纳米材料的光学性能ppt课件.ppt

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1、认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目3.3纳米材料的光学性能认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目3.3.13.3.1基本概念基本概念 研究纳米材料光学特性的理论基础是量子研究纳米材料光学特性的理论基础是量子力学，本章不详述这种具体理论。力学，本章不详述这种具体理论。但在了解纳米材料光学特性的过程中，经但在了解纳米材料光学特性的过程中，经常会遇到以下几个概念，这里先作介绍。常会遇到以下几个概念，这里先作介绍。认识到了贫困户贫困的根本原

2、因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 激子（激子（ExcitonExciton）激子激子在价带自由运动的空穴和在导带自由运动的电子通过库仑作用束缚的电子-空穴对，电子和空穴复合时便发光，以光子的形式释放能量。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目激子分类激子分类束束缚缚半径半径远远大于原子半大于原子半径，径，库仑库仑相互作用相互作用较较弱弱根据根据电电子与空穴相互作用的子与空穴相互作用的强强弱，激子分弱，激子分为为：万尼万尼尔尔（Wannier）激子（松束）激

3、子（松束缚缚）；）；弗弗仑仑克克尔尔（Frenkel）激子（）激子（紧紧束束缚缚）。）。格点上原子或分子的激格点上原子或分子的激发态发态，库仑库仑相互作用相互作用较较强强认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目在半在半导导体、金属等体、金属等纳纳米材料中多是米材料中多是万尼万尼尔尔激子激子，由固体物理，其能量由固体物理，其能量En与波矢与波矢 k的关系可写的关系可写为为：Eg为为相相应应材料的能隙；材料的能隙；m=me*+mh*是是电电子和空穴子和空穴的有效的有效质质量之和；量之和；R*是激子的等效里德伯能量。是激子

4、的等效里德伯能量。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目n=1,2,3有什么物理意义？若若k k=0 0，则激子能量：，则激子能量：认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目如：如：Si如：如：InP允允许带间许带间直接直接跃跃迁迁时时，激子的光吸收，激子的光吸收过过程所需光子的能程所需光子的能量比量比能隙能隙Eg（即本征吸收能量）（即本征吸收能量）小。小。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高

5、度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，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。能产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。激子在晶体某一部位产生后，并不是停留在该处，可以在整个晶体中运动，但是作为一个整体是电中性的，不能形成电流。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目激子消失：1、通过热激发或其他能量的激发使激子分离成为自由电子或空穴，参与导电。2、激

6、子中的电子和空穴复合，释放能量，发射光子或同时发射光子和声子。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目波波长长 激子的光吸收峰出激子的光吸收峰出现现在本征吸收峰的在本征吸收峰的长长波一波一侧侧强强度度与与Eg对应对应的波的波长长认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目光光谱线谱线及移及移动动太阳光太阳光谱谱400nm能量越大，波能量越大，波长长越短越短700nm能量越小，波能量越小，波长长越越长长认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下

7、药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目激子受限类型激子受限类型最小的激子半径称为激子波尔半径 其中 是电子的静质量。在半导体发光材料中，当材料体系的尺寸与激子玻尔半径相近时，就会出现量子限域效应，亦即系统中的能级出现一系列分立值，电子在能级出现量子化的系统中的运动受到了约束限制。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目按照纳米颗粒半径 与激子玻尔半径 的关系，可将激

8、子受限的情况分成3种：激子弱受限，体系的能量主要由库仑相互作用决定，此时量子尺寸限域附加的能量可近似表示为：从吸收和发光来看，激子基态能量向高能方向位移，出现激子能量的蓝移。由于电子的有效质量与电子的静止质量以及空穴有效质量与电子静止质量之比导致的附加能并不大，所以激子弱受限引起的蓝移量不大。激子受限类型激子受限类型认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目激子中等受限，由于电子的有效质量小，空穴的有效质量大，电子受到的量子尺寸限域作用比空穴的大得多，这种情况下，主要是电子运动受限，空穴在强受限的电子云中运动，并与电子

9、之间发生库仑相互作用，体系的附加能量近似表示为：激子受限类型激子受限类型认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目激子强受限，材料中的电子和空穴运动都将明显受到限制，当r减小到一定尺寸，量子限域效应超过库仑作用，库仑作用仅仅作为微扰来处理，根据计算，量子尺寸限域产生的附加能量近似表示为：激子受限类型激子受限类型认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目纳米半导体微粒增强的量子限域效应使它的光学性能不同于常规半导体。不同尺寸的不同尺寸的CdSCd

