五、无机材料的光学性能

1、化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能1第五章第五章 无机材料的光学性能无机材料的光学性能 目的和要求：初步掌握固体对光的反射和吸收，目的和要求：初步掌握固体对光的反射和吸收，晶体在光作用下的发光、光导电、光生电动势等晶体在光作用下的发光、光导电、光生电动势等现象。初步了解光材料颜色的关系。了解晶现象。初步了解光材料颜色的关系。了解晶体缺陷对光吸收的影响。掌握半导体材料的光学体缺陷对光吸收的影响。掌握半导体材料的光学性能及应用。初步了解荧光、激光现象。性能及应用。初步了解荧光、激光现象。教学难点、重点：半导体材料的光学性能。教学难点、重点：半导体材料的光学性能。第一

2、节第一节 固体的光吸收固体的光吸收第二节第二节 半导体材料的光学性质半导体材料的光学性质第三节第三节 晶体的发光晶体的发光化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能2 引言：光的基本特性引言：光的基本特性 光传播的基本性质光传播的基本性质 光的波粒二象性光的波粒二象性 光的频率、波长和辐射能都是由光子源光的频率、波长和辐射能都是由光子源决定的决定的. 光的干涉和衍射光的干涉和衍射 光的波动性主要表现在它有干涉、衍射光的波动性主要表现在它有干涉、衍射及偏振等特性。及偏振等特性。 第一节第一节 固体的光吸收固体的光吸收化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料

3、结构与性能3一、一、 电磁辐射及其与原子的相互作用电磁辐射及其与原子的相互作用 Interactions of electromagnetic radiation and atoms1、光和物质的相互作用光和物质的相互作用取决于物质取决于物质电磁性质电磁性质的的 基本参数。电导率、介电常数和磁导率基本参数。电导率、介电常数和磁导率r r介质的介电常数；介质的介电常数；r r介质的磁导率；介质的磁导率；c c电磁波在真空中的速电磁波在真空中的速度度c=3c=310108 8m/sm/s；0 0真空介电常数；真空介电常数；0 0真空磁导率真空磁导率2、相互作用是由、相互作用是由电子跃迁和极化效应电

4、子跃迁和极化效应实现的实现的electron transitions and electronic polarizationvcn 化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能43、光子能量光子能量 energy E of a photon Ehch6.62610-34J.s 最小的能量单元最小的能量单元“光子光子”，电，电磁场是由许多光子组成。磁场是由许多光子组成。化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能5化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能6原子的光吸收与发射原子的光吸收与发射化学化工学院化学化工学院化学化工学院

5、化学化工学院无机材料结构与性能7固体材料的光学性质，取决于固体材料的光学性质，取决于电磁波与电磁波与材料表面、近表面材料表面、近表面以及材料内部的以及材料内部的电子、原子、缺陷电子、原子、缺陷之间的相互作用之间的相互作用自由原子的能级自由原子的能级化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能8光和固体的相互作用光和固体的相互作用光从一种介质进入另一种介质时：光从一种介质进入另一种介质时： 透射（透射（transmissiontransmission）、吸收（）、吸收（absorptionabsorption）、反射）、反射（reflectionreflection）、散射

6、（）、散射（scatteringscattering） 根据能量守恒：根据能量守恒： 或或光与固体相互作用的本质有两种方式光与固体相互作用的本质有两种方式 电子极化电子极化 电子能态转变电子能态转变从微观上分析从微观上分析 ，其实就是光子与固体材料中的原子、离，其实就是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用子、电子之间的相互作用SRAT01SRAT化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能9固体的光吸收固体的光吸收化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能10二、吸收、反射和透射的关系二、吸收、反射和透射的关系化学化工学院化学化工学院化

7、学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能11 1、光的吸收、光的吸收( photon absorption)（1）光吸收的一般规律）光吸收的一般规律朗伯特定律朗伯特定律(Lambert) II0exAbsorbed intensity空气空气: 10-5cm-1玻璃玻璃: 10-2cm-1金属金属: 则达几万到则达几万到 几十万几十万 -吸收系数吸收系数Absorption coefficient化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能12 （2）光吸收与光波长光吸收与光波长 radiation absorption and wave length在可见光区：在可见光

