材料化学导论第5章-固体的光性质和发光材料.pdf

材料化学导论第5章-固体的光性质和发光材料--第1页

第5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。

§5.1固体对光的吸收与光电转换材料

5．1．1固体光吸收的本质

我们先讨论纯净物质对光的吸收。

在第1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5.1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~25μm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，AlO的基础吸收约在9ev。

23

导带导带

激子能级

能隙（禁带）能隙(禁带）

价带价带

图51绝缘体和半导体的能带结构图5.2离子晶体的激子能级

81

材料化学导论第5章-固体的光性质和发光材料--第1页

材料化学导论第5章-固体的光性质和发光材料--第2页

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5.2）。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

（~1μm）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

CCC

E

DDD

电子泵抽运造成

的