第7章 固体的光性质和发光材料.pdf

第7 章 固体的光性质和光功能材料 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。基于这些性 质，可以开发出光学晶体材料、光电材料、发光材料、激光材料以及各种光功能转化材料等。在本 章中，我们从固体对光的吸收的本质开始，然后介绍光电材料、发光材料和激光材料等，最后介绍 有机发光材料的新近进展。 §7.1 固体对光的吸收与光电转换材料 7.1.1 固体光吸收的本质 我们先讨论纯净物质对光的吸收。 在第3 章里我们已讨论了固体中电子的能带结构。绝缘体和半导体的能带结构如图7.1 所示， 其中价带相当于阴离子的价电子层，完全被电子填满。导带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带）， 在能隙中不能存在电子的能级。这样，在固体受到光辐射时，如果辐射光子的能量不足以使电子由 价带跃迁至导带，那么晶体就不会激发，也不会发生对光的吸收。例如，离子晶体的能隙宽度一般 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。碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由~25 μm到250nm， 相当于0.05~5eV的能量。当有足够强的辐射（如紫外光）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，这样就发生了光吸收。这种与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收， 称作基础吸收或固有吸收。例如，CaF2的基础吸收带在200nm(约6eV)附近，NaCl 的基础吸收约为 8eV，Al O 的基础吸收约在9eV。 2 3 导带 导带 激子能级 能隙 （禁带） 能隙(禁带） 价带 价带 图7.1 绝缘体和半导体的能带结构 图7.2 离子晶体的激子能级 164 固体的光性质与光功能材料 除了基础吸收以外，还有一类吸收，其能量低于能隙宽度，它对应于电子由价带向稍低于导 带底处的能级的跃迁有关。这些能级可以看作是一些电子-空穴（或叫做激子，excition）的激发能级 （图7.2）。处于这种能级上的电子，不同于被激发到导带上的电子，不显示光导电现象，它们和价 带中的空穴偶合成电子-空穴对，作为整体在晶体中存在着或运动着，可以在晶体中运动一段距离（~1 μm）后再复合湮灭。 我们现在接着讨论缺陷存在时晶体的光吸收。 我们在第3 章已经讲过，晶体的缺陷有本征的，如填隙原子和空位，也有非本征的，如替代 杂质等。这些缺陷的能级定于在价带和导带之间的能隙之中。当材料受到光照时，受主缺陷能级接 C C C E D DD 电子泵抽运造成 的电子-空穴对 DA A V V V V V 图7.3 跨越能带隙的电子-空穴对的复合过程 受价带迁移来的电子，而施主能级上的电子可以向导带迁移，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，图7.3 给出了各种光吸收的情况。 由图7.3 可以看到缺陷晶体受到光