10、S纳米微粒的可见光纳米微粒的可见光-紫外吸收光谱比较紫外吸收光谱比较当微粒尺寸变小后出现明显的激子峰，并产生蓝移现象。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目14蓝蓝移移首先，从能首先，从能带带的角度来看：的角度来看：价价带带Eg1Eg2波波长长12Eg1 2强强度度导带导带认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目除用能除用能带变带变化解化解释释外，外，还还可以从可以从晶体晶体结结构构来来说说明明蓝蓝移移现现象：象：大的表面大的表面张张力力

11、大的晶格畸大的晶格畸变变晶格常数晶格常数变变小，小，键长缩键长缩短短键键的本征振的本征振动频动频率增大率增大光吸收光吸收带带移向高波数移向高波数认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目如：如：纳纳米氧化物和氮化物米氧化物和氮化物第一近第一近邻邻和第二近和第二近邻邻的距离的距离变变短。短。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目红红移移在有些情况下，粒径减小至在有些情况下，粒径减小至纳纳米米级时级时可以可以观观察到察到光吸收光吸收带带相相对对

12、粗晶材料向粗晶材料向长长波波方向移方向移动动，这这种种现现象被称象被称为为红红移移。如果从能如果从能带带的的变变化来看，化来看，红红移意味着移意味着能隙能隙？减小认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目h 2r1.8e-+0.248R纳纳米半米半导导体粒子的吸收体粒子的吸收带带隙隙E(r)是是纳纳米粒子半径米粒子半径 r 的函数，可用下列公式描述：的函数，可用下列公式描述：2 2*2240rE(r)=Eg+为为量子限量子限域能，即域能，即蓝蓝移量移量为电为电子子-空空穴穴对对的的库仑库仑作用能，即作用能，即红红移量移

13、量Eg为块为块体材料的能隙。体材料的能隙。常数，是由于常数，是由于电电子子-空穴相互靠近出空穴相互靠近出现现的空的空间间相关能，相关能，R*为为激子等效里德伯激子等效里德伯能量。能量。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目因此因此纳纳米材料的每个光吸收米材料的每个光吸收带带的峰位由的峰位由蓝蓝移和移和红红移因移因素共同作用而确定。素共同作用而确定。蓝蓝移因素移因素红红移因素移因素光吸收光吸收带蓝带蓝移移光吸收光吸收带红带红移移认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视

14、，已经展开了“精准扶贫”项目粒径大小有一个分布，粒径大小有一个分布，使得各使得各颗颗粒表面粒表面张张力有差力有差别别，晶格畸，晶格畸变变程度不同，引起程度不同，引起纳纳米米结结构材料构材料晶格晶格中中键长键长有一个分布有一个分布，导导致了致了红红外吸收外吸收带宽带宽化化。吸收吸收带带的的宽宽化化很很难难做做到到纳纳米米结结构材料在制构材料在制备过备过程程中要求中要求颗颗粒均匀、粒径分粒均匀、粒径分布窄布窄。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目纳纳米米结结构材料的构材料的结结构特性，如比表面构特性，如比表面积积大、

15、界面大、界面中存在空洞等缺陷、原子配位数不足、失配中存在空洞等缺陷、原子配位数不足、失配键较键较多等，使多等，使界面内的界面内的键长键长与与颗颗粒内的粒内的键长键长有差有差别别。就界面来就界面来说说，较较大比例的界面大比例的界面结结构并不是完全一构并不是完全一样样，它，它们们在能量、缺陷密度、原子排列等方面很在能量、缺陷密度、原子排列等方面很可能有差异，也可能有差异，也导导致致界面中的界面中的键长键长有一个很有一个很宽宽的的分布分布。原子振原子振动频动频率的分布率的分布键长键长的分布的分布导导致了吸收致了吸收带带的的宽宽化化认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国

16、家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目太阳光23 3.3.2 纳纳米材料的光吸收特性米材料的光吸收特性暗线暗暗线线是由于大是由于大气气层层中的中的钠钠原原子子对对太阳光太阳光选选择择性吸收的性吸收的结结果。果。光通光通过过物物质时质时，某些波，某些波长长的光被物的光被物质质吸收吸收产产生的光生的光谱谱，称，称为为吸收光吸收光谱谱。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 用适当波长的光照射固体材料，可将固体材料中的电子从价带用适当波长的光照射固体材料，可将固体材料中的电子从价带激发到导带，而在价带中留下空穴

