《光电材料》PPT课件

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1、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

2、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

3、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

4、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。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

5、禁带宽度Eg和吸收波长λ的关系为hv>E导带价带能隙（禁带）光辐射hvh——普朗克常数c——光速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

6、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：气孔率晶界结构原料与添加剂烧成气氛表面加工光洁度陶瓷材料的透光性的主要影响因素：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

7、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。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1u

8、m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