（光学专业论文）卤化银感光材料光电子行为测量.pdf

a b s t r a c t t h e d e t e c t i n ga p p a r a t u so f t h ep h o t o na c t i n go nt h es i l v e rh a l i d ed i e l e c t r i cm a t e r i a l i ss e tu pi nt h i s p a p e ro nt h eb a s i so fd i e l e c t r i cs p e c t r u md e t e c t i n gt h e o r e m t h e t e c h n i c a lc r i t e r i o n sa n dt h ea p p l i e dc o n d i t i o n sa r ed e t e r m i n e d t h eb e h a v i o r s o fm e p h o t o e l e c t r o no f v a r i o u sf i l mm a t e r i a l sa n do nt h ec o n d i t i o n o f d i f f e r e n tl a s e re n e r g y a l eo b t a i n e dw i t ht h i s a p p a r a t u s t h et i m ep r o p e r t i e so ft h eb e h a v i o r so ft h e p h o t o e l e c t r o no fd i f f e r e n ts i l v e rh a l i d em a t e r i a l sa r cs t u d i e d t h er e l a t i o n sb e t 、张e n t h es a t u r a t i o nf i g u r eo ft h ep h o t o e l e c t r o ne x c i t a t i o na n d t h ep r o p e r t yf i g u r eo ft h e m a t e r i a l r e s p o n d i n g t ot h e e x p o s u r e a r ed i s c u s s e d t h er e l a t i o n s b c t w nt h e g e n e r a t i o no f t h ep h o t o e l e c t r o na n dt h el a s e re n e r g ya r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h el a w s o ft h eq u a n t u m e f f i c i e n c yo f t h ee x p o s u r ea r eo b t a i n e d t h ee f f e c t so f t h el i f e t i m eo f t h ep h o t o e l e c t r o no nt h em a c r op a r a m e t e r so fs o m es i l v e r h a l i d ea r cd i s e u s s e d a c c o r d i n g t ot h e d e c a yv e l o c i t y , w ed i v i d e t h e d e c a yp r o c e s s o ft h ef r e e p h o t o e l e c t r o na n dd i s c u s st h ee f f e c t so ft h el o s sf a c t o r so nt h e d e c a yo ft h e p h o t o e l e c t r o n w eg i v et h ed e c a yk i n e t i c sp r o c e s so ff r e ep h o t o e l e c t r o ni nt h ee n d k e yw o r d s s i l v e rh a l i d em a t e r i a l ，b e h a v i o r so f t h e p h o t o e l e c t r o n ， d i e l e c t r i cs p e c t r u mm e a s u r e m e n t 叁j 鲢 第一章绪论 卤化银感光材料是一种光信息材料，具有快速记录和长久保存光信息的功 能。它无须经过光电转换过程即可实现光信息的记录与存储，对现代信息科学 与技术的发展具有非常重要的推动作用。卤化银感光材料不仅广泛应用于生物、 医学、军事、化工、航空、海洋等领域，而且能够丰富人们的物质和文化生活 促进人类文明的进步，具有很高的经济效益和社会效益。