17、。这种光激发的电子空穴对可以激发到导带，而在价带中留下空穴。这种光激发的电子空穴对可以以不同方式复合发射光子，在光谱上产生对应的以不同方式复合发射光子，在光谱上产生对应的发射峰发射峰，从实验上，从实验上得到的光谱细节则反映固体材料的信息。得到的光谱细节则反映固体材料的信息。固体材料的固体材料的光学性质光学性质与其与其内部的微结构内部的微结构，特别是电子态、缺陷态，特别是电子态、缺陷态和能级结构有密切的关系。和能级结构有密切的关系。传统的光学理论传统的光学理论大都建立在能带有平移大都建立在能带有平移周期的周期的晶态晶态基础上。基础上。2020世纪世纪7070年代以来，对年代以来，对非晶态光学性质

18、非晶态光学性质的研究的研究又建立了描述又建立了描述无序系统光学现象理论无序系统光学现象理论。纳米结构材料在结构上与常。纳米结构材料在结构上与常规的规的晶态和非晶态有很大的差别晶态和非晶态有很大的差别，小的，小的量子尺寸量子尺寸颗粒和大的颗粒和大的比表面比表面、界面原子排列界面原子排列和和键组态键组态的无规性较大，就使得纳米结构材料的光学的无规性较大，就使得纳米结构材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶态的新现象。性质出现一些不同于常规晶态和非晶态的新现象。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目光吸收光吸收简简介

19、介光在固体中传播时，其强度一般要发生衰减，出现光的吸收现象。光的吸收与光强有关。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目某物某物质质的相的相对对介介电电常数常数r和折射率和折射率N的复数形式：的复数形式：r=1+i2N=n+ik1、2分分别为别为相相对对介介电电常数常数r的的实实部和虚部；部和虚部；复数折射率复数折射率N的虚部的虚部为为消光系数消光系数，实实部部n为为通常通常所所说说的的折射率折射率。26光吸收简介光吸收简介认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已

20、经展开了“精准扶贫”项目复数折射率与相复数折射率与相对对介介电电常数有以下关系：常数有以下关系：因此：因此：,人人们们通常用通常用n和和这对这对光学常数来表征固体的光光学常数来表征固体的光学性学性质质。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目实验发现，光在固体中传播时，其强度一般要实验发现，光在固体中传播时，其强度一般要发生衰减，光的吸收与光强有关发生衰减，光的吸收与光强有关.强度为强度为I I0 0的入射的入射光，通过固体内位移光，通过固体内位移x x后其强度将衰减变为：后其强度将衰减变为：普遍吸收普遍吸收很大，与

21、波很大，与波长长无关无关选择选择吸收吸收很小，与波很小，与波长长有关有关叫做叫做吸收系数吸收系数，它表示光在固，它表示光在固体中体中传传播的指数衰减播的指数衰减规规律。律。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目消光系数消光系数k k也表示物质的吸收也表示物质的吸收它与吸收系数它与吸收系数 的关系为：的关系为：0为为真空中光的波真空中光的波长长；为为入射光的角入射光的角频频率；率；c为为真空中光速。真空中光速。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准

22、扶贫”项目消光系数大的介消光系数大的介质质，光的穿透深度浅，表明物，光的穿透深度浅，表明物质质的吸收的吸收强强，长长波光比短波光的穿透深度大。波光比短波光的穿透深度大。吸收系数的倒数叫光在固体中的吸收系数的倒数叫光在固体中的穿透深度穿透深度，以，以d表示，表示，则则：认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 金属金属纳纳米米颗颗粒的光吸收粒的光吸收大大块块金属具有不同金属具有不同颜颜色的光色的光泽泽，表明它，表明它们对们对可可见见光范光范围围内各种波内各种波长长光的反射和吸收能力不同。光的反射和吸收能力不同。如：如：

23、金、金、银银、铜铜等。等。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目但是小粒子小粒子对对可可见见光具有光具有低反射率低反射率、强强吸收率吸收率。例如：例如：当金（当金（Au）粒子尺寸小于光波波）粒子尺寸小于光波波长长时时，会失去原有的光，会失去原有的光泽泽而而颜颜色色变变暗。暗。金金纳纳米粒子的反射率小于米粒子的反射率小于10。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目金属超微粒金属超微粒对对光的反射率很低，一般低于光的反射率很低，一般低于1；

