《电工电子学》光与物质相互作用资料.ppt

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1、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，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

2、长在2050 m。5) 杂质吸收:杂质在本征能带结构中引入浅能级，电离能在0.01 eV 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。常见半导体GaAs 就属于此类直接带隙半导体。1.2 间接跃迁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

3、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(1-103 cm-1)比直接跃迁（104 -106 cm-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，NoImage1.3 晶格吸收由于T 0 K，所有固体都存在晶格振动

4、，因此所有固体都具有一个由于光子和声子相互作用所引起的吸收区域。晶格振动的频率在红外波段(10100m)，红外吸收光谱和喇曼散射被广泛地用来研究材料的晶格振动问题。而通过对晶格振动的研究可以了解材料的结构、相变以及杂质和缺陷的有关问题。绝缘体和半导体的光学现象 绝缘体是一种分子晶体,禁带宽度（Eg）大于4ev.绝缘体（单晶体形式）正常情况下是透明的（无色）室温下的热能和可见光范围内的辐射所提供的能量(2eV)传统的半导体硅和锗其禁带宽度（Eg）分别是1.1eV和0.7eV，因此能吸收可见光辐射；它们是不透明的颜色的出现是因为部分白色光线被吸收以及可见光谱中的其他部分的光线选择性透射。 1. 某

5、固体的禁带宽度（Eg）为3eV，阳光透射过这一固体最可能是什么颜色？ 2. 阳光透射过某一透明固体显示出绿色，这一固体的禁带宽度（Eg）为多少（单位为eV）？ 3. 最大波长是多少的辐射能透射过： （a）硅，禁带宽度Eg = 1.1eV （b）锗，禁带宽度Eg=0.7eV （c）化合物砷化镓，禁带宽度Eg=1.43eV 6. 解释杂质半导体和本征半导体的区别。4. 氧化锌（ZnO）的禁带宽度（Eg）为3.2eV。 （a）在可见光辐射下它是透明的吗？ （b）你认为在室温下这一材料是导体吗？（给出你的理由。） 5. 硒化锌的禁带宽度（Eg）为2.3eV。 （a）在可见光辐射下它是透明的吗？（扩展你

6、的答案） （b）怎样能增加这种材料的电导率？（给出你提供的方法有效的理由） 6. 某纯金属晶体（没有任何杂质或缺陷存在）在透射光中呈现红色。 （a）这种材料是导体，半导体还是绝缘体？（并解释） （b）这种材料的禁带宽度（Eg）大约是多少？（单位为eV） 7. 一种未知的金属对于频率大于1.31014s-1的光是透明的。画出这种材料的能带结构示意图。8. 分别画出以下三个对应的能级结构（可辨别）：（1）n型掺杂半导体 （2）绝缘体 （3）金属9. 一种材料对频率为v=51014Hz(s-)的光显示出了“光谱带边”现象（从吸收光过渡到透射光）： （a） 画出能反映所示光学现象的示意图。 （b）在日

7、光下你认为这种材料是什么颜色？ （c）这种材料的禁带宽度（Eg）是多少？10. 一种没有掺杂的半导体在波数大于1.613106m-1的电磁辐射下，不再透明： （a）画出这种固体在可见光辐射下其光吸收平衡的示意图（吸收百分比与波长的示意图） （b）在太阳光透射下它是什么颜色？ 量子尺寸效应量子尺寸效应-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、电及超导磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。问题问题1 讨论禁带宽度是否与粒子尺寸大小有关？讨论禁带宽度是否与

8、粒子尺寸大小有关？当半导体晶粒尺寸小到一定值时（110nm），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，导带和价带能级变成分立能级，能隙变宽能隙变宽，这意味着纳米半导体粒子具有更强的氧化或还原能力具有更强的氧化或还原能力。但这同时也意味着吸收带蓝移蓝移，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

9、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g与禁带宽度Eg的关系式：g (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红外吸收红外吸收，半导体的本征吸收本征吸收（包括竖直跃迁吸收和需要声子参与的非竖直跃迁吸收）、激子吸收激子吸收、自由载流子吸收自由载流子吸收、杂质吸收杂质吸收等。材料吸收光的能力用所谓吸收系数吸收系数来表示，单位为1/cm，1/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

10、光子能量hEg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，产生激发导至发发光光的现象，它大致经过吸收吸收、能量传递能量传递及光发射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

11、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。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问题3：日光灯发光原理？：日光灯发光原理？光致发光光谱光致发光光谱（Photoluminescence,简称PL)，指物质吸收光子（或电磁波）后重新辐射出光子（或电磁波）的过程。光致发光光谱可以应用于：带隙检测，杂质等级和缺陷检测，复