所以对卤化银感光材 料的研究，是感光科学的重要研究课题，也是各国竞争的焦点之一。 对于卤化银感光材料的研究始于1 7 7 7 年，由瑞典科学家$ c h a l z e 首先发现 了氯化银具有感光特性”。1 8 2 9 年法国人d a g u e r r e 发现碘化银也能感光【2 。随 后，人们开始将卤化银应用到照相领域并由英国的f o xt a l b o t 在1 8 3 9 年根据 卤化银的感光特性发明了照相术”1 。自此以后对卤化银感光材料的研究取得 巨大的进步，尤其是检测技术的发展，大大推动了对卤化银感光材料的研究。 人们采用x 射线衍射技术来研究乳剂层中卤化银颗粒的形状与尺寸【3 】：采用光 谱技术来研究卤化银和增感剂的光谱吸收特性【3 ，4 】；采用微波光电导技术来研究 载流子的特性以及感光与成像过程的规制5 ，”。这些研究工作，对提高卤化银 感光材料的性能起到了非常重要的作用。 在研究过程中，人们逐渐认识到光电子在整个感光过程中所起的重要作用 意识到光电子的产生是影像形成的基础，光电子的行为是决定卤化银感光材料 性能的非常重要的因素，并且对此做了定的研究。1 9 7 4 年英国e 瞰m a n k o d a k 公司的研究人员研究了立方体a g b r 乳剂颗粒中硫增感剂、硫加金增感剂 i 珏i l 和某些光谱增感剂对光电子寿命的影响”3 。1 9 8 9 年日本f u j i 胶片公司的研究人 员对立方体a g b r 乳剂颗粒中电子陷阱与光电子的关系进行了研究。1 9 9 4 年德 国的t h m u s s i g 教授对不同颗粒结构和相界中的光电子的衰减过程进行了测量 l o l 。1 9 9 9 年巴黎第1 1 大学的研究人员在乳剂制备过程中加入甲酸银h c 0 2 a g ， 由于h c 0 2 - 离子能有效地消除空穴，可以防止摆脱了束缚的电子重新与卤化物 晶粒结合，而且c 0 2 一离子具有输运一个光电子到银离子从而形成银原子的功 能，从而使感光度提高了大约1 0 倍1 。也有关于电子陷阱对光电子寿命影响的 系统的研究报道“”。但是受测量技术和手段的限制，以往的这些研究工作仅限 于从材料成份与影像结果无法得到光电子行为的规律。 近年来发展起来的微波吸收技术，能够较全面地测量光电子行为及其对感 光成像过程的影响，是感光科学研究的有力工具“”。微波吸收技术是一种介电 谱检测技术，其突出优点在于：具有高时间分辨的检测能力，使时间分辨力达 到1 5 纳秒。能精确地测量载流子的时间特性，反映感光过程的细微变化；根 据相敏检测原理，将吸收信号与色散信号分离并同时检测，从而可以全面反映 光电子的行为规律。由于利用微波吸收技术对卤化银感光材料的光电子行为和 微观感光机理进行研究，目前在国际上处于起步阶段，相关课题尚有待于深入 研究。 本工作首先通过脉冲激光作用于感光胶片，在卤化银材料中诱发大量光电 子实现可控快速曝光条件模拟。在光作用同时，根据介电谱检测原理，以微 波微波吸收技术为基础，利用微弱信号的相敏检测技术，针对感光材料为薄膜 物质的特点，建立了薄膜材料光作用介电谱测量装置其性能指标达到了卤化 银感光过程的检测要求。在这套装置上，我们获得了卤化银薄膜光作用过程材 一1 一 料介电数据的变化信号，即光生载流子的行为情况。通过测量卤化银感光材料 光作用过程的时间分辨谱，分析了不同卤化银感光材料中光电子的时间特性。 在不同激光脉冲的输出能量条件下，得到了光电子的激发与激光脉冲能量之间 的关系，并初步分析了激光能量对光电子产生的影响。 这套测量装置能够直接应用于感光工业生产，实现对产品性能的快速实时 检测，为优化卤化银感光材料生产工艺提供相应的参考数据，对产品的质量检 测和控制有一定的使用价值。这套测量装置的应用，将会推动光电子行为的研 究促进卤化银感光材料的产品开发，对感光科学与技术的发展具有非常重要 的意义。 一3 一 一。一一 l i 撼。： 第二章光电子与影像形成 感光材料包括常规感光材料( 即卤化银感光材料) 和非银盐感光材料两类。 非银盐感光材料的感光度很低。目前广泛应用的感光材料主要是卤化银感光材 料，它由片基和卤化银乳剂所构成。卤化银乳剂由明胶和悬浮在明胶中的卤化 银颗粒组成。虽然卤化银都具有感光性，但是a g f 非常容易溶于水。不能用来 作为感光材料，a g c l 、a g b r 和a g i 就成为卤化银感光材料的主要成分。氯化银 主要用于相纸，溴碘化银主要用于高感光度的胶片，碘化银则主要用于复制。 2 1 光电子与电子陷阱 光电子对卤化银感光材料的影像形成有非常重要的作用。光电子的产生是 影像形成的前提和基础。光电子的传输促使银原子的生成和生长，这是潜影形 成的基础。自由光电子的衰减过程则描述了卤化银感光材料记录光信息的全过 程。电子路阱对感光过程也具有重要的作用。绝太多数的潜影都是在电子陷阱 的位置上形成。电子陷阱的深度及密度分布，不但控制光电子的衰减过程影 响光电子的行为，而且是联系增感剂、碘含量、晶粒尺寸、晶粒形状、温度等 宏观因素与微观过程的纽带。 2 1 1 光电子的产生 1 、光子吸收 卤化银晶体要离解卤素分子和银原子并产生光电子，就只能吸收短波范围 的光予。光吸收过程非常快。