s （Zn,Cd）S:Al 0.357 0.596 535 18.4 15-30s ZnS:Cu,Al 0.243 0.633 530 21.8 15-30s ZnS:Cu,Au,Al 0.332 0.602 535 15-30s蓝 ZnS:,Ag 0.146 0.057 450 20.4 5-15s品字型电子枪 一字型电子枪颜色混合模式一、激光与激光器7. 3 激光材料20世纪四大发明： 原子能 计算机 半导体 激光器激光应用通信：激光武器医学英文名：LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) “受激辐射的光放

27、大”中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激辐射”改称“激光”“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”激光1、激光及激光器概述2、激光原理电光是如何转换的？(a)：自发辐射 处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子； 宏观表现：发光光子能量：(b)：受激吸收 处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子， 跃迁到高能级态；宏观表现：光被吸收(c)：受激辐射 处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。 宏观表现：光被放大自发辐射与受激辐射的区别自发辐射：完全是一种随机过程，各发光原子的发

28、光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。受激辐射： 原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。结论：受激辐射是产生激光的唯一渠道。受激辐射占主导的必要条件；受激辐射受激吸收实现受激辐射受激吸收的方法：使处在高能级的原子数目比处在低能级的多 粒子数反转如何从技术上实现粒子数反转？泵浦源：用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态、使粒子从低能级抽运到高能级态的装置泵浦方式：气体辉光放电或高频放电方式，

29、直接注入电子方式等。如何从技术上实现粒子数反转？3、激光器的基本结构常用激光器由三部分组成： 工作物质 泵浦源 光学谐振腔激光工作物质激励能源谐振腔激光器结构示意图4、激光发生过程1）受激原子自发辐射出光子982）受激原子在光子照射下发生受激辐射 受激辐射光在反射镜反射下产生新的受激辐射，使得谐振腔内沿轴向的光骤然增，形成激光。3）光振荡：5、激光的特点及应用1).方向性好发散角小：激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散角极小，接近平行。1962年，人类第一次用激光照射月球，地球距离月球的距离大约为38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里；应用激光测距102亮度高：由于激光的

30、发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将中等强度的激光束经过会聚，可在焦点出产生几千到几万度的高温。 激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区 域产生几百万度的高温。 激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。激光切割应用激光打孔105单色性好 ：光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色，是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来。激光的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。2).单色性好106相干性是所有波的共性，但由于各种光波的品质不同，导致它们的相干性也有高低之分。普通光是自发辐射光，不会产生干涉现象。激光不同于普通光源，它是受激辐射光，具有极强的相干性，所以称为相干光。相干条件（Coherent Condition）：振动方向相同；振动频率相同；相位相同或相位差保持恒定那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象。3).相干性好激光的其他应用激光医疗、美容整形激光打印机二、固体激光材料常见激光器的种类固体激光器（晶体、玻璃）气体激光器（原子、分子、离子）液体激光器（用在液体中能发出