功能材料-光学理论-

1、 功能材料-光学理论天津大学材料学院 杜希文第五节 光性能5.1 概论5.2 光吸收与透射5.3光发射5.4光电效应（1）光电导效应（2）光生伏特效应（3）光电发射效应光的本质：电磁波 电磁波谱电磁波谱光的本质：电磁波 n波动方程：AA0cos(-t)n波粒二相性：n用电子伏特表示1 eV=1.6 X 10-19 CeVnm)(1240)eV(106 . 1m/s103J/s1062. 6E19834)C(m/s103J/s1062. 6hchE834SRT 12/W m透射系数：透射系数：吸收系数：吸收系数：反射系数：反射系数：散射系数：散射系数：光和固体的相互作用光和固体的相互作用1. 宏

2、观现象宏观现象SRAT 00/TT 0/A 0/RR 0/S 0RSTA ST R镜面反射镜面反射慢反射慢反射多重散射多重散射2. 微观机制微观机制 从量子力学看，电磁波的吸收和发射包含电子从一种量子能态转变到另一种量子能态的过程； 吸光吸光：材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化E与电磁波频率有关： E=h。 发光发光：受激电子不可能无限长时间保持。在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波。第五节 光性能5.1 概论5.2 光吸收与透射5.3光发射5.4光电效应（1）光电导效应（2）光生伏特效应（3）光电发射效应 现象

3、：光在材料中传播时，其强度呈指数衰减 。0 xII e空气的空气的 ，玻璃的，玻璃的 ，而金属的，而金属的 = 5110 cm2110 cm4110 cm数量级以上，因此数量级以上，因此金属对可见光是不透明的金属对可见光是不透明的。宏观唯象模型宏观唯象模型朗伯特定律：朗伯特定律：-介质对光的吸收系数吸收系数xI0I0s xII e布格定律布格定律光的吸收光的吸收固体材料的能带固体材料的能带半导体中的光吸收半导体中的光吸收n半导体材料通常能强烈地吸收光能，具有105cm-1的吸收系数。A.本征吸收价带完全被电子占满，导带是空的，价带内的电子是不可能被激发到更高的能级上（由于带隙Eg)。唯一可能的

4、吸收是足够能量的光子使电子激发，越过禁带，而在价带中留下一个空穴，形成电子空穴对。这种由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程本征吸收本征吸收限波长公式本征吸收限波长公式：m24. 1g0EB. 直接跃迁和间接跃迁直接跃迁和间接跃迁电子吸收光子的跃迁过程必须满足能量和动量守恒一般半导体吸收的光子其动量远小于能带中电子的动量hk，hk光子动量得到k，k说明电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变电子跃迁的选择定则电子在跃迁过程中波矢保持不变 (在波矢k空间必须位于同一垂线上）直接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和吸收一个声子能量关系式： h0Ep电子能量差E动量关系式：（hk

5、，hk）hq q 光子动量声子的能量很小，可以忽略不计。同时略去光子动量得E h0Egk，kq q除了吸收光子能量外还与晶格交换能量间接跃迁研究本征吸收光谱研究本征吸收光谱Eg能带结构能带结构n对于Ge和Si间接带隙半导体，光子的能量h0Eg，随着光子能量的增加，吸收系数首先上升到一个平缓的区域，这对于间接跃迁；向更短波长发面，随着hv增加，吸收系数再一次陡增，发生强烈的光吸收，表示直接跃迁的开始。n对于GaAs直接带隙半导体，光子能量大于h0后，一开始就有强烈的吸收吸收，系数陡峻上升，反映出直接跃迁的过程。 除去反射、吸收、散射，余下的那部分。除去反射、吸收、散射，余下的那部分。0000E能

6、 量吸收的光子000费米能空能态被电子占据的能态0000E能 量00费米能反射的光子a)b)图图6 金属吸收光子后电子能态的变化金属吸收光子后电子能态的变化1. 金属材料的透过性金属材料的透过性0光的透射光的透射2. 非金属材料的透过性非金属材料的透过性电子极化，电子极化，只有当光的频率与电子极化频率处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；电子受激电子受激吸收光子而越过禁带，或进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。 可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：

7、 Eg1.8eV，非金属材料不非金属材料不吸收光子，透明吸收光子，透明。mingmaxminmaxgminmax0.4 m, E3.10.7 m, E1.8hCeVhCeV第五节 光性能5.1 概论5.2 光吸收与透射5.3光发射5.4光电效应（1）光电导效应（2）光生伏特效应（3）光电发射效应发光（光发射发光（光发射/光辐射光辐射） ：原子处于激发态的电：原子处于激发态的电子向基态跃迁，与空穴复合，并释放光子的过程；子向基态跃迁，与空穴复合，并释放光子的过程；1. 光的吸收和辐射光的吸收和辐射 NoImageE2E1 (a) 自发辐射自发辐射 (b) 受激吸收受激吸收 (c) 受激辐射受激辐