光吸收过程还受卤素组份、光谱增感、颗粒的大 瓠辍i 第二章光电子与影像形成 感光材料包括常规感光材料( 即卤化银感光材料) 和非银盐感光材料两类。 非银盐感光材料的感光度很低。目前广泛应用的感光材料主要是卤化银感光材 料，它由片基和卤化银乳剂所构成。卤化银乳剂由明胶和悬浮在明胶中的卤化 银颗粒组成。虽然卤化银都具有感光性，但是a g f 非常容易溶于水。不能用来 作为感光材料，a g c l 、a g b r 和a g i 就成为卤化银感光材料的主要成分。氯化银 主要用于相纸，溴碘化银主要用于高感光度的胶片，碘化银则主要用于复制。 2 1 光电子与电子陷阱 光电子对卤化银感光材料的影像形成有非常重要的作用。光电子的产生是 影像形成的前提和基础。光电子的传输促使银原子的生成和生长，这是潜影形 成的基础。自由光电子的衰减过程则描述了卤化银感光材料记录光信息的全过 程。电子路阱对感光过程也具有重要的作用。绝太多数的潜影都是在电子陷阱 的位置上形成。电子陷阱的深度及密度分布，不但控制光电子的衰减过程影 响光电子的行为，而且是联系增感剂、碘含量、晶粒尺寸、晶粒形状、温度等 宏观因素与微观过程的纽带。 2 1 1 光电子的产生 1 、光子吸收 卤化银晶体要离解卤素分子和银原子并产生光电子，就只能吸收短波范围 的光予。光吸收过程非常快。光吸收过程还受卤素组份、光谱增感、颗粒的大 瓠辍i 小、颗粒的形状、温度等因素的影响。 卤素组份决定了卤化银晶体的最强吸收波长和光谱敏感的长波极限，如表 二一l 所示：“： 表二一1卤化银晶体的最强吸收波长和光谱敏感的长波极限 卤化银晶体的固有的光谱敏感范围只限于紫外或蓝光波段。卤化银晶体的组分 不同对蓝光的敏感程度也不同。对蓝光敏感的顺序由小到大依次是“1 ：a g c l a 西( a g b r 。在进行了光谱增感以后，卤化银晶体的光谱敏感范围可以扩 展到整个可见光波段。对于a g x 颗粒，由于打破一个a g - x 键所需的最小能 量约为i e v ，所以光谱增感的长波极限约为1 2 0 0 r i m 。 卤化银颗粒对光子具有散射作用。散射作用会降低光子吸收效率，但是， 散射作用能延长光子在乳剂涂层中的传播路径，使分布在乳剂层中的卤化银颗 粒也能发生光吸收反应，有利于乳剂对光子的均匀吸收。颗粒尺寸在约0 3 0 微 米时对光子的散射作用最强，更大和更小的颗粒，其散射作用均减小。 根据不同的乳剂制各工艺，卤化银颗粒可以具有球形、立方体、六面体、 八面体、扁平形( t 颗粒) 等多种形状“。不同的颗粒形状对光吸收作用的影 响不同。其中，t 颗粒具有较高形态比( 平均形态比1 2 ：l ，最佳形态比2 0 ：1 ) ：、 较高银覆盖能力以及较低的光散射特性，因而具备较高的光子吸收效率。 卤化银晶体对光子的吸收作用还受温度的影响。卤化银晶体对光子的吸收 u 作用满足u r b a c h 规则“”，即吸收系数d 与e - k t 成正比，式中厅u 为光子能量k 为波尔兹曼常数，r 为温度。温度越高，卤化银晶体的最强吸收波长越靠近长 波段。 2 、光电子的产生 由固体能带理论可知，在卤化银晶体中，卤离子中的电子处于价带。卤化 银晶体的能级图如图二一l 所示“。 图二一1卤化银晶体能级图 卤化银晶体吸收一个光子后，把a g b r 键( 或a g i 键) 打破，卤离子 就释放出一个电子，即该电子被从价带激发到导带而成为自由光电子同时在 价带中留下一个光空穴。光空穴的形成过程是：处于价带中的卤离子失去一个 电子后成为中性卤原子。周围晶格银离子的过剩不平衡电荷在卤原子的位置弓 入一个正电荷，该卤原子就成为带j 下电荷的光空穴。光空穴通过与相邻卤离子 交换电子而可以移动，成为自由光空穴。因此，卤化银晶体每吸收一个光子 就在导带生成一个自由光电子在价带生成一个光空穴。自由光电子和自由光 6 一 空穴在卤化银晶体中作随机运动，它们的迁移率分别是m 1 ：自由光电子为 5 0 e m 2 v 。s 自由光空穴为| 7 c m 2 v 。s 。卤化银晶体每吸收一个光子就生成一 个自由光电子和一个自由光空穴。该反应过程 可表示如下“： g z 4 - h o 呻e 。4 - h ” ( 2 1 1 ) 式中e 。为自由光电子，h 。为自由空穴。 2 1 2 电子陷阱对光电子的束缚作用 1 、电子陷阱 电子陷阱的概念：在卤化银晶粒的能带中，由于各种原因使得晶粒中的导 带弯曲或者不连续，从而在导带中形成一个个的势阱。导带中自由运动的光 电子移动到此处，落入势阱，其运动形式与能量状态被势阱所束缚，在晶体能 带理论中，这些势阱便被称为电子陷阱。 电子陷阱的实质：在卤化银晶粒的晶体结构中某些晶格点或者晶体具有 结构缺陷，如扭结、位错等，这种缺陷通常带有j f0 5 e v 的电荷。“，因而能够束 缚自由光电子，成为电子陷阱。在化学增感过程中形成的增感中心即是一种非 常有效的电子陷阱。 电子陷阱按其对自由光电子束缚程度的不同，可划分为三种：非常浅的、 浅的和深的。非常浅的电子陷阱的深度小于o 0 0 3 e v ，浅电子陷阱的深度为 0 0 0 3 e v _ - 0 0 1 5 e v ，深电子陷阱的深度大于o 1 5 e v m l 。 