24、大大约约几几nm粒度的微粒即可消光，粒度的微粒即可消光，显显示示为为黑色，尺黑色，尺寸越小，色彩越黑。寸越小，色彩越黑。如：如：银银白色的白色的铂铂（白金）（白金）变为铂变为铂黑，黑，铬变为铬铬变为铬黑黑等。等。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目金属纳米颗粒的一个特点是它有导电电子的表面金属纳米颗粒的一个特点是它有导电电子的表面等离子激元，表现为可见光区的一个强吸收带。等离子激元，表现为可见光区的一个强吸收带。金属纳米颗粒吸收系数的表达式为：金属纳米颗粒吸收系数的表达式为：当光波（电磁波）入射到金属与介质分界面

25、时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目纳纳米材料的光米材料的光发发射特性射特性光致光致发发光：光：指在一定波指在一定波长长光照射下被激光照射下被激发发到高能到高能级级激激发态发态的的

26、电电子重新子重新跃跃入低能入低能级级被空穴捕被空穴捕获获而而发发光的微光的微观过观过程。程。荧荧光：光：仅仅在激在激发过发过程中程中发发射的光。射的光。磷光：磷光：在激在激发发停止后停止后还继续发还继续发射一定射一定时间时间的光。的光。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目从物理机制来分析，从物理机制来分析，电电子子跃跃迁可分迁可分为为两两类类：非：非辐辐射射跃跃迁和迁和辐辐射射跃跃迁。迁。当能当能级间级间距很小距很小时时，电电子子跃跃迁可通迁可通过过非非辐辐射性衰射性衰变变过过程程发发射声子，射声子，这这种情况不

27、种情况不发发光。光。原原子子结结构构简简图图认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目E1E0 E5E4E3E2非非辐辐射衰射衰变变辐辐射衰射衰变变激激发发过过程程激激发发和衰和衰变过变过程程E6认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目当能当能级间级间距距较较大大时时，有可能有可能发发射光子，射光子，实现辐实现辐射射跃跃迁，迁，产产生生发发光光现现象。象。为为什么什么说说是是有有可能可能呢？呢？认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，

28、然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目光光谱谱学中，用四个量子数表示原子所学中，用四个量子数表示原子所处处状状态态的的一种符号称一种符号称为为光光谱项谱项。n2S+1LJ或或 nMLJ主量子数主量子数，为价电子所处电子层数原子原子总总自旋量子数自旋量子数，为价电子自旋角动量的矢量和。总总角量子数角量子数，为价电子角动量的矢量和。内量子数内量子数，为总自旋量子数和总角量子数的矢量和。了解了解认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目原子中不是任何两个能原子中不是任何两个能级级之之间间都能都

29、能够发够发生生跃跃迁迁光光谱选择谱选择定定则则：n为为0及整数；及整数；主量子数主量子数L=1；角量子数之差角量子数之差S=0；自旋量子数之差自旋量子数之差J=0、1（J=0 时时J=0除外）除外）内量子数之差内量子数之差之之差否否则则，不能，不能跃跃迁，叫禁戒迁，叫禁戒跃跃迁迁。与晶体的与晶体的对对称性有关称性有关跃跃迁是迁是允允许许的的了解了解认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目不同纳米微粒尺寸的透射光密度（吸收率）不同纳米微粒尺寸的透射吸收率，能发现纳米结构材料的发光谱与常规态有很大差别，出现了常规态从未观

30、察到新的发光带。尺寸减小，尺寸减小，透射率减小，透射率减小，吸收率增大吸收率增大出现激子出现激子吸收峰吸收峰认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 纳米结构材料中由于平移周期性被破坏，选择定则对纳米结构材料中由于平移周期性被破坏，选择定则对纳米材料很可能不适用，在光激发下纳米态所产生的发光纳米材料很可能不适用，在光激发下纳米态所产生的发光带是常规材料中受选择定则限制而不可能出现的发光。带是常规材料中受选择定则限制而不可能出现的发光。1 1、量子限域效应使纳米材料激子发光很容易出现，、量子限域效应使纳米材料激子发光很

