課程65光學(xué)性質(zhì)

1、第五節(jié)第五節(jié) 材料的光學(xué)性質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)Nature Photonics：http:/ Photonics: /journal/apchd5光的波粒二象性光的波粒二象性 人們通常所說的光是一種能引起視覺的電磁輻射，人們通常所說的光是一種能引起視覺的電磁輻射，波長范圍波長范圍0.390.77m m，只在電磁波譜中占很窄，只在電磁波譜中占很窄的一部分?？梢姽獾念伾Q于光的波長。白光的一部分?？梢姽獾念伾Q于光的波長。白光是各種帶色光的混合光。是各種帶色光的混合光。 無線電波和微波、紅外光是由原子振動或晶格結(jié)無線電波和微波、紅外光是由原子振動或晶格結(jié)構(gòu)改變引

2、起的低能、長波輻射。構(gòu)改變引起的低能、長波輻射。X X射線、紫外光和射線、紫外光和可見光都是與原子的電子結(jié)構(gòu)改變相關(guān)的?？梢姽舛际桥c原子的電子結(jié)構(gòu)改變相關(guān)的。射射線是改變原子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，具有很高的能量。它線是改變原子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，具有很高的能量。它們本質(zhì)上都屬于電磁輻射。們本質(zhì)上都屬于電磁輻射。 紫外光和紫外光和X X射線的波長沒有明確的分界，射線的波長沒有明確的分界，X X射線和射線和射線也沒有明確的波長界線，人們是根據(jù)它們射線也沒有明確的波長界線，人們是根據(jù)它們產(chǎn)生的方法來區(qū)分的。產(chǎn)生的方法來區(qū)分的。光子的能量光子的能量 光具有波動和微粒兩重性光具有波動和微粒兩重性 考慮光的微粒性時，光的能

3、量就不是均勻連續(xù)地分布在它考慮光的微粒性時，光的能量就不是均勻連續(xù)地分布在它傳播的空間，而是集中在一個個光子上，光子的能量為傳播的空間，而是集中在一個個光子上，光子的能量為 光的動量為光的動量為 式中式中h為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，6.6210-34J/s，為光的頻率，為光的頻率，c為光速，為光速，3108m/s，為波長?？梢姽庾拥哪芰颗c其波為波長?？梢姽庾拥哪芰颗c其波長成反比，與頻率成正比。當(dāng)電子吸收光子時每次總是吸長成反比，與頻率成正比。當(dāng)電子吸收光子時每次總是吸收一個光子，而不能只吸收光子的一部分。收一個光子，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 電磁波在真空中的傳播速度為電磁波在真空中的傳播速度為c=3108m/s式中式中0 0、0 0分別為真空中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為真空中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率 當(dāng)光在介質(zhì)中傳播時，其速度當(dāng)光在介質(zhì)中傳播時，其速度v由下式?jīng)Q定由下式?jīng)Q定式中式中r r、r r分別為介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率 c與與v的比值稱為介質(zhì)的折射率的比值稱為介質(zhì)的折射率n001crrcv nvc光的反射與折射光的反射與折射 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 相對折射率相對折射率稱為第二介質(zhì)相當(dāng)于第一介質(zhì)的相對折射率稱為第二介質(zhì)相當(dāng)于第一介質(zhì)的相對折射率 絕對折射率第

5、一介質(zhì)為真空時絕對折射率第一介質(zhì)為真空時n2 為第二介質(zhì)的絕對折射率，簡稱折射率為第二介質(zhì)的絕對折射率，簡稱折射率 21122121sinsinvvnnn 兩種介質(zhì)相比，光的傳播速度較大者稱為兩種介質(zhì)相比，光的傳播速度較大者稱為光疏介質(zhì)，其折射率光疏介質(zhì)，其折射率較小較小。光的傳播速度較小者稱為。光的傳播速度較小者稱為光密介質(zhì)，其折射率較大光密介質(zhì)，其折射率較大。221sinsinnvc根據(jù)惠更斯原理推導(dǎo)出根據(jù)惠更斯原理推導(dǎo)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、透過率和吸收率光的反射率、透過率和吸收率光照射到某種材料上時將產(chǎn)生光的反射與折射、光的吸收與光照射到某種材料上時將