2 、电子陷阱对光电子的束缚作用 自由光电子在其运动过程中遇到电子陷阱，就被电子陷阱所束缚。不同深 7 一 空穴在卤化银晶体中作随机运动，它们的迁移率分别是m 1 ：自由光电子为 5 0 e m 2 v 。s 自由光空穴为| 7 c m 2 v 。s 。卤化银晶体每吸收一个光子就生成一 个自由光电子和一个自由光空穴。该反应过程 可表示如下“： g z 4 - h o 呻e 。4 - h ” ( 2 1 1 ) 式中e 。为自由光电子，h 。为自由空穴。 2 1 2 电子陷阱对光电子的束缚作用 1 、电子陷阱 电子陷阱的概念：在卤化银晶粒的能带中，由于各种原因使得晶粒中的导 带弯曲或者不连续，从而在导带中形成一个个的势阱。导带中自由运动的光 电子移动到此处，落入势阱，其运动形式与能量状态被势阱所束缚，在晶体能 带理论中，这些势阱便被称为电子陷阱。 电子陷阱的实质：在卤化银晶粒的晶体结构中某些晶格点或者晶体具有 结构缺陷，如扭结、位错等，这种缺陷通常带有j f0 5 e v 的电荷。“，因而能够束 缚自由光电子，成为电子陷阱。在化学增感过程中形成的增感中心即是一种非 常有效的电子陷阱。 电子陷阱按其对自由光电子束缚程度的不同，可划分为三种：非常浅的、 浅的和深的。非常浅的电子陷阱的深度小于o 0 0 3 e v ，浅电子陷阱的深度为 0 0 0 3 e v _ - 0 0 1 5 e v ，深电子陷阱的深度大于o 1 5 e v m l 。 2 、电子陷阱对光电子的束缚作用 自由光电子在其运动过程中遇到电子陷阱，就被电子陷阱所束缚。不同深 7 一 问北大学理学硕士学位论文 度的电子陷阱对光电子的束缚作用不同。 非常浅的电子陷阱对自由光电子的束缚过程是一步完成的。并且不消耗自 由光电子的能量恤1 。光电子处于热振动状态其所具有的能量可以很容易从非 常浅的电子陷阱中逃逸出来，逃逸时间非常快。 浅电子陷阱对自由光电子的束缚过程同样是一步完成的，该过程中自由光电 子辐射一个或两个频率极低的光子“。h a i l s t o n e “。认为该过程消耗自由光电子 的能量为o 到o 0 5 e v 。光电子有可能从浅电子陷阱中逃逸出来。 深电子陷阱对自由光电子的束缚过程是分两步来完成的【“：第一步为浅束 缚过程，自由光电子被束缚在电子陷阱的浅势阱区域。该步过程只消耗自由光 电子极少的能量。第二步是深束缚过程，即处于浅势阱中的光电子跃迁到势阱 底部。在第二步过程中，光电子的过剩的能量需要被消耗掉，能量的消耗方式 有以下三种：单光子辐射、a u g e r 过程和多光子辐射哪! 。光电子逃出深电子陷 阱的几率非常小。 2 2 光电子与影像形成 影像形成过程的核心是潜影的生成。卤化银颗粒吸收光子而形成银原子 银原子再生长成潜影( 即银簇) ，含有潜影的卤化银感光材料经过显影和定影后 就成为负片并形成影像。显影的目的是将含有潜影的卤化银颗粒还原成影像银 显影的作用是将感光材料记录的光信息进行放大。显影后进行定影是将没有 显影的卤化银颗粒从感光材料上溶解下来。 8 一 问北大学理学硕士学位论文 度的电子陷阱对光电子的束缚作用不同。 非常浅的电子陷阱对自由光电子的束缚过程是一步完成的。并且不消耗自 由光电子的能量恤1 。光电子处于热振动状态其所具有的能量可以很容易从非 常浅的电子陷阱中逃逸出来，逃逸时间非常快。 浅电子陷阱对自由光电子的束缚过程同样是一步完成的，该过程中自由光电 子辐射一个或两个频率极低的光子“。h a i l s t o n e “。认为该过程消耗自由光电子 的能量为o 到o 0 5 e v 。光电子有可能从浅电子陷阱中逃逸出来。 深电子陷阱对自由光电子的束缚过程是分两步来完成的【“：第一步为浅束 缚过程，自由光电子被束缚在电子陷阱的浅势阱区域。该步过程只消耗自由光 电子极少的能量。第二步是深束缚过程，即处于浅势阱中的光电子跃迁到势阱 底部。在第二步过程中，光电子的过剩的能量需要被消耗掉，能量的消耗方式 有以下三种：单光子辐射、a u g e r 过程和多光子辐射哪! 。光电子逃出深电子陷 阱的几率非常小。 2 2 光电子与影像形成 影像形成过程的核心是潜影的生成。卤化银颗粒吸收光子而形成银原子 银原子再生长成潜影( 即银簇) ，含有潜影的卤化银感光材料经过显影和定影后 就成为负片并形成影像。显影的目的是将含有潜影的卤化银颗粒还原成影像银 显影的作用是将感光材料记录的光信息进行放大。显影后进行定影是将没有 显影的卤化银颗粒从感光材料上溶解下来。 8 一 2 2 1 g u r n e ya n dm o t t 理论 人们利用现有的测量方法和技术手段。无法直接观测从曝光到形成潜影的 全过程。g u m e ya n d m o r t 以固体物理理论为基础，于1 9 3 8 年提出了核形成和生 长模型哪! 。该模型经过不断的改进，并被大量实验所证实和补充，逐渐形成了 描述潜影形成过程的g u m e y a n d m o r t 理论。该理论已被人们所广泛接受。 该理论认为，卤化银晶体吸收光子并生成自由光电子和自由光空穴( 即光 生载流子) 。自由光电子被电子陷阱束缚而成为束缚态光电子，束缚态光电子与 填隙银离子结合成银原子，银原子再生长成潜影。