材料的光吸收和光发射

第二篇材料的光吸收和光发射绪论：光学发展简史§1材料光学常数间的基本关系§2材料中的光吸收过程§3激发态载流子的光吸收§4晶格吸收§5杂质和缺陷吸收§6激子光谱§7光电效应、光电导和光生伏特§8材料中的光发射过程§9受激发射(laser)绪论：光学发展简史一、萌芽时期世界光学的（知识）最早记录，一般书上说是古希腊欧几里德关于“人为什么能看见物体”的回答，但实际上应归中国的墨翟。从时间上看，墨翟（公元前468～376年），欧几里德（公元前330～275年），差一百多年。墨翟（公元前468～376年）古代中国青铜器时代，通过材料的光泽和颜色来估计铜合金的组分，对材料的光学性质有初步的认识。第二篇材料的光吸收和光发射克莱门德（公元50年）和托勒玫（公元90～168年）研究了光的折射现象，测量了光通过两种介质分界面时的入射角和折射角。罗马的塞涅卡（公元前3～公元65年）指出充满水的玻璃泡具有放大性能。阿拉伯的马斯拉来、埃及的阿尔哈金（公元965～1038年）认为光线来自被观察的物体，而光是以球面波的形式从光源发出的，反射线与入射线共面且入射面垂直于界面。沈括（1031～1095年）所著《梦溪笔谈》中，论述了凹面镜、凸面镜成像的规律，指出测定凹面镜焦距的原理。培根（1214～1294年）提出用透镜校正视力和用透镜组成望远镜的可能性。阿玛蒂（1299年）发明了眼镜。沈括（1031～1095年）培根（1214～1294年）特点：只对光有些初步认识，得出一些零碎结论，没有形成系统理论。二、几何光学时期z斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律这一时期建立了反射定律和折射定律，奠定了几何光学基础。z李普塞（1587～1619）在1608年发明了第一架望远镜。z伽利略1610年用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星的卫星。17实际下半叶，牛顿提出光的微粒说，认为发光物体发射出以直线运动的微粒子、微粒子流冲击视网膜就引起视觉。三、波动光学时期17实际下半叶，牛顿提出光的微粒说，认为发光物体发射出以直线运动的微粒子。但是惠更斯认为光有波动性。1801年，托马斯·杨做出了光的双缝干涉实验1815年，菲涅耳提出了惠更斯—菲涅耳原理，研究偏振光1845年，法拉弟发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭示了光现象和电磁现象的内在联系。1865年，麦克斯韦提出，光波就是一种电磁波托马斯·杨惠更斯人们确信光是一种波动法拉第麦克斯韦牛顿光的干涉双缝干涉激光束双缝屏屏上看到明暗相间的条纹四、量子光学时期光的电磁理论不能解释黑体辐射能量按波长的分布和1887年赫兹发现的光电效应1900年普朗克提出辐射的量子理论1905年爱因斯坦提出光量子假说；1923年康普顿和吴有训用实验证实了光的量子性。至此，人们认识到光具有波粒二象性。爱因斯坦普朗克五、现代光学时期1960年，梅曼制成了红宝石激光器，激光的问世，使古老的光学焕发了青春，光学与许多科学技术领域相互渗透，相互结合，派生出许多崭新的分支。主要包括：激光、全息照相术、光学纤维、红外技术。激发、原子能、半导体、电子计算机被称作当代四大光明。梅曼§1材料光学常数间的基本关系§1.1吸收系数§1.2折射率和消光系数与电导率之间的关系§1.3反射与透射率‹光通过材料后，其强度或多或少地会减弱，实际上就是一部分光能量被固体吸收－光吸收：光通过材料时，与材料中存在的电子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用而产生光的吸收。光通过物质时的两个作用‹对材料施加外界作用，如加电磁场等激发，有时会产生发光现象－光发射：固体吸收外界能量，其中一部分能量以可见光或近于可见光的形式发射出来。微观机制－不同能级之间的跃迁。§1.1吸收系数研究固体中的光吸收和光发射，可直接地获得有关固体中的电子状态，即电子的能带结构及其它各种激发态的信息。