6、產(chǎn)生光的反射與折射、光的吸收與透射。透射。設(shè)入射光的能量為設(shè)入射光的能量為W，反射光的能量為，反射光的能量為W，根據(jù)能量守恒，根據(jù)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、透過率光的反射率、透過率 光的反射率光的反射率m為為 如介質(zhì)如介質(zhì)1為空氣，為空氣，n21=n2，則有，則有 1-m為透射率。如為透射率。如n1=n2(即即v1=v2，或，或n21=1)，則，則m=0，光，光線全部透過。線全部透過。 光線由空氣入射到玻璃時，光線由空氣入射到玻璃時，n2=1.5，可算得光線在第一界，可算得光線在第一界面的反射率面的反射率m=0.04，透過率為（，透過率為（1-m）=0.9

7、6。光線透過。光線透過第二界面的比例為（第二界面的比例為（1-m）2=0.922。透過兩片玻璃時透過。透過兩片玻璃時透過率為率為0.85，透過四片玻璃時透過率為，透過四片玻璃時透過率為0.722。 要減小反射率，可在玻璃表面鍍要減小反射率，可在玻璃表面鍍增透膜或減反射膜增透膜或減反射膜，或?qū)?，或?qū)⒍嗥ＡФ嗥Ａв媚z粘合用膠粘合（膠的折射率與玻璃相近），消除空氣（膠的折射率與玻璃相近），消除空氣隙。隙。mnnWW2212111mnnWW22211光的吸收與透射光的吸收與透射減反射膜減反射膜/增透膜增透膜金屬的光吸收金屬的光吸收 在金屬中，因為價帶與導(dǎo)帶重疊，它們之間沒有能隙，因此在金屬中，因為

8、價帶與導(dǎo)帶重疊，它們之間沒有能隙，因此不管入射光子的能量多小，電子都可以吸收它而躍遷到新的不管入射光子的能量多小，電子都可以吸收它而躍遷到新的能態(tài)上去。所以金屬能吸收各種波長，是不透明的（只有金能態(tài)上去。所以金屬能吸收各種波長，是不透明的（只有金屬箔的厚度屬箔的厚度3.1eV時，不可時，不可能吸收可見光，因而對可見光是透明的。能吸收可見光，因而對可見光是透明的。Eg1.8eV時，時，能吸收所有可見光，是不透明的。能吸收所有可見光，是不透明的。1.8eVEg3.1eV時，時，能吸收部分可見光，這類材料常常是帶色透明的。能吸收部分可見光，這類材料常常是帶色透明的。本征半導(dǎo)體的光吸收本征半導(dǎo)體的光吸

9、收 對半導(dǎo)體來說，其能隙小于絕緣體。如為本征半導(dǎo)對半導(dǎo)體來說，其能隙小于絕緣體。如為本征半導(dǎo)體，當(dāng)光子的能量大于能隙，價帶中的電子就被激體，當(dāng)光子的能量大于能隙，價帶中的電子就被激發(fā)到導(dǎo)帶中去，這稱為本征吸收。對于發(fā)到導(dǎo)帶中去，這稱為本征吸收。對于Si和和Ge，其，其能隙分別為能隙分別為1.1eV和和0.7eV?？蓮墓??？蓮墓?算得能通過的最短波長。因而得知算得能通過的最短波長。因而得知Si和和Ge對較短的對較短的波長（如可見光）是不透過的，產(chǎn)生吸收。而對于波長（如可見光）是不透過的，產(chǎn)生吸收。而對于波長較長的紅外線則是透過的。波長較長的紅外線則是透過的。gEhc摻雜半導(dǎo)體的光吸收摻雜半導(dǎo)

10、體的光吸收 如果是摻雜半導(dǎo)體，只要光子的能量大于施主和如果是摻雜半導(dǎo)體，只要光子的能量大于施主和受主能級，（受主能級，（Ed和和Ea），就會產(chǎn)生吸收。），就會產(chǎn)生吸收。 根據(jù)能隙標(biāo)準(zhǔn)判斷時，絕緣體和多數(shù)半導(dǎo)根據(jù)能隙標(biāo)準(zhǔn)判斷時，絕緣體和多數(shù)半導(dǎo)體，其對于長波長的光子是能透過的，因體，其對于長波長的光子是能透過的，因而是透明的。然而一些雜質(zhì)會產(chǎn)生施主和而是透明的。然而一些雜質(zhì)會產(chǎn)生施主和受主能級，另一些缺陷象氣孔和晶界可使受主能級，另一些缺陷象氣孔和晶界可使光子被散射，使材料變得不透明。結(jié)晶的光子被散射，使材料變得不透明。結(jié)晶的聚合物就比無定形聚合物更容易吸收光子。聚合物就比無定形聚合物更容易吸收