g u m e y a n dm o r t 理论的主要 反应关系式是： 光吸收过程：a g x + b y _ e 一+ h 。 ( 2 2 - 1 ) 束缚过程：p 。+ r 斗e 一 ( 2 2 - 2 ) h 。+ 瓦一h + 复合过程：e 一十h + 寸x e 一+ h ”_ x 成核过程： e 一+ a g ；以 g + 彳g ? + p 一_ + a 9 2 生长过程： 如2 + 如? + 8 一- + 彳9 3 一9 3 + g ? + 口一 一9 4 ( 2 - 2 - 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 - 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 - 2 1 9 ) 式中e 。为自由光电子，h + 为自由空穴，e 一为束缚态光电子，h + 为束缚态空穴， 丁为电子陷阱，瓦为空穴陷阱，a g ；为填隙银离子。光吸收过程又称为光分解 过程或电子过程，光吸收以后的过程统称为离子过程。g u m e y a n dm o r t 理论反 应过程流程图“”如图二2 所示： 图二2 g u r n e ya n dm o t t 理论反应过程流程图 2 2 2 增癌作用及其对感光度的影响 l 、感光度 曝光量：定义为i t ，其中i 为照度，t 为曝光时间，曝光量的单位是勒克 斯秒。 密度：是指感光材料经过曝光显影后，单位面积上银粒的沉积量。 感光度t 就是材料的感光速度，是指感光材料对光化学作用所起反 应的能力，它表示感光材料在一定条件下，经过曝光、显影后能变黑到一定程 度时所需要的曝光量。感光度可通过乳剂特性曲线计算出来。通常利用产生一 定密度所需要的曝光量的倒数来计算感光度，感光度是一个相对数值“： 应过程流程图“”如图二2 所示： 图二2 g u r n e ya n dm o t t 理论反应过程流程图 2 2 2 增癌作用及其对感光度的影响 l 、感光度 曝光量：定义为i t ，其中i 为照度，t 为曝光时间，曝光量的单位是勒克 斯秒。 密度：是指感光材料经过曝光显影后，单位面积上银粒的沉积量。 感光度t 就是材料的感光速度，是指感光材料对光化学作用所起反 应的能力，它表示感光材料在一定条件下，经过曝光、显影后能变黑到一定程 度时所需要的曝光量。感光度可通过乳剂特性曲线计算出来。通常利用产生一 定密度所需要的曝光量的倒数来计算感光度，感光度是一个相对数值“： 感光度= 常数蘸瓦1 菖 感光度是反映卤化银材料感光性能的一个最重要的因素。在其它条件都不变的 情况下，感光度越高，需要的曝光时间就越短。 感光度包括乳剂颗粒的固有感光度和由颗粒表面的光谱增感染料形成的光 谱感光度两种含义。固有感光度与颗粒体积成正比。在给定的曝光条件下，颗 粒越大，每个颗粒上的入射光子数就越多，能够生成较多的光电子，形成潜影 的可能性就越大，感光度就越高。光谱感光度与颗粒表面积成正比，它取决于 吸附在颗粒上的光谱染料层的光吸收作用。感光度还受颗粒形状、电子陷阱等 多种因素的影响。对于给定的乳剂颗粒光电子寿命是影响感光度的重要因素。 2 、增寤作用及其对感光度的影响 光谱增癌t 卤化银晶体的固有感光范围仅限于蓝光和紫外加入光谱增感剂 后可以将卤化银的感光范围扩展到整个可见光波段。光谱增感作用能使卤化银 晶体在其非固有感光区的感光度提高。光谱增感染料吸附于卤化银晶体表面 其增感机理是：受光激发的染料分子，可以发生能量的共振传递将卤化银的 电子激发到导带增加了导带中的自由光电子数，促进潜影的形成( 也有电子 传递学说解释光谱增感机理啡1 ) 。 化学增感：化学增感剂能提高卤化银晶体在其固有感光区的感光度。化学增 感剂通过对载流子行为产生作用来影响感光度。化学增感剂主要包括硫增感剂、 金增感剂、还原增感剂。各自的作用如下： 硫增感作用：硫增感中心是空穴陷阱，能有效抑制自由光电子与空穴的 复合，提高光电子寿命”1 ，促使潜影形成，使感光度显著提高。 还原增感作用：还原增感中心a g ：不但可以抑制自由光电子与空穴复合过 程的发生，有效地促使潜影形成过程的进行，而且能使自由光电子数目增加w ， 这些促使卤化银颗粒感光度提高。 金增感作用：金增感时生成金硫化银混合物，使显影所需的银原子数从 4 个减少到2 3 个，生成潜影所需的光电子数减少，提高了光电子的使用效 率。这促使卤化银颗粒的感光度提高。 ! 蛙l 第三章介电检测原理 实验中采用微波吸收介电谱技术来测量卤化银材料光作用过程的光电子行 为。材料对激励信号的响应以及电磁场对材料介电性能变化的响应统称为介电 谱。在宽广频率范围内，测量非金属材料介电参数的各种方法与技术称为介电 谱技术。介电谱技术以介电材料与电磁场的相互作用关系为基础，介电材料 放置于电磁场中，材料介电性能的变化引起电磁场性质的改变，通过测量电磁 场的响应信号，得到材料介电性质的数据，研究材料的特性。 卤化银感光材料是一种涂在片基上的介电薄膜。光子的激发作用便卤化银 感光材料生成自由光电子，光电子的出现使材料的介电函数发生改变介电函 数的变化反映光电子行为的信息。