8、区：金属和半导体金属和半导体的吸收系数很大不透明；的吸收系数很大不透明； 电介质电介质材料吸收系数小透明。材料吸收系数小透明。在紫外吸收端：在紫外吸收端：禁带宽度禁带宽度大的材料，紫外吸收端的波长较小大的材料，紫外吸收端的波长较小 在红外区：在红外区：离子离子的弹性振动与光子辐射发生的弹性振动与光子辐射发生谐振谐振消耗能量所致消耗能量所致 选择吸收选择吸收均匀吸收均匀吸收 = hc/Eg化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能132 2、反射定律和折射定律、反射定律和折射定律折射定律折射定律 折射线位于入射面内，并和折射线位于入射面内，并和入射线分别处在法线的两侧入射

9、线分别处在法线的两侧对单色光：对单色光：sinsin1 1/sin/sin2 2=n=n2121，第二介质相对第一介质的相第二介质相对第一介质的相对折射率对折射率第一介质是真空时：第一介质是真空时：sinsin1 1/sin/sin2 2=n=n2 2（第二介质（第二介质的绝对折射率，折射率）的绝对折射率，折射率）因为因为n n2121=n=n2 2/n/n1 1： 故：故：n n1 1sinsin1 1=n=n2 2sinsin2 2介质的折射率永远大于介质的折射率永远大于1 1反射定律反射定律 反射线和入射线位于同反射线和入射线位于同一平面（入射面）内，一平面（入射面）内，并分别处在法线的

10、两侧并分别处在法线的两侧 反射角等于入射角反射角等于入射角化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能14光的反射光的反射(reflection)不同折射率的界面不同折射率的界面上。上。镜镜反射、反射、漫漫反射反射吸收吸收-发射发射折射折射(refraction index)n21=sini/sinr mnnWW2212111 m :反射系数反射系数 R:反射率反射率（1-m）：）：透射系数透射系数 化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能15光的全反射光的全反射 全反射：当光从光密介质射向光疏介质，且入射全反射：当光从光密介质射向光疏介质，且入

11、射角大于临界角时，光线被角大于临界角时，光线被100%100%反射的现象。此时反射的现象。此时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。质中。 临界角：临界角： 光纤导光原理：全反射光纤导光原理：全反射12sinnnc化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能165 5 75m75m掺杂了的掺杂了的SiOSiO2 2 总直径为总直径为100 100 200m,200m,折射率稍小于纤折射率稍小于纤芯的掺杂了的芯的掺杂了的SiOSiO2 2硅铜或丙烯酸盐，硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光隔离杂光尼龙或有机材料，尼龙或有机材料，增加强

12、度，保护光纤增加强度，保护光纤光纤结构示意图光纤结构示意图化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能17 折射指数折射指数 Refraction Index 折射来源于光线通过透明材料时，由于介质的电子极化使得折射来源于光线通过透明材料时，由于介质的电子极化使得光速降低，光线在界面弯曲的现象。光速降低，光线在界面弯曲的现象。 折射指数的大小与介质的性质（原子或离子的尺寸、介折射指数的大小与介质的性质（原子或离子的尺寸、介电常数、磁导率等）和波长相关电常数、磁导率等）和波长相关化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能18各种材料在室温对可见光的各

13、种材料在室温对可见光的折射率折射率物质物质n（折射率）（折射率）空气空气Al2O3 CaF2Cl2（气体）（气体）Cl2（液体）（液体）金刚石金刚石H2O（水）（水）H2O（冰）（冰）聚四氟乙烯聚四氟乙烯醋酸纤维素醋酸纤维素聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯聚丙烯酚醛树脂酚醛树脂环氧树脂环氧树脂低密度聚乙烯低密度聚乙烯聚碳酸酯聚碳酸酯1.0002771.63-1.681.431.0007681.3852.4171.331.301.351.48-1.501.491.491.50-1.701.5-1.61.511.59玻璃（重燧石）玻璃（重燧石）玻璃（锌牌）玻璃（锌牌）KClKFNaCl石英石

14、英熔融石英熔融石英SrO聚丙烯腈聚丙烯腈天然橡胶天然橡胶聚酰胺聚酰胺高密度聚乙烯高密度聚乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯氯丁橡胶氯丁橡胶聚苯乙烯聚苯乙烯1.651.521.491.361.541.541.471.871.511.521.53-1.551.541.54-1.561.551.59物质物质n（折射率）（折射率）化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能19双折射双折射 birefringence /Double refraction 双折射现象，双折射现象，光学光学现象的一种，可以用光的横波性质来现象的一种，可以用光的横波性质来解释。当光照射到解释。当光照射到各向异性晶体