12、合机制以及材料品质鉴定。19世纪末的三大发现 1895年, 伦琴发现X射线. (伦琴, W. C. Rontgen, 1845-1923, 德国物理学家, 1901年获首届诺贝尔物理学奖) 1896年, 贝克勒尔发现放射性. (贝克勒尔, H. A. Becquerel, 1852-1908, 法国物理学家, 1903年同居里夫妇 一起 获诺贝尔奖.) 1897年, 汤姆生发现电子. (J. J. Thomson, 1856-1940, 英国物理学家, 1906年获诺贝尔物理奖.)20 世纪初物理学的辉煌 1900年, 普朗克提出黑体辐射公式, 量子论诞生. (普朗克, M. Planck,

13、1858-1947, 德国物理学家, 1919年获1918年诺 贝尔物理奖.) 1902年, 勒纳德得到光电效应的基本规律, 发现 电子的最大速度与光强无关. (勒纳德, P. Lenard, 1862-1947, 德国物理学家, 1905年因对阴极射线的研究获诺贝尔物理奖) 反爱因斯坦, 批相对论 1902年, 吉布斯创立统计系综理论. (J. W. Gibbs, 美国物理学家) 1905年, 爱因斯坦发表了三篇重要论文. 1, 关于布朗运动的论文. 2, 关于光电效应的论文, 提出光量子概念. 3, 关于运动媒质的电动力学, 提出狭义相对论. (爱因斯坦, A. Einstein, 187

14、9-1955, 德国物理学家, 1922年因光电效 应理论获诺贝尔物理奖.) 1915年, 爱因斯坦建立了广义相对论.1911年, 昂纳斯发现超导电性. (昂纳斯, H. K. Onnes, 1853-1926, 荷兰物理学家, 1913年获诺贝尔物理奖.)1913年, 玻尔发表氢原子结构理论. (玻尔, N. bohr, 1885-1962, 丹麦物理学家, 1922年获诺贝尔物理奖.) 1925年, 泡利发表不相容原理. (泡利, W. Pauli, 1900-1958, 奥地利物理学家, 1945年获诺贝尔物理奖.) 1925年, 海森堡创立矩阵力学. (海森堡, W. H. eisen

15、berg, 1901-1976, 德国物理学家,1933获1932年诺贝尔物理奖.) 1926年, 薛定格发表波动力学, 并证明与矩阵力学等价. (薛定格, E. Schrodinger, 1887-1961, 奥地利物理学家, 1933年获诺贝尔物 理奖) 1926年, 玻恩发表波函数的统计解释. (玻恩, M. Born, 1882-1970, 德国物理学家, 1954年获诺贝尔物理奖.) 1928年, 狄拉克发表电子的相对论波动方程. (狄拉克, P. A. M. Dirac, 1902-1984, 英国物理学家, 1933年获诺贝尔物理奖.)凝聚态物理学固体能带理论(布洛赫, 1928

16、-1930)( F. Bloch, 1905-1983, 瑞士物理学家, 1952年获诺贝尔物理奖.) 金属,半导体和绝缘体的能带模型(威尔逊,1931) 超流氦的量子理论(郎道, 1940-1941)(郎道, L. D. Landau, 1908-1968, 苏联物理学家, 1962年获诺贝尔物理奖.)超导微观理论(巴丁, 库珀和施里弗, 1957)(J. bardeen, 1908-1992, 美国物 理学家, 1956, 1972 两次获诺贝尔物理奖,库珀, L. N. Cooper, 1930-, 美国物理学家, 施里弗, J. R. Schrieffer, 1931-, 美国物理学家

17、, BCS 获1972年诺贝尔物理奖)电子局域化理论(安德生, 1958年) (安德生, P. W. Anderson, 1923-, 美国物理学家, 1977年获诺贝尔物理奖.) 凝聚态物理学(续)约瑟夫逊效应. (约瑟夫逊, 1962)(B.D. Josephson, 1940-, 英国物理学家, 获1973年诺贝尔物理奖.)量子霍尔效应. (克里青, 1980, 崔琦, Stomer, Lauphlin等)( V. Klitzing, 1943-, 德国物理学家, 获1985年诺贝尔物理奖.崔琦, Stomer, Laughlin 获1998年诺贝尔物理奖)高温超导体(贝德诺兹和米勒, 1986) (获1987年诺贝尔物理奖.)软凝聚态物理学(德让纳等, 1991年获诺贝尔物理学奖)波色-爱因斯坦凝聚, (1995)2001年获诺贝尔物理奖返回理论的应用 量子力学狭义相对论固体物理学原子核物理原子物理学粒子物理量子电动力学量子化学量子计算和通讯量子光学 物理学与技术和社会核磁共振(布洛赫, 珀塞尔, 1946), (E. M. Purcell, 1912-,美国物理学家, 1952年获诺贝尔物理奖.)晶体三极管发明(肖克利, 巴丁, 布拉顿, 1948)1956年获诺贝尔物理奖经济物理学生物物理学大规模集成电路纳米科学与技术材料科学光子晶体, 声子晶体