当感光材料被放置于微波谐振腔中，材料介 电函数的改变使微波场的性质发生变化，通过测量电磁场的响应( 介电谱) 就 可以实现对卤化银感光材料中光电子行为的实时无接触测量。 3 1光电子对材料介电性质的影响 在脉冲激光的诱导作用下，卤化银乳剂样品吸收激光光子并产生自由光电 子和自由光空穴( 即光生载流子) 。其中，第n 个光生载流子的运动可以用如下 微分方程来描述： j + ! 量。+ 品x 。：! 雷 ( 3 1 1 ) f m 月 式中x 。、m 。、q 。分别是第n 个载流子的位移、有效质量和电荷甜“是载流子 的谐振频率，r 是迟豫时间，豆是外电场强度。经计算得到微分方程的解为 j 蠹致 第三章介电检测原理 实验中采用微波吸收介电谱技术来测量卤化银材料光作用过程的光电子行 为。材料对激励信号的响应以及电磁场对材料介电性能变化的响应统称为介电 谱。在宽广频率范围内，测量非金属材料介电参数的各种方法与技术称为介电 谱技术。介电谱技术以介电材料与电磁场的相互作用关系为基础，介电材料 放置于电磁场中，材料介电性能的变化引起电磁场性质的改变，通过测量电磁 场的响应信号，得到材料介电性质的数据，研究材料的特性。 卤化银感光材料是一种涂在片基上的介电薄膜。光子的激发作用便卤化银 感光材料生成自由光电子，光电子的出现使材料的介电函数发生改变介电函 数的变化反映光电子行为的信息。当感光材料被放置于微波谐振腔中，材料介 电函数的改变使微波场的性质发生变化，通过测量电磁场的响应( 介电谱) 就 可以实现对卤化银感光材料中光电子行为的实时无接触测量。 3 1光电子对材料介电性质的影响 在脉冲激光的诱导作用下，卤化银乳剂样品吸收激光光子并产生自由光电 子和自由光空穴( 即光生载流子) 。其中，第n 个光生载流子的运动可以用如下 微分方程来描述： j + ! 量。+ 品x 。：! 雷 ( 3 1 1 ) f m 月 式中x 。、m 。、q 。分别是第n 个载流子的位移、有效质量和电荷甜“是载流子 的谐振频率，r 是迟豫时间，豆是外电场强度。经计算得到微分方程的解为 j 蠹致 ；国孟一珊2 一塑 x 。= 譬玉一 ( 3 1 2 ) 研一( 。一珊2 ) 2 + ( 竺) 式中，珊为外场的谐振频率。第n 个载流子的位移产生了电偶极矩鼠， 多。= g 。置- 材料中所有这些电偶极矩的集合在宏观上就形成了电极化强度矢量 卢，其表达式为1 ： 觅玑量。 卢：j 一：j 一 y矿 ( 3 。1 3 ) 式中矿为样品体积，吼为载流子的电荷，矗为载流子的位移。电极化强度宏 观表示形式与材料豹介电函数有关 户= ( s 一岛) 屋 ( 3 1 4 ) 从而使卤化银乳剂样品载流子的产生使其介电性质发生改变，乳剂样品介电性 质的表达式具有复介电函数。复介电函数的定义是“”： 占= 彘一盯= 云( o o s 占一i s i n s ) = 若一据 ( 3 1 5 ) 式中首是复介电函数的模，占是损耗角，占。是复介电函数的实部。占是复介电 函数的虚部。由式( 3 1 2 ) 、( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 可知 脚训豆：攀鲜! 竺! 墨 ， 肚沪啪肚分2 古；等i 万意。 6 经计算可得复介电函数在微波场中的表达式为“： 州= 羔筹蔫 ， m 屯簖一由2 ) 2 + ( 竺) 2 式中，力是载流子的浓度，g 是载流子的电荷，m 是载流子的有效质量，气是 材料的介电常数，c o 。是载流子的谐振频率，c o 是微波场的谐振频率，r 是迟豫 时间。 光空穴的随机扩散运动非常慢，光空穴的迁移率约为自由光电子的1 5 0 。 光空穴的质量又远远大于光电子的质量，所以光空穴对材料介电函数的影响非 常小，可以忽略不计，对材料介电函数的影响主要来自光电子。卤化银材料中 存在大量的电子陷阱，落入深电子陷阱的光电子无法逃出势阱，对材料的介电 函数的影响非常弱。落入浅电子陷阱的光电子由于热振动，能很快地从浅电 子陷阱中逃逸出来而成为自由光电子。我们主要考虑自由光电子和浅束缚电子 对材料介电函数的影响。 自由光电子的谐振频率可以通过m i c r o w a v em a g n e t o p l a s m ar e s o n a n c e m o d e l 估算出来。在该模型中，一个椭球状的介电材料样品放置于微波腔中的 等电场区，材料中载流子的运动产生极化强度。受电场、磁场以及自身极化强 度的影响，载流子成为在磁场中做受迫运动的衰减的谐振子。如果不考虑外场 的激励作用和谐振子的衰减，系统就成为一个自由振荡的等离子体。由等离子 体的振荡频率可计算出自由光电子的谐振频率： c 0 0 2 ( 3 1 8 ) 类似于自由光电子，浅束缚电子的谐振频率可以从l o r c n t z i a no s c i l l a t o rm o d e l 计算出来3 ： ：2 ( 4 7 r e 。c 。l ) ：e ( 3 1 9 ) m 口 _ _ _ _ 一_ _ - - l 。_ 。- 。- 。一一一一 ：i ， 3 2 介电谱的检测 介电谱的检测原理是：卤化银乳剂样品放置于微波谐振腔中，样品被脉冲 激光激发所产生的光电子使材料的介电函数发生改变，引起材料对微波场的吸 收和微波场谐振频率的偏移，以及谐振腔品质因数的改变。