最新《电工电子学》光与物质相互作用资料ppt课件.ppt

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1、《电工电子学》光与物质相互作用资料1)基本吸收区:谱范围在紫外－可见光－近红外光。电子从价带跃迁到导带引起光的强吸收，吸收系数很高，常伴随可以迁移的电子和空穴，出现光电导。2)吸收边缘界限:电子跃迁跨越的最小能量间隙，其中对于非金属材料，还常伴随激子(受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统—激子)的吸收而产生精细光谱线。3)自由载流子吸收:导带中电子或价带中空穴在同一带中吸收光子能量所引起的，它可以扩展到整个红外甚至扩展到微波波段，显然吸收系数是电子（空穴）的浓度的函数，金属材料载流子浓度较高，因而这一区吸收谱线强度很大，

2、甚至掩盖其它吸收区光谱。4)晶体振动引起的吸收：入射光子和晶格振动（声子）相互作用引起的，波长在20～50µm。5)杂质吸收:杂质在本征能带结构中引入浅能级，电离能在0.01eV左右，只有在低温下易被观察到。(为什么？)6)自旋波或回旋共振吸收:自旋波量子、回旋共振与入射光产生作用，能量更低，波长更长，达到mm量级。1.1直接跃迁基本吸收分为两类，一是直接跃迁；另一是间接跃迁。假定：半导体是纯净半导体材料，0K时其价带满而导带空。电子吸收光子能量产生跃迁，保持波数（准动量）不变，称为直接吸收，这一过程无需声子的辅助，如图7所示。常见半

3、导体GaAs就属于此类直接带隙半导体。1.2间接跃迁实验中还常常发现在纯的半导体材料如锗、硅和重掺杂的半导体中出现平方吸收边，这种吸收被认为来自间接跃迁的结果。有两种情况可以导致这种吸收:一种声子参与下的跃迁，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子。这种吸收与直接跃迁光吸收不同，其吸收系数与温度密切相关(为什么?)。其原因是不同的温度晶格振动是不同的，声子的数密度随温度有一分布，且光吸收系数(1-103cm-1)比直接跃迁（104-106cm-1)小得多。另一种是杂质散射参与的吸收。由于某些半导体材料其

4、导带底k值和价带顶k’值不同(间接带隙材料)，电子从价带到导带的跃迁由声子参与来完成，如图8所示，量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。问题1讨论禁带宽度是否与粒子尺寸大小有关？当半导体晶粒尺寸小到一定值时（1～10nm），就会表现出量子尺寸效应。量子尺寸效应会使其导带和价带能级变成分立能级，能隙变宽，这意味着纳米半导体粒子具有更强的氧化或还原能力。但

5、这同时也意味着吸收带蓝移，光谱响应范围变窄了，因此随晶体尺寸的减小，光催化效率将会出现最大值。半导体尺寸和禁带宽度禁带宽度和光催化活性问题2禁带越小，所需能量越小，光的利用率越高，催化活性越高?禁带宽度只是决定了催化剂的光响应范围同时，价带和倒带位置决定了光催化氧化还原能力的问题。二氧化钛是一种N型半导体材料，锐钛矿相TiO2的禁带宽度Eg=3.2eV，由半导体的光吸收阈值λg与禁带宽度Eg的关系式：λg(nm)=1240/Eg(eV)当光通过材料时，光与材料中的原子（离子）、电子相互作用时即可发生光的吸收。例如，离子晶体长光学波的

6、红外吸收，半导体的本征吸收（包括竖直跃迁吸收和需要声子参与的非竖直跃迁吸收）、激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收等。材料吸收光的能力用所谓吸收系数α来表示，单位为[1/cm]，1/α就是光在材料中传播时光强衰减到1/e时的距离光吸收与光子的能量有关。例如，对于禁带宽度为Eg的半导体，只有当光子能量hν>Eg时才能发生本征吸收。光的吸收系数与光的能量或者波长之间的关系曲线即称为吸收光谱，不同材料有不同的吸收光谱。通过测量材料的吸收光谱，即可获得材料的有关物理性质。例如，由半导体的吸收光谱可以得到半导体的禁带宽度等性能参量禁带宽度和光吸收

7、物体依赖外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发导至发光的现象，它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段，光的吸收及发射都发生于能带之间的跃迁，都经过激发态。而能量传递则是由于激发态的运动。紫外辐射、可见光及红外辐射均可引起光致发光。如磷光与荧光。光致发光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息，是一种非破坏性的、灵敏度高的分析方法。物体在紫外线光、太阳光或普通灯光照射后，该物体在黑暗的环境中具有一定的发光性能，称这种物体叫光致发光材料。光致发光材料无需电源并可在夜间起到标记作用，它有多种用途，用它可以制成街道路标、楼房门

8、牌标号、消防安全标志、广告牌等。使用稀土长余辉荧光体制成的标记，荧光发光强度高，荧光延时时间长，具有广阔的应用前途。禁带宽度和光致发光问题3：日光灯发光原理？光致发光光谱（Photoluminescence,简称PL)，