如对半导体可以得出：带隙功函数杂质能级…研究材料光吸收和光发射的意义电磁波谱—波长与频率的对应关系λ/0cv=c0真空中光速，3.0×108m/s可见光对应的频率范围：ν=7.5∼4.3×1014Hz可见，肉眼可见的光频段窄小光在材料中传播时，其强度或多或少地被削弱，这一衰减现象为光的吸收光在材料中入射、反射、透射示意图当光射向或透射固体时，可能被反射、吸收或透过。吸收率：A；反射率：R；透过率：T它们之间的关系为A+R+T=1入射光强反射光强透过率T为多少？α为吸收系数，量纲为cm-1。设R=0时，则α表示光在材料中传播距离d=1/α时，光强衰减到原来的1/e。例如：对于α＝104cm-1的吸收体（如半导体GaAs），光经过该材料d=1μm后，光强减小到原来的1/3。而对于金属铜而言，α＝107cm-1，d=10-3μm。α越大，材料对光吸收的本领越大。deRTα−−==2)1(入射光强度透射光强度吸收系数的基本特征光在媒质中的传播时，会产生折射现象。设平面电磁波角频率为ω，沿某一方向（设为x轴）传播，电场强度为E。)](exp[0tcxniEEc−=ω媒质的复数折射率：nc＝n+iκ)exp()}(exp{0cxtcnxiEEκωω−−=∴zn是折射率(一般半导体的n=3－4)zκ表示光能衰减的参量，即消光系数。z光波在介质中以c/n的速度沿x方向传播，其振幅以指数形式下降。光的强度正比于光场振幅的平方*2EEEI=∝)exp()0()(xIxIα−=042λπκωκα==c其中，吸收系数表示光在材料中传播的指数衰减率。吸收系数α和消光系数κ都表示物质的吸收。吸收系数：光强度的衰减：吸收系数光在材料中的穿透深度（也叫趋肤深度）πκλα4//101==dπκλ2/02=d穿透深度：d吸收系数的基本情况光强穿透深度振幅穿透深度二者相差2倍§1.2折射率和消光系数与电导率之间的关系Maxwell方程组光在连续介质中的传播：无限大、均匀、各向同性且不带电，材料的性质用介电常数ε，磁导率μ和电导率σ来表征，入射光的波段设定为50nm~500μm(25eV~0.002eV)，其下限设定为50nm，使波长足够短，但仍大于原子半径。材料可以被认为是连续介质。如何确定折射率和消光系数与电导率之间的关系？？Maxwell方程组EEErrr2)(∇−⋅∇∇=×∇×∇矢量运算法则0=⋅∇ErQtHE∂×∇∂−=×∇×∇)(0rrμμ2200022dtEddtdEdxEdεεμμσμμ+=∴（设电磁波沿x方向传播）)](exp[0tcxniEEc−=ω0020222εεμμωσωμμω−−=−icnc可得：设)2(1)(2222222κκκinnccincnc+−=+=Q00/1εμ=cQ如果用于光学方面的材料为非磁性的，则它们的磁导率系数接近于真空的情形，μ＝1利用复数相等条件：实部与虚部分别相等，所以有0020222εεμμωσωμμω−−=−icnc（1）导电能力很差的材料，如电介质：σ→0，n→，消光系数κ→0，材料几乎是透明的。（2）导电能力较好的材料，如金属：σ很大，ε1)(20ωεεσ0042πνεσωεσκ===n光吸收系数与电导率之间的关系)exp()0()(xIxIα−=Q0/4λπκα=（1）金属材料，其光的穿透深度πσλεσπνεπλπκλα44440000011cd====−)/(0λνc=（2）一般情况，σ较小εωεεσε≅++=...])(212[21202n2040202)2(1...])(81)(21[21ωεσεωεεσωεεσεκ≅+−=εσεεσωεπλα0001124cd===−光吸收系数与电导率之间的关系1)(20ωεεσε=n举例：对半导体材料Ge而言，电导率σ＝0.11Ω－1⋅cm－1，ε＝16，满足条件因此折射率与电介质材料类似。§1.3反射与透射率简单的正入射情形])1/[(])1[(11/22222κκ+++−=+=nnnnRcc－入射光强度＝反射光强度（1）透明材料，κ＝022)1()1(+−=nnR（2）金属材料140==πνεσκnσπνεκκ0222222421122122)1()1(−≈+++−=+++−=nnnnnnR可见，对于金属材料，反射率很大，接近于1nc＝n+iκ