31、容易出现，激子发光带的强度随颗粒的减小而增加激子发光带的强度随颗粒的减小而增加。2 2、在纳米微粒的表面存在着许多悬挂键、吸附类等。、在纳米微粒的表面存在着许多悬挂键、吸附类等。从而形成许多表面缺陷态。微粒受光激发后，光生载流子从而形成许多表面缺陷态。微粒受光激发后，光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态，以极快的速度受限于表面缺陷态，产生表面态发光产生表面态发光。3 3、纳米晶体材料中所存在的庞大的比表面、有序度、纳米晶体材料中所存在的庞大的比表面、有序度很低的界面很可能为过渡族杂质偏聚提供了有利的位置，很低的界面很可能为过渡族杂质偏聚提供了有利的位置，这就导致纳米材料能隙中形成杂质能级、这

32、就导致纳米材料能隙中形成杂质能级、产生杂质发光产生杂质发光。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目杂质杂质能能级级：某些某些过过渡族元素（渡族元素（Fe3+、Cr3+、V3+、Mn3+、Mo3+、Ni3+、Er3+等）在无序系等）在无序系统统会会引起一些引起一些发发光。光。一般来一般来说说，杂质发杂质发光光带带位于位于较较低低的能量位置，的能量位置，发发光光带带比比较较宽宽。纳纳米晶体材料中米晶体材料中庞庞大大而而有序度很低有序度很低的界面的界面为过为过渡族渡族杂质杂质偏聚偏聚提供有利的位置提供有利的位置纳纳米材料

33、能隙中米材料能隙中形成形成杂质杂质能能级级杂质发杂质发光光导导致致产产生生P D Fc re a te dw ithF ip d a l v e r s i o n认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 因此，半导体纳米微粒受光激发后产生电子因此，半导体纳米微粒受光激发后产生电子因此，半导体纳米微粒受光激发后产生电子因此，半导体纳米微粒受光激发后产生电子-空空空空穴对，电子与空穴复合发光的途径有三种情况：穴对，电子与空穴复合发光的途径有三种情况：穴对，电子与空穴复合发光的途径有三种情况：穴对，电子与空穴复合发光的途

34、径有三种情况：(1)(1)(1)(1)电子和空穴直接复合，电子和空穴直接复合，电子和空穴直接复合，电子和空穴直接复合，产生激子态发光。产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用，发射波长随着微粒尺寸由于量子尺寸效应的作用，发射波长随着微粒尺寸的减小向高能方向移动的减小向高能方向移动(蓝移蓝移)。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 (2)(2)(2)(2)通过表面缺陷态间接复合发光。通过表面缺陷态间接复合发光。通过表面缺陷态间接复合发光。通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米微粒的表面存在着许多悬挂键、吸附类在纳米微粒的

35、表面存在着许多悬挂键、吸附类等。从而形成许多表面缺陷态。微粒受光激发后，等。从而形成许多表面缺陷态。微粒受光激发后，光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态，产生光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态，产生表面态发光。表面态发光。微粒表面越完好，表面对载流子的陷微粒表面越完好，表面对载流子的陷获能力越弱，表面态发光就越弱。获能力越弱，表面态发光就越弱。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 (3)(3)(3)(3)通过杂质能级复合发光通过杂质能级复合发光通过杂质能级复合发光通过杂质能级复合发光上述三种情况相互竞争。如

36、果微粒表面存在着许多上述三种情况相互竞争。如果微粒表面存在着许多缺陷，对电子、空穴的俘获能力很强，一经产生就缺陷，对电子、空穴的俘获能力很强，一经产生就被其俘获，它们直接复合的几率很小，则激子态发被其俘获，它们直接复合的几率很小，则激子态发光很弱，甚至可能观察不到，而只有表面缺陷态发光很弱，甚至可能观察不到，而只有表面缺陷态发光。要想有效地产生激子态发光，就要设法制备光。要想有效地产生激子态发光，就要设法制备表表面完好的纳米微粒面完好的纳米微粒，或通过表面修饰来减少其，或通过表面修饰来减少其表面表面缺陷缺陷，使电子和空穴能够有效地直接辐射复合。，使电子和空穴能够有效地直接辐射复合。认识到了贫困