15、各向异性晶体（单轴晶体，如（单轴晶体，如方解石方解石、石英石英、红宝石红宝石等）时，发生两个不同方向的折射；其中等）时，发生两个不同方向的折射；其中一个遵守一个遵守折射定律折射定律的称为的称为o光（光（ordinary ray、寻常、寻常光），另一束不遵从折射定律的称为光），另一束不遵从折射定律的称为e光光（extraordinary ray、非常光），这两束光都是、非常光），这两束光都是偏振光偏振光。光线从一个特殊的角度射入晶体是不会发生双折射现象，光线从一个特殊的角度射入晶体是不会发生双折射现象，这一角度称为晶体的光轴。这一角度称为晶体的光轴。 应该注意，应该注意，光轴仅标志一定的方向，并

16、不限于某一特殊光轴仅标志一定的方向，并不限于某一特殊的直线的直线。化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能20 光线进入光学各向异性媒质光线进入光学各向异性媒质( (如方解石如方解石) )后产生两条折射后产生两条折射光线的现象，称为光线的现象，称为。天然的方解石晶体天然的方解石晶体是双折射晶体是双折射晶体A AB B化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能21象象折射现折射现o光光方解石晶体方解石晶体CaCO3双双e光光纸面纸面折射现折射现化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能22只有一个光轴的晶体，称为单轴晶体只

17、有一个光轴的晶体，称为单轴晶体，如方解石、石英、红，如方解石、石英、红宝石等。宝石等。有两个光轴的晶体称为双轴晶体有两个光轴的晶体称为双轴晶体，如云母、硫磺、，如云母、硫磺、蓝宝石等。蓝宝石等。氯化钠属于立方晶系的晶体，各向同性，不产生折射氯化钠属于立方晶系的晶体，各向同性，不产生折射 。在在光轴光轴方向上，方向上，o o光和光和e e光的传播速度相同。光的传播速度相同。沿光轴方向入射的光束，通过晶体不分为两束光，仍沿沿光轴方向入射的光束，通过晶体不分为两束光，仍沿入射方向行进。它是一个特征方向。入射方向行进。它是一个特征方向。化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能

18、23 3、光的透射光的透射(transmission) 透射率：透射率：T（1R）2el 透射率透射率T(transmissivity)、反射率、反射率R(reflectivity)、吸收率吸收率A(absorptivity) 三者之和为三者之和为1. A+T+R=1II0exR=(n-1)2/(n+1)2化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能24The variation with wavelength of the fractions of incident light transmitted, absorbed, and reflected through a

19、 green glass. 化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能254 4、光散射现象、光散射现象1 1）当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看）当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射光的散射2 2）例如，当一束太阳光从窗外射进室内时，我们从）例如，当一束太阳光从窗外射进室内时，我们从侧面可以看到光线

20、的径迹，就是因为太阳光被空侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故气中的灰尘散射的缘故化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能264.1 4.1 光散射分类光散射分类根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射为弹性散射与非弹性散射 弹性散射：弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射只改变方向的散射 非弹性散射：非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主要当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是波长

21、（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光中还当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱得多。这些频光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱得多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为非弹性散射果，称为非弹性散射.化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工

22、学院无机材料结构与性能274.2 4.2 光的弹性散射光的弹性散射一、弹性散射分类一、弹性散射分类弹性散射结果弹性散射结果光子被弹射到不同的方向（方向改变）光子被弹射到不同的方向（方向改变）光子的能量没有变化光子的能量没有变化散射光强度和波长及散射中心尺度的关系散射光强度和波长及散射中心尺度的关系参量参量与散射中心尺度与散射中心尺度a a0 0有关，可分三种情况有关，可分三种情况 sI化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能28Tyndall Scattering）化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能29当a0与相近时，04即散射中心的尺

23、度与光波波长可以比拟时， 在04之间,具体取值与散射中心有关米氏散射性质比较复杂化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能303. 瑞利散射瑞利散射(Rayleigh 当当a0时，时，=4 ，即当散射中心，即当散射中心的线度远小于入射光的波长时，的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的散射强度与波长的4次方成反比次方成反比 通常我们把线度小于光的波长的通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利微粒对入射光的散射，称为瑞利散射散射 瑞利散射不改变原入射光的频率瑞利散射不改变原入射光的频率 瑞利散射强度与波长的关系瑞利散射强度与波长的关系4sI化学化工学院

