《材料科学系》——（材料的光吸收和光发射）课程讲义

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1、材料的光吸收和光发射早在4000年前的古代中国青铜器时代，人们就己经知道通过材料的光泽和颜色来估计铜合金的组分，对材料的光学性质冇了初步的认识。而在公元前四世纪周朝墨子的著作中就有“光至，景亡；若在，尽古息”。也就是说，当光线透过物体时，物体的影子就会消广；若物体的影子存在，则光线就被物体终止。实际上这里描述了物体对光的透射、吸收和反射。十九世纪末，二十世纪初，通过光与物质的相互作用的研究使得物理学和材料科学发生了重大转折：1）X光的发现是材料科学研究中革命性的变革；2）天然放射性的发现开辟了原子核物理和原子能的时代；3）黑体辐射的发现奠

2、定了量子理论的基础；4）激光器的发明从根本上改变了人们对光性质的认识；5）到了上世纪八十年代后，纳米材料所显示出来的特殊的光学性质，表明物体维度的变化会引起材料光谱性质发生显著变化。这种量子尺寸效应形成了材料光学特性乂一新的重大科学问题。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。而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。这里涉及两个相反的过程：光吸收和光发射。光吸收：光通过固体时，与固体中存在的电子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用而产生光的吸收。光发射：固体吸收外界能量，其中一部分能量

3、以可见光或近于可见光的形式发射出来。由此可见，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。本篇首先引出描述固体光学性质的若干参数及相互间的关系；然后将陆续介绍儿种主要的光吸收过程等。§1材料光学常数间的基本关系在各种波长的光波中，能为人眼所感受的叫可见光的波长范围是：X=400—760nm的窄小范围。对应的频率范围是：v=7.5-4.3xlO14Hzo在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。图1是可见光不同的波长所对应的不同颜色。7606306005705004504

4、30400(nm)红橙黄绿青蓝紫图1不同波长的可见光所对应的不同颜色。为讨论问题的方便，我们给出了各种电磁波谱的波长与频率的对应关系如图2所示:V1019Hz丫rays-10lsHzxrays.1017Hz—IO16HzUltraviolet.IO15Hz■Visible1014Hz■Infrared1013Hz■1012Hz1011Hz-MicrowaveIO10Hz1O9Hz=■1000MHz100MHz-10MHzRadio1MHz=■1000kHz■100kHz■-X10"2nmIO*1nm10°nm101nm102nm103nm

5、10"4cm10"3cmIO*2cmIO"1cm10°cm101cm102cm=1m102m103m104m400nm500nmbOOnm

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11、^^700nm可见光图2电磁波谱一波长与频率的对应关系。§1.1吸收系数我们知道，当光透射（射向）固体时，可能被反射、吸收或透过。常用吸收率/、反射率7?和透过率T来表示它们之间的关系，即：A+R-yT=而光在材料中传播时，其强度或多或少地被削弱，这一衰减现彖为光的吸收。光从自由空间射入固休表面时，反射光与入射光强度之比为反射率图3表示光在材料中入射、反射、及透射示意图。图3光在材料中入

12、射、反射、透射示意图。设入射光强为/o,则反射光强为因此，透入表面而进入体内的光强为(1-7?)/oo经过距离为d而达到材料另一端时，光强减弱为(1-R)I.e-aJ,所以最后透射出的光强为：透射光强度小2_〃入射光强度其

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14、匕为吸收系数，量纲为cm"。设R=0时，则咸示光在材料中传播距离d=1/a时，光强衰减到原来的1/e。对于Q=104cm_1的吸收体(如半导体GaAs),光经过该材料d=1pm后，光强减小到原来的1/3。而对于金属铜而言，a=lOW1,d=lO^mo可见，q越大，材料对光吸收的本领越大。下面我们来讨论吸收系数基本情况

15、。从宏观上讲，光在媒质中的传播时，就会产生折射现彖。当角频率为⑵的平而电磁波射入一固体并沿某一方向(设为x轴)传播吋，电场强度E=Eoexp[血(％"-Z)](1)c其中，c为光速，佻为媒质的复数折射率：nc=刃+ix.(2)从宏观上來说，材料的光学性质可曲折射率〃和消光系数k來描述。将方程(2)代入⑴得：E=£0exp{ico(—-/)}exp(-69:—).(3)cc上式最后为衰减因子。该方程表明光波以C//7的速度沿X方向传播，其振幅按exp(-coxK/c)的形式下降。故n是通常的折射率(一般半导体的n=3—4),而K表示光能衰减

16、的参量，即消光系数。由于光的强度正比于光场振幅的平方，即：1OC

17、£

18、2=££*(4)根据方程(3)可以得到光的强度在材料屮传播吋是按下式衰减的：/(x)=/(0)exp(-处).(5)其中(