37、户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目电子与空穴复合发光的三种途径示意图：电子与空穴复合发光的三种途径示意图：电子与空穴复合发光的三种途径示意图：电子与空穴复合发光的三种途径示意图：直接复直接复合发射合发射表面缺陷态表面缺陷态间接发射间接发射杂质能级复杂质能级复合发光合发光认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 纳米发光材料举例纳米发光材料举例有些原来不发光的材料，当其粒子小到纳米尺寸后有些原来不发光的材料，当其粒子小到纳米尺寸后出现发光现象。出现

38、发光现象。尽管发光强度不高，却为设计新的发光体系和发展尽管发光强度不高，却为设计新的发光体系和发展新型发光材料提供了一条新途径，特别是纳米复合新型发光材料提供了一条新途径，特别是纳米复合材料更显优势。材料更显优势。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目硅硅纳纳米材料的米材料的发发光光硅是具有良好半硅是具有良好半导导体特性的材料，是微体特性的材料，是微电电子子领领域域的核心材料之一。的核心材料之一。但是硅材料不是好的发光材料。有什么办法能让硅材料发光呢？有什么办法能让硅材料发光呢？认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开

39、始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目1990年，日本佳能公司的年，日本佳能公司的Tabagi首次在首次在室温室温观观察察到硅到硅颗颗粒（粒（6nm）在）在800nm波波长长附近有附近有强强的的发发光光带带。随着粒径减小到随着粒径减小到4nm，发发光光强强度增大，短波度增大，短波侧侧已已延伸到可延伸到可见见光范光范围围。因此，硅因此，硅纳纳米材料可能成米材料可能成为为有重要有重要应应用前景的光用前景的光电电子材料。子材料。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目不同颗粒纳米

40、不同颗粒纳米Si Si室温下的发光（粒径室温下的发光（粒径d d1 1dd2 2dd3 3)可以看出，随粒径减小，发射带强度增强并移向短波方向。当粒径大于可以看出，随粒径减小，发射带强度增强并移向短波方向。当粒径大于6nm6nm时，这种光发射现象消失。时，这种光发射现象消失。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目考虑一下：块体硅为什么不发光？认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 Tabagi Tabagi认为，硅纳米微粒的发光是载流子

41、的认为，硅纳米微粒的发光是载流子的量子限域效应引起的。量子限域效应引起的。BruslBrusl认为，大块硅不发认为，大块硅不发光是它的结构存在平移对称性，由平移对称性光是它的结构存在平移对称性，由平移对称性产生的产生的选择定则选择定则使得大尺寸硅不可能发光，当使得大尺寸硅不可能发光，当硅粒径小到某一程度硅粒径小到某一程度(6nm)(6nm)，平移对称性消失，平移对称性消失，因此出现发光现象。类似的现象在许多纳米微因此出现发光现象。类似的现象在许多纳米微粒中均被观察到，这使得纳米微粒的光学性质粒中均被观察到，这使得纳米微粒的光学性质成为纳米科学研究的热点之一。成为纳米科学研究的热点之一。认识到了

42、贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目银纳银纳米微粒的米微粒的发发光光2000年，北京大学年，北京大学报报道了道了埋藏于埋藏于BaO介介质质中中的的Ag纳纳米微粒在可米微粒在可见见光波段光波段光致光致荧荧光增光增强强现现象。象。作作为为比比较较，Ag薄膜和薄膜和Ag-BaO薄膜中的薄膜中的Ag含量含量相同相同，两种薄膜中的，两种薄膜中的Ag微粒平均直径都是微粒平均直径都是20nm，在室温下采用紫外光激，在室温下采用紫外光激发发。48认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，

43、已经展开了“精准扶贫”项目埋于埋于BaO介介质质中中Ag纳纳米微粒的光致米微粒的光致荧荧光增光增强强纯纯Ag纳纳米薄膜的光致米薄膜的光致发发光：光：1.75eV，红红光光波段波段3.0eV，蓝蓝紫光紫光波段波段Ag-BaO薄膜的薄膜的发发光：光：红红光波段增光波段增强强9倍；倍；蓝蓝紫光波段增紫光波段增强强19倍。倍。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目因此当当Ag纳纳米微粒受到米微粒受到BaO介介质围绕质围绕后，更有利于后，更有利于对对光光子的吸收并子的吸收并转换为荧转换为荧光光发发射。射。为什么呢？为什么呢？