24、化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能31二、非弹性散射分类二、非弹性散射分类*1. 拉曼散射拉曼散射 （Raman）1 1）是分子或点阵振动的光学）是分子或点阵振动的光学声子（即光学模）对光波声子（即光学模）对光波的散射的散射2 2）在光谱图上距离瑞利线较）在光谱图上距离瑞利线较远，它们与瑞利线的频差远，它们与瑞利线的频差可因散射介质能级结构不可因散射介质能级结构不同而在同而在10100 0 10104 4之间变化之间变化散射光谱示意图散射光谱示意图化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能322. 布里渊散射布里渊散射 （Brillouin scat

25、tering） 是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射，即点阵振动的声学声子（即声学模）弹性散射，即点阵振动的声学声子（即声学模）与光波之间的能量交换结果与光波之间的能量交换结果 由于声学声子的能量低于光学声子，所以布里渊由于声学声子的能量低于光学声子，所以布里渊散射的频移比拉曼散射小，在光谱图上它们紧靠散射的频移比拉曼散射小，在光谱图上它们紧靠在瑞利线旁，只能用高分辨的双单色仪等光谱仪在瑞利线旁，只能用高分辨的双单色仪等光谱仪才能分辨出来才能分辨出来化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能33三、各类无机材料的基

26、本光学性质三、各类无机材料的基本光学性质 1。金属的光吸收与发射。金属的光吸收与发射 2。无机非金属材料的光学性质。无机非金属材料的光学性质 a.非金属固体的光吸收与发射非金属固体的光吸收与发射 b.离子晶体的吸收光谱离子晶体的吸收光谱 c.掺杂的固体的光吸收与发射掺杂的固体的光吸收与发射化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能34FIGURE (a) Schematic representation of the mechanism of photon absorption for metallic materials in which an electron is

27、 excited into a high erenergy unoccupied state. The change in energy of the electron E is equal to the energy of the photon. (b) Reemission of a photon of light by the direct transition of an electron from a high to a low energy state.1 金属的光吸收与发射金属的光吸收与发射化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能35Optical Pr

28、operties of MetalsSome possible electronic transitions in a half-filled band of a metal化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能36化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能37 （1）各种）各种入射辐射被吸收入射辐射被吸收 金属导带中已填充的能级上方有许多空的电子金属导带中已填充的能级上方有许多空的电子能态能态频率分布范围很宽的各种入射辐射都可频率分布范围很宽的各种入射辐射都可以激发电子到能量较高的未填充态从而被吸收；以激发电子到能量较高的未填充态从而被吸收

29、；（2）金属的反射，是由）金属的反射，是由吸收再反射吸收再反射综合造成的综合造成的 反射率具有频率依赖性反射率具有频率依赖性 对于红外辐射则透明对于红外辐射则透明金属金属材料的光学性质材料的光学性质化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能38 金属材料的不透明性和高反射率表明。金属材料的不透明性和高反射率表明。值和值和R值很值很大。这是由于金属导带中己填充的能级的上方紧接大。这是由于金属导带中己填充的能级的上方紧接着就有许多空着的电子能态。换句话说，频率分布着就有许多空着的电子能态。换句话说，频率分布范围很宽的各种入射光都可以激发电子到能量较高范围很宽的各种入射光都可

30、以激发电子到能量较高的未填充态从而被吸收。结果是光线射进金属材的未填充态从而被吸收。结果是光线射进金属材料表面不深就可被完全吸收只有非常薄的金属膜料表面不深就可被完全吸收只有非常薄的金属膜(0.1m)才显得有些透明。才显得有些透明。 电子一旦被激发后，又会衰减到较低的能级，从而电子一旦被激发后，又会衰减到较低的能级，从而在金属表面发生光线的再发射。金属的反射就是吸在金属表面发生光线的再发射。金属的反射就是吸收和再发射综合造成的。反射过程的效率与入射线收和再发射综合造成的。反射过程的效率与入射线的频率有关。金属在白色光线下所显示的颜色，就的频率有关。金属在白色光线下所显示的颜色，就是来源于反射率

31、的频率依赖性。是来源于反射率的频率依赖性。化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能39 金属银在整个可见光范围的反射牢都很高，结果其颜色金属银在整个可见光范围的反射牢都很高，结果其颜色是以白色为特征，并具有明亮的光泽。银白色表明再发射是以白色为特征，并具有明亮的光泽。银白色表明再发射光子在频率分布范围上与入射光子大致相同，并且在数目光子在频率分布范围上与入射光子大致相同，并且在数目上可以与入射光子相比。此外，金属实际上是吸收和发射上可以与入射光子相比。此外，金属实际上是吸收和发射连续的频率，这不同于原子的吸收和发射分立的频率，因连续的频率，这不同于原子的吸收和发射分立