这些变化使微波场 的状态发生改变。从谐振腔输出的反射波是微波场对材料介电函数变化的响应 信号，即为介电谱。介电谱反映材料介电函数的变化，包含光电子行为的信息。 通过对介电谱的检测，就可以对光电子的行为进行研究。 介电函数虚部的变化导致卤化银感光材料对谐振腔中微波场的吸收自由 光电子在迁移运动中要消耗微波场的能量，所以自由光电子对介电函数虚部的 变化有贡献。如果自由光电子的浓度是飞自则，。c 飞由。微波场被吸收的微 波功率为o ”： 肿= a v e 2 盯= a v 啦2 飞自 ( 3 2 1 ) 式中e 是微波场强，a v 是样品体积，仃是光电导率，口是迁移率e 是电子的 电荷。 介电函数实部的变化使微波谐振腔的谐振频率脚发生偏移。由于谐振腔的 品质因数删 d ：旦：j l ，( 3 2 2 ) 噬2 啦 式中，耳为带宽。从而谐振频率的偏移导致微波谐振腔的品质因数q 发生改变。 浅束缚电子在势阱中的热振动频率非常快，在室温下为1 0 。2 h z 的量级“”，浅束 缚电子所激发的电磁场与谐振腔中的微波场发生耦合，微波谐振腔的谐振频率 珊发生偏移。所以，浅束缚电子对材料介电函数的实部变化有贡献。如果材料 中浅束缚电子的浓度为”拽柬鳟，则刀拽束缚。 卤化银感光材料介电函数的实部和虚部的变化使微波谐振腔中微波的性质 发生了变化微波谐振腔的微波等效电路如图三一l 所示m ，： 图三一1 微波等效电路围 谐振腔输出的反射波为u ，u 与入射波u 的关系式是洲： 睢u 鬟 ( 3 2 - 3 ) 胄+ z 式中r 。是谐振腔的阻抗，z 是微波传输线( 矩形波导) 的阻抗。谐振腔的阻抗 为： 皿= r + f ( 珊一瓦1 ) c ，2 4 ， ( 3 2 4 ) 式中r 是谐振腔的谐振电阻，c 是电容， c = c 扛) ( 3 2 5 ) 式中， 占是样品的复介电函数。l 是电感。谐振腔的谐振频率， l 珊= ：= 一 c 谐振腔的品质因数可表示为 ( 3 2 6 ) q 0 = 去 ( 3 2 7 ) 微波传输线的阻抗是“”： z ：、! 丝( 3 2 。8 ) 损乏 2 ( 3 2 5 ) 式中的a 是微波的谐振波长，d 是矩形波导的宽。在匹配工作条件下 r = z( 3 2 9 ) 将( 3 2 4 ) 一( 3 2 9 ) 式带入( 3 2 3 ) 式，并将入射波在和口按泰勒级 数展开，忽略高阶项，可以得到反射波的展开式”1 ： 睢蟛胪u m o “f 蚴 ；一 ( 3 1 2 1 0 ) 式中卢是谐振频率的偏差，卢= 要掣，c o = 3 5 4 ( 3 h z ，6 0 是偏移后的谐振频率。 占和，分别是介电函数的实都和虚部。，是填充因子( 其值为o 0 1 _ 0 i ) ，表示 卤化银乳剂样品中存贮的能量与谐振腔中存贮的能量的比值啪1 ： f占e 2 d v - = 7 竺堂- ( 3 2 i i ) 。l 帅( 6 0 e 2 啪h 2 ) a v 4 展开式中第二项是吸收信号，由s 。决定，与自由光电子的浓度飞由成线性关系： 一圭印繇，o c 飞自，吸收曲线就反应出自由光电子从生成到衰减的全过程a 第四 项是色散信号，由占决定，与弱束缚光电子的浓度以拽柬算成线性关系： 一u q o 一* 玎栳束肆第一项和第三项是频率偏差带来的影响与系统的信噪比 有关。通过检测吸收信号与色散信号，就可以研究光电子的行为规律及其对感 光过程的影响。 第四章实验 4 1 实验装置 实验装置如图四1 所示。 图四一l 实验装置图 微波源发出的微波经过隔离器并被功率分配器分成两路。其中一路经过移 相器后作为参考信号等幅输入平衡混频器。平衡混频器由两个混频器、两个隔 离器和一个移相器所构成。隔离器的作用是防止输入到混频器的两路参考信号 相互干扰。通过调节两个移相器，使输入混频器的两路参考信号相位差9 0 度。 另一路作为探铡信号，经过衰减器和环行器，并通过能量耦合装置进入微波谐 一1 9 - 一 ：e 铽 第四章实验 4 1 实验装置 实验装置如图四1 所示。 图四一l 实验装置图 微波源发出的微波经过隔离器并被功率分配器分成两路。其中一路经过移 相器后作为参考信号等幅输入平衡混频器。平衡混频器由两个混频器、两个隔 离器和一个移相器所构成。隔离器的作用是防止输入到混频器的两路参考信号 相互干扰。通过调节两个移相器，使输入混频器的两路参考信号相位差9 0 度。 另一路作为探铡信号，经过衰减器和环行器，并通过能量耦合装置进入微波谐 一1 9 - 一 ：e 铽 振腔。谐振腔中的样品在脉冲激光作用时产生光电子，光电子的出现引起材料 介电函数的变化。使微波腔中的谐振状态发生改变，谐振腔的反射波输出后经 过环行器和功率分配器等幅同相输入平衡混频器，平衡混频器将探测与参考 信号混频后可获得介质对微波影响的吸收信号和色散信号，最后由示波器读出 并记录下输出信号。 4 2 仪器设鲁 4 2 1 仪器设备 激光光源：x e c l 准分子激光器( l a m b d ap h y s i k ) ，c o m p e x 2 0 5 ，波长3 0 8 n m 。 