11、光子。材料的不透明性與半透明性材料的不透明性與半透明性一般說，由折射率各向異性的微晶組成的多晶體是半透明的，一般說，由折射率各向異性的微晶組成的多晶體是半透明的，或不透明的，光線在相鄰微晶的界面處發(fā)生反射和折射，變得或不透明的，光線在相鄰微晶的界面處發(fā)生反射和折射，變得十分彌散。十分彌散。當(dāng)光線通過分散的很細(xì)的兩相體系時，也因折射率不同發(fā)生散當(dāng)光線通過分散的很細(xì)的兩相體系時，也因折射率不同發(fā)生散射。如非晶均相高聚物是透明的。而結(jié)晶高聚物是晶區(qū)和非晶射。如非晶均相高聚物是透明的。而結(jié)晶高聚物是晶區(qū)和非晶區(qū)的混合體系，是半透明或不透明的。區(qū)的混合體系，是半透明或不透明的。陶瓷材料如是單晶體，一般是

12、透明的。當(dāng)大多數(shù)陶瓷由晶相、陶瓷材料如是單晶體，一般是透明的。當(dāng)大多數(shù)陶瓷由晶相、玻璃體和氣孔組成，一般是不透明的。玻璃體和氣孔組成，一般是不透明的。表表4-32, P382圖圖4-90, p386小尺寸的鉑呈現(xiàn)黑色或者棕黑色小尺寸的鉑呈現(xiàn)黑色或者棕黑色,是很多低溫氧化催是很多低溫氧化催化劑的重要成分化劑的重要成分,如汽車尾氣催化如汽車尾氣催化(三效催化劑三效催化劑)等等.小尺寸的小尺寸的Au/TiO2的低溫氧的低溫氧化催化活性近年來也是催化化催化活性近年來也是催化領(lǐng)域研究的熱點之一。領(lǐng)域研究的熱點之一。BGO單晶單晶氧化鋁單晶氧化鋁單晶藍(lán)寶石藍(lán)寶石Sapphire氧化鋁坩堝氧化鋁坩堝透明材料

13、的顏色透明材料的顏色電子受激從高能態(tài)回到低能態(tài)又會重新反射出光子，其波長電子受激從高能態(tài)回到低能態(tài)又會重新反射出光子，其波長不一定與吸收光的波長相同。因此，透射光的波長分布是非不一定與吸收光的波長相同。因此，透射光的波長分布是非吸收光光波與重新發(fā)射光波的混合波，透明材料的顏色由混吸收光光波與重新發(fā)射光波的混合波，透明材料的顏色由混合波的顏色決定。合波的顏色決定。藍(lán)寶石是藍(lán)寶石是Al2O3單晶，無色。紅寶石是在單晶，無色。紅寶石是在Al2O3單晶禁帶中引單晶禁帶中引入入Cr3+的雜質(zhì)能級，造成了對光波的選擇性吸收（對約的雜質(zhì)能級，造成了對光波的選擇性吸收（對約0.4m m 的藍(lán)紫色的光和的藍(lán)紫色

14、的光和對約對約0.6m 的黃綠光的強(qiáng)烈選擇性吸收）。的黃綠光的強(qiáng)烈選擇性吸收）。非吸收光和重新發(fā)射的光波決定其呈紅色。非吸收光和重新發(fā)射的光波決定其呈紅色。材料的發(fā)光性能材料的發(fā)光性能 材料吸收外界的能量后，其中部分能量以頻率在可見光材料吸收外界的能量后，其中部分能量以頻率在可見光范圍內(nèi)向外發(fā)射（能量為范圍內(nèi)向外發(fā)射（能量為1.83.1eV），這稱為發(fā)光。），這稱為發(fā)光。與與熱輻射發(fā)光熱輻射發(fā)光相比，這稱為相比，這稱為冷發(fā)光冷發(fā)光。 對于金屬，因為價帶與導(dǎo)帶重疊沒有能隙，光吸收后發(fā)對于金屬，因為價帶與導(dǎo)帶重疊沒有能隙，光吸收后發(fā)射光子的能量很小，其對應(yīng)的波長大于可見光的光譜范射光子的能量很小，