32、的频率，因为金属导带中的能级几乎是连续变化的。当然由于被激为金属导带中的能级几乎是连续变化的。当然由于被激发的电子在金属中受到碰撞而产生声子，并由于电子极化，发的电子在金属中受到碰撞而产生声子，并由于电子极化，光线强度会损失一些。其他各种金属如铜、金、铁、镍、光线强度会损失一些。其他各种金属如铜、金、铁、镍、钨等钨等)对光的吸收和反射情况均有差别，因而显示的颜色也对光的吸收和反射情况均有差别，因而显示的颜色也不同。大多数金属对红外光都有很高的反射率，而许多非不同。大多数金属对红外光都有很高的反射率，而许多非金属材料对于红外辐射则表现为透明。金属材料对于红外辐射则表现为透明。化学化工学院化学化工

33、学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能402 无机非金属材料的光学性质无机非金属材料的光学性质（1）对红外线有一定程度的吸收离子振动）对红外线有一定程度的吸收离子振动（2）吸收可见辐射，且不透明（半导体）吸收可见辐射，且不透明（半导体Eg3eV）（3）绝缘体倾向于对可见辐射透明）绝缘体倾向于对可见辐射透明 Eg大大（4）漫透射）漫透射由多次内反射造成由多次内反射造成（5）加工过程中留下孔洞而不透明）加工过程中留下孔洞而不透明 1% 陶瓷陶瓷氯化钠薄氯化钠薄膜对红外膜对红外辐射的吸辐射的吸收收化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能41离子晶体在可见光范围内的吸

34、收是由于晶体中的杂质缺陷或离子晶体在可见光范围内的吸收是由于晶体中的杂质缺陷或本征缺陷所产生的。本征缺陷所产生的。a.非金属固体的光吸收与发射非金属固体的光吸收与发射化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能42b.离子晶体的吸收光谱离子晶体的吸收光谱化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能43Figure (a) Photon absorption via a valence band-conduction band electron excitation for a material that has an impurity level t

35、hat lies within the band gap. (b) Emission of two photons involving electron decay first into an impurity state, and finally into the ground state. (c) Generation of both a phonon and a photon as an excited electron falls first into an impurity level and finally back to its ground state.c.掺杂的固体的光吸收与

36、发射掺杂的固体的光吸收与发射化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能44化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能45化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能46Band Gap Energy and Color.Bandgap energy (eV)Color thatcorresponds toband gap energyApparent colorof material(unabsorbed light)4321redyellowgreenbluevioletcolorlessblackyelloworange

37、ultravioletinfraredred化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能47在在Al2O3中，由中，由Ti3替换少量替换少量Al3，则是蓝宝石呈现浅蓝，则是蓝宝石呈现浅蓝色的原因；而由色的原因；而由Cr3替换少量替换少量Al3，则产生作为红宝石，则产生作为红宝石特征的红色。特征的红色。化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能48化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能493、碱金属卤化物晶体的色中心碱金属卤化物晶体的色中心（色心）（色心） 当氯化钠在钠蒸气中加热再冷却后，就会带上黄色。这种当氯化钠在钠蒸气

38、中加热再冷却后，就会带上黄色。这种现象是由于现象是由于Na原子沉积在原子沉积在NaCl表面并迅速电离而吸引表面并迅速电离而吸引Cl-，结果在表面产生阴离子空位并向晶体内部扩散。这样就得结果在表面产生阴离子空位并向晶体内部扩散。这样就得到偏离化学计量的氯化钠到偏离化学计量的氯化钠(具有过多的具有过多的Na离子，并具有过离子，并具有过多的阴离子空位多的阴离子空位)。这样的氯化钠仍然保持着电中性，因。这样的氯化钠仍然保持着电中性，因为为Na原子电离时所释放的电子还保留在晶体内。阴离子原子电离时所释放的电子还保留在晶体内。阴离子空位附近的电荷分布使其成为俘获过剩电子的有利位置，空位附近的电荷分布使其成