数字荧光示波器( t e k 订o n i x ) ：t d s 3 0 5 2 ，带宽5 0 0 m h z 。微波吸收装置：工作 频率3 5 4 g h z ，扫频范围5 0 0 m h z ，中国科技大学科波公司生产。 相关微波器件的作用与功能介绍如下m 。咖： 隔离器( 1 s o h t o r ) 具有单向导通功能。正向传输时，信号无衰减地通过 反向传输时，微波功率全被吸收。 衰减器( a t t e n n u a t o r ) ：其作用是使通过它的微波产生一定量的衰减。 移相器( p h a s e s h i f t e r ) ：其作用使是通过它的微波产生一定量的相位移动。 匹配负载( t e r m i n a t o r ) ：是一种接在传输系统终端的微波元件，它能无反 射地吸收入射波的全部功率，在传输系统中建立起行波状态。 2 0 振腔。谐振腔中的样品在脉冲激光作用时产生光电子，光电子的出现引起材料 介电函数的变化。使微波腔中的谐振状态发生改变，谐振腔的反射波输出后经 过环行器和功率分配器等幅同相输入平衡混频器，平衡混频器将探测与参考 信号混频后可获得介质对微波影响的吸收信号和色散信号，最后由示波器读出 并记录下输出信号。 4 2 仪器设鲁 4 2 1 仪器设备 激光光源：x e c l 准分子激光器( l a m b d ap h y s i k ) ，c o m p e x 2 0 5 ，波长3 0 8 n m 。 数字荧光示波器( t e k 订o n i x ) ：t d s 3 0 5 2 ，带宽5 0 0 m h z 。微波吸收装置：工作 频率3 5 4 g h z ，扫频范围5 0 0 m h z ，中国科技大学科波公司生产。 相关微波器件的作用与功能介绍如下m 。咖： 隔离器( 1 s o h t o r ) 具有单向导通功能。正向传输时，信号无衰减地通过 反向传输时，微波功率全被吸收。 衰减器( a t t e n n u a t o r ) ：其作用是使通过它的微波产生一定量的衰减。 移相器( p h a s e s h i f t e r ) ：其作用使是通过它的微波产生一定量的相位移动。 匹配负载( t e r m i n a t o r ) ：是一种接在传输系统终端的微波元件，它能无反 射地吸收入射波的全部功率，在传输系统中建立起行波状态。 2 0 振腔。谐振腔中的样品在脉冲激光作用时产生光电子，光电子的出现引起材料 介电函数的变化。使微波腔中的谐振状态发生改变，谐振腔的反射波输出后经 过环行器和功率分配器等幅同相输入平衡混频器，平衡混频器将探测与参考 信号混频后可获得介质对微波影响的吸收信号和色散信号，最后由示波器读出 并记录下输出信号。 4 2 仪器设鲁 4 2 1 仪器设备 激光光源：x e c l 准分子激光器( l a m b d ap h y s i k ) ，c o m p e x 2 0 5 ，波长3 0 8 n m 。 数字荧光示波器( t e k 订o n i x ) ：t d s 3 0 5 2 ，带宽5 0 0 m h z 。微波吸收装置：工作 频率3 5 4 g h z ，扫频范围5 0 0 m h z ，中国科技大学科波公司生产。 相关微波器件的作用与功能介绍如下m 。咖： 隔离器( 1 s o h t o r ) 具有单向导通功能。正向传输时，信号无衰减地通过 反向传输时，微波功率全被吸收。 衰减器( a t t e n n u a t o r ) ：其作用是使通过它的微波产生一定量的衰减。 移相器( p h a s e s h i f t e r ) ：其作用使是通过它的微波产生一定量的相位移动。 匹配负载( t e r m i n a t o r ) ：是一种接在传输系统终端的微波元件，它能无反 射地吸收入射波的全部功率，在传输系统中建立起行波状态。 2 0 魔t ( 或称为波导匹配双t ) ( m a g i c t ) z ，是e t 和h t 的组合。微波从l 端口输入，由2 、3 端口同相等幅输出；微波从4 端口输入，由2 、3 端口反相 等幅输出；由2 、3 端口同相等幅输入；微波从l 端口输出；由2 、3 端口反相 等幅输入，微波从4 端口输出。图形如图四2 所示。 图四_ 2 魔t 环行器( c i r c u l a t o r ) ：微波能量只能沿一个方向顺序传输，反向传输时， 微波能量被强烈吸收。微波从1 端口输入由2 端口输出；从2 端口输入由3 端 口输出；从3 端口输入由4 端口输出：从4 端口输入由1 端口输出。图形如图 四1 所示。 图四3 环行器 徽波谐振腔( m i c r o w a v er e s o n a n tc a v i t y ) ：是一种具有储能与选频特性的 微波谐振器件。在其谐振时微波场处于驻波工作状态，电场分布比较集中， 而且谐振腔中存有大量的微波能量。微波谐振腔常被用于进行微波场与物质相 互作用的研究。 微波平衡捏颇器( m i c r o w a v eb a l a n c em i x e r ) i 是由两只性能完全相同的微 波混频器所构成。参考波等幅正交