15、其對應(yīng)的波長大于可見光的光譜范圍，因而沒有發(fā)光現(xiàn)象。圍，因而沒有發(fā)光現(xiàn)象。材料的發(fā)光性能材料的發(fā)光性能 對一些陶瓷與半導(dǎo)體材料，就可能產(chǎn)生發(fā)光。對一些陶瓷與半導(dǎo)體材料，就可能產(chǎn)生發(fā)光。 外界激發(fā)源使電子躍遷到導(dǎo)帶，但電子在高能級的導(dǎo)帶外界激發(fā)源使電子躍遷到導(dǎo)帶，但電子在高能級的導(dǎo)帶中是不穩(wěn)定的，停留的時間很短，只有中是不穩(wěn)定的，停留的時間很短，只有10-8s左右，就又左右，就又自發(fā)的返回低能級的價帶中，并相應(yīng)的放出光子，其波自發(fā)的返回低能級的價帶中，并相應(yīng)的放出光子，其波長為長為 。當(dāng)外界激發(fā)源去除后，發(fā)光現(xiàn)象隨即。當(dāng)外界激發(fā)源去除后，發(fā)光現(xiàn)象隨即很快消失，這稱為很快消失，這稱為熒光熒光。gE

16、hc/材料的發(fā)光性能材料的發(fā)光性能 另一類材料，因含有雜質(zhì)和缺陷，在能隙中引入了施主能另一類材料，因含有雜質(zhì)和缺陷，在能隙中引入了施主能級，被激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子在返回價帶之前先落入施主能級，被激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子在返回價帶之前先落入施主能級，并被俘獲停留一段較長的時間，電子在逐步逃脫這個級，并被俘獲停留一段較長的時間，電子在逐步逃脫這個陷阱之后才返回價帶中的低能級，這時相應(yīng)的放出光子，陷阱之后才返回價帶中的低能級，這時相應(yīng)的放出光子，其波長為其波長為 由于這種發(fā)光能持續(xù)一段較長時間，便稱為由于這種發(fā)光能持續(xù)一段較長時間，便稱為磷光磷光。dgEEhc材料的發(fā)光性能材料的發(fā)光性能 磷光與熒光的大致分

17、界是激發(fā)源去除后，磷光與熒光的大致分界是激發(fā)源去除后，發(fā)光時間短于發(fā)光時間短于10-8s稱為熒光，時間更長的稱為熒光，時間更長的稱為磷光。在彩色電視機(jī)中使用了三種磷稱為磷光。在彩色電視機(jī)中使用了三種磷光材料，人為地設(shè)計出不同的能隙，使它光材料，人為地設(shè)計出不同的能隙，使它們分別產(chǎn)生紅綠藍(lán)三種磷光。們分別產(chǎn)生紅綠藍(lán)三種磷光。 公路交通中應(yīng)用的夜間路標(biāo)都用長余輝的公路交通中應(yīng)用的夜間路標(biāo)都用長余輝的磷光體。磷光體。例題例題 ZnS的能隙為的能隙為3.54eV，要激發(fā)，要激發(fā)ZnS的電子需要光子的波長使多少？如在的電子需要光子的波長使多少？如在ZnS中加入雜質(zhì)，使之在導(dǎo)帶下的中加入雜質(zhì)，使之在導(dǎo)帶下

18、的1.38eV處產(chǎn)生一能量陷阱，試問發(fā)光處產(chǎn)生一能量陷阱，試問發(fā)光時的波長是多少？時的波長是多少？解：（解：（1）激發(fā)電子進(jìn)入導(dǎo)帶的最大波長為）激發(fā)電子進(jìn)入導(dǎo)帶的最大波長為 這個波長相當(dāng)于紫外線。這個波長相當(dāng)于紫外線。 （2）在電子返回價帶之前首先落入了陷阱，其發(fā)射光子的波長為）在電子返回價帶之前首先落入了陷阱，其發(fā)射光子的波長為此相當(dāng)于紅外線譜，不可見。此相當(dāng)于紅外線譜，不可見。 （3）當(dāng)電子逃脫陷阱再返回價帶，發(fā)射光子的波長為）當(dāng)電子逃脫陷阱再返回價帶，發(fā)射光子的波長為 此為可見光，呈黃色。此為可見光，呈黃色。 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熱輻射熱輻射 當(dāng)材料開