39、为俘获过剩电子的有利位置，它可以俘获一个过剩电子。被俘获的电子独自具有一组可它可以俘获一个过剩电子。被俘获的电子独自具有一组可能的能级，其基态与激发态之间的能量差相应于可见光区能的能级，其基态与激发态之间的能量差相应于可见光区域中蓝绿光线这部分的频率。所以普通白光中的域中蓝绿光线这部分的频率。所以普通白光中的蓝绿蓝绿部分部分被大量吸收从而使富含被大量吸收从而使富含Na离子的氯化钠带黄色。离子的氯化钠带黄色。化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能50 阴离子空位和束缚电子，被称为阴离子空位和束缚电子，被称为“F心心”（Farbe，德文意思为，德文意思为“颜色颜色”）。

40、）。 若将氯化钠置于氯气中加热时，所产生的若将氯化钠置于氯气中加热时，所产生的情况则与上述相反，这时得到的是情况则与上述相反，这时得到的是阳离子阳离子空位这类缺陷称为空位这类缺陷称为“V心心”，这类阳离子，这类阳离子空位缺陷也会使氯化钠带色。空位缺陷也会使氯化钠带色。化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能51各种碱金属氯化物的各种碱金属氯化物的F色心的吸收色心的吸收化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能52 F色中心的吸收表现为晶体的特征，并不表现所色中心的吸收表现为晶体的特征，并不表现所用碱金属蒸气的特征，其证明是；用碱金属蒸气的特征，

41、其证明是；KCl晶体不论晶体不论是在钾蒸气中还是在钠蒸气中加热，经过处理后是在钾蒸气中还是在钠蒸气中加热，经过处理后的晶体的吸收谱带的波长几乎完全相同。的晶体的吸收谱带的波长几乎完全相同。 化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能53 （1）产生色心的机理）产生色心的机理 F心VX +eVeV.VAKCl(s)V.AV.AKCl(s)气)A(ClClClKClKClK化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能54V心VM +h VVVXAgCl(s)VXXVAgCl(s) 气)(1/2XAgAgCl2hAgClAgClAg化学化工学院化学化工学

42、院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能55化合物化合物氟化物氟化物 氯化物氯化物溴化物溴化物 max颜色颜色 max颜色颜色 max颜色颜色Li224/388黄绿黄绿459橙色橙色Na344/459橙色橙色539紫红紫红K459橙色橙色563紫色紫色620蓝绿蓝绿Rb620蓝绿蓝绿689蓝绿蓝绿（2）AX色心的光谱数据色心的光谱数据化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能56（3）色心的类型（缺陷的缔合）色心的类型（缺陷的缔合）色心名称色心名称 形成形成符号符号 中心中心阴离子空位阴离子空位VX F中心中心阴离子空位缔合电子阴离子空位缔合电子VX +eF中心中心

43、F中心中心缔合电子缔合电子VX +2eV1中心中心阳离子空位缔合空穴阳离子空位缔合空穴VM +h V2中心中心相邻的两个阳离子空位缔合两相邻的两个阳离子空位缔合两个空穴个空穴2VM +2h FA中心中心杂质阳离子杂质阳离子A缔合阴离子空位缔合阴离子空位VX +AB 化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能57 离子晶体中形成的色中心，都是由存在于晶体中的某些离子晶体中形成的色中心，都是由存在于晶体中的某些缺陷或缺陷的缔合所构成的。当入射光与这些色中心发缺陷或缺陷的缔合所构成的。当入射光与这些色中心发生作用时，可能产生光的吸收和发射。生作用时，可能产生光的吸收和发射。各

44、种色中心各种色中心的示意图的示意图化学化工学院化学化工学院化学化工学院化学化工学院无机材料结构与性能58 各种色中心在一定条件下也可以互相转化。各种色中心在一定条件下也可以互相转化。 例如，用相当于例如，用相当于F色中心吸收波长的光照射晶体，晶体色中心吸收波长的光照射晶体，晶体显示光电导，但当降低温度时，显示光电导，但当降低温度时，F带吸收变弱，而可以带吸收变弱，而可以观察到观察到F色中心和色中心和色中心的吸收。这是由于原来束缚色中心的吸收。这是由于原来束缚在在F色中心的电子通过导带，被别的色中心的电子通过导带，被别的F色中心所捕获，色中心所捕获，形成了形成了F色中心，而原来的色中心，而原来的F色中心变成了一个无电子色中心变成了一个无电子的负离子空位的负离子空位(即即a色中心色中心)这样，消失了两个这样，消失了两个F色中心，色中心，生成了一个生成了一个F色中心和一个色中心和一个a色中心，色中心，aFF升温低温，光照2化学化工学