第七章光电材料

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。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缺陷存在而发生光吸收。离子晶体的各种吸收光谱CCCEDDDDAAVVVVV电子泵抽运造成的电子-空穴对C→V过程：基础吸收E→V过程：激子吸收其他：缺陷吸收D→V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Eg—ED。C→A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Eg—EA。C→DA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。D→A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。CCCEDDDDAAVVVVV电子泵抽运造成的电子-空穴对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λ的关系为hvE导带价带能隙（禁带）光辐射hvh——普朗克常数c——光速gEchgEhc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：m1m2——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2121mmmmukuc2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xsaeRII)(20)1(I——透射光强，I0——入射光强，R——反射率，α——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。并具有较高的光洁度。入射反射散射透射获得高的透光率方法：xsaeRII)(20)1(①气孔率②晶界结构③原料与添加剂④烧成气氛⑤表面加工光洁度陶瓷材料的透光性的主要影响因素：①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。②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。③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。④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，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：463%rfrftttt、响应速度上升响应时间：光生载流子从零上升到稳定值的所需要的时间。下降响应时间：光照停止后，光生载流子下降到稳定值的37%所需要的时间。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τ当光线较弱时，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），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400~450黄蓝450~480橙绿蓝480~490红蓝绿490~500红紫绿500~560紫黄绿560~580蓝黄580~610绿蓝橙610~650蓝绿红650~780光致发光材料的吸收光谱发光