44、认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目TiO2纳纳米材料的米材料的发发光光TiO2是一种重要的半是一种重要的半导导体材料，便宜、安全、无体材料，便宜、安全、无环环境境污污染且染且稳稳定，能隙定，能隙为为3.2eV。常常规规TiO2单单晶的晶的发发光光对对温度温度极极为为敏感。敏感。在在4.8K时时，在紫外到可，在紫外到可见见光范光范围围，TiO2存在两个存在两个峰：峰：412nm处处很很锐锐的的发发光峰、光峰、450600nm很很宽宽的的发发光光带带。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近

45、年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目升到升到12K412nm处处的的发发光峰立刻消失光峰立刻消失当温度上当温度上可可见见光范光范围围的的发发光光强强度迅速下度迅速下降降为为4.8K时时的的35室温下，从未室温下，从未观观察到察到发发光光现现象。象。常常规规TiO2多晶薄膜，多晶薄膜，在在77K，也有一个很，也有一个很宽宽的的荧荧光光带带（约约520nm处处），但在），但在室温室温下下发发光光现现象消失。象消失。52认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目纳纳米米TiO2的的发发光与常光与常规规TiO

46、2粗晶和粗晶和单单晶不同晶不同经硬脂酸包敷的纳米经硬脂酸包敷的纳米TiO2TiO2粒子在粒子在室温室温可光致发光，发光带可光致发光，发光带的峰值在的峰值在540nm540nm。但是，。但是，由纳米由纳米TiO2TiO2粒子形成的纳米固体粒子形成的纳米固体在在室温下不发光室温下不发光。硬脂酸包覆的硬脂酸包覆的TiOTiO2 2超微粒子的超微粒子的1 1吸收光谱，吸收光谱，2 2激发光谱，激发光谱，3 3光致发光谱光致发光谱认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目掺杂掺杂引起的引起的荧荧光光（简简略）略）近年来，通近年来

47、，通过过不同粒子注人不同粒子注人获获得得纳纳米材料的研米材料的研究成果也引起人究成果也引起人们们的重的重视视。如：如：将将Zn作作为为添加添加剂扩剂扩散到散到InP、GaAs、InGaAs/InGaAsP和和GaN中引起格子失中引起格子失调调，带带来一系列的光学性来一系列的光学性质变质变化。化。54认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目 纳纳米材料的非米材料的非线线性光学效性光学效应应 光在物质中传播的过程就是光与物质相互作用的过程光与物光与物质质相互作用的机理相互作用的机理当光照射物当光照射物质时质时，光波，光波

48、电电磁磁场场将将对对物物质质中的中的电电子子产产生作用。生作用。在外在外电场电场的作用下，介的作用下，介质质原子成原子成为电为电偶极子，偶极子，产产生生电电偶极矩。偶极矩。55认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目电电偶极子将随光波的偶极子将随光波的电电磁磁场场的的变变化化产产生振生振荡荡。形成形成发发出出电电极化极化强强度度极化极化场场电电偶极矩偶极矩叠加起来叠加起来次次级辐级辐射射认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目线线性光学：性

49、光学：物物质对质对光光场场的响的响应应与光的与光的场场强强成成线线性关系，即性关系，即电电偶偶极矩极矩 P 与外界与外界电电磁磁场场 E 成成线线性关系。性关系。当几种不同当几种不同频频率的光波同率的光波同时时与与该该物物质质相互作用相互作用时时，各，各种种频频率的光都率的光都线线性独立地性独立地反射、折射和散射，反射、折射和散射，不会不会发发生新的生新的频频率率。即：光的独立性原理和叠加原理都成立。即：光的独立性原理和叠加原理都成立。57认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目非非线线性光学：性光学：外界作用的光外

50、界作用的光场较场较强强，电电偶极子的振偶极子的振荡荡不不再具有位移与外再具有位移与外电场电场成成线线性的关系，性的关系，产产生生的的电电磁振磁振荡荡是非是非线线性的。性的。认识到了贫困户贫困的根本原因，才能开始对症下药，然后药到病除。近年来国家对扶贫工作高度重视，已经展开了“精准扶贫”项目在在纳纳米晶体中，由于能米晶体中，由于能带结带结构的构的变变化，化，载载流子的流子的迁移、迁移、跃跃迁和复合迁和复合过过程均呈程均呈现现与常与常规规材料不同的材料不同的规规律，因而具有不同的非律，因而具有不同的非线线性光学效性光学效应应。纳纳米材料非米材料非线线性光学效性光学效应应可分可分为为：共振非共振非线