8、射 热平衡状态热平衡状态: (a) - (b), 受激辐射不起作用；受激辐射不起作用； 受激辐射产生的光子频率、相位、偏振等几乎与入射光子相同，从而受激辐射产生的光子频率、相位、偏振等几乎与入射光子相同，从而能够与入射光形成强相干，当超过受激吸收时，就可能形成光放大；能够与入射光形成强相干，当超过受激吸收时，就可能形成光放大； 要形成受激辐射放大，必须额外提供能量，使体系处于非平衡状态要形成受激辐射放大，必须额外提供能量，使体系处于非平衡状态;自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射（2）热辐射热辐射 （3）电致发光）电致发光 （4）光致发光）光致发光 （5）化学发光）化学发光 （6）同步辐射光源）同

9、步辐射光源 （7）激光光源）激光光源 （1）冷发光）冷发光 辐射分类辐射分类方向性、相干性差、功率弱方向性、相干性差、功率弱方向性、相干性好、功率大方向性、相干性好、功率大 如果当激发除去后，在 内发出的光称为荧光荧光，被激发的电子跳回价带时发射光子；如果，外来激发停止后物体继续发光称为磷光磷光，持续时间 甚至更长。磷光的特点可用余辉时间余辉时间表征。810 s1（冷）发光（冷）发光 广义地，除热激发以外，自发辐射导致的发光都叫冷发光，包括电、光、化学等导致的光； 狭义地，这里指荧光和磷光。磷光体余辉时间磷光体余辉时间：I- I0/10所需要的时间810 s (b) 磷光材料磷光材料 (a)

10、荧光材料荧光材料带间自发辐射带间自发辐射浅能级参与自发辐射浅能级参与自发辐射激活剂激活剂激活剂激活剂 =Ec - Ev = Eg = Ec - Ev +- E声 = Eg K2 - k1 = k光 0 K2- k1 = k声 + k光= k光（1）带间辐射复合 直接跃迁直接跃迁和间接跃迁间接跃迁两种。辐射复合方式辐射复合方式 ak/2 /2 k 1、效率高2、占多数，InSb，GaAs1、效率低2、占少数，GaP，AlAs;（2）浅能级和主带之间的复合（掺杂）EdEcEaEvP型，浅受主N型，浅施主特点：hv 自发辐射。 激光（Laser amplification by stimulated

11、 emission of radiation）,受激辐射光放大受激辐射光放大简称，单色性好、相干性强、方向性好的高能相干光束。 1916年，爱因斯坦发表关于辐射的量子理论； 1921年，赫尔发明微波磁控管； 19551955年，巴索夫等提出三能级微波固体激光器原理年，巴索夫等提出三能级微波固体激光器原理； 1957年，斯科韦尔等研制第一台微波激光器模型； 19601960年，梅曼研制成功第一台红宝石激光器年，梅曼研制成功第一台红宝石激光器。4 激光激光 粒子数反转：粒子数反转：在通常情况下，因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态（最低能级）的原子数远远多于处于激发态（较高能级）的原

12、子数。为了形成足够的激发辐射，得到强相干的激光束，必须激发原子群体，使亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数反转。 各种激发方式被形象化地称为各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运泵浦或抽运。为了使激光持续输出，。为了使激光持续输出，必须必须不断地不断地“泵浦泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。 例如，氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子中的两个能级实现粒子数反转而获得激光。亚稳态亚稳态一一、能级结构能级结构1 12 23 3激发态激发态 基基 态态钕钇铝石榴石钕钇铝石榴石红宝石红宝石P167（a）示意图）示意图 (b) 实物图实物图冷却管

13、冷却管二、激光器工作原理二、激光器工作原理123456激光工作物质激光工作物质 产生、发射激光的物质，固体单晶，气体等；通过掺杂控制亚稳态产生、发射激光的物质，固体单晶，气体等；通过掺杂控制亚稳态能级。能级。Cr3+-Al2O3，Nd3+-YAG (P170) 激发光源激发光源 使使1从基态达到激发态，从基态达到激发态，聚光腔聚光腔 使各向同性的受激辐射（激光），向轴向聚集；使各向同性的受激辐射（激光），向轴向聚集；光学谐振腔光学谐振腔 对轴向聚集的激光进行多次全反射，大量相干、放大，获得单色、高对轴向聚集的激光进行多次全反射，大量相干、放大，获得单色、高功率激光，从部分反射端发射；功率激光，

14、从部分反射端发射；冷却系统冷却系统 对激光器及腔体进行冷却保护；对激光器及腔体进行冷却保护；第五节 光性能5.1 概论5.2 光吸收与透射5.3光发射5.4光电效应（1）光电导效应（2）光生伏特效应（3）光电发射效应半导体的光电效应半导体的光电效应因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应半导体的光电效应可分为:内电光效应与外电光效应内电光效应内电光效应:q光电导效应q光生伏特效应外电光效应外电光效应:q光电发射效应光电导效应光电导效应光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。主要有本征光电导与杂质

15、光电导。光电导效应光电导效应hvabcEqEJspn)(0AJI00s当入射光功率为s为常数时：用来产生光电效应的光功率:s产生非平衡载流子的光子数：hvs在单位体积内产生非平衡载流子的浓度：hvabcpns在稳定光照下，光生载流子不断产生，同时也不断复合。在稳定时光生载流子的浓度为：nn0在外电场下，载流子定向运动，载流子数量会有变化，光电导为：)(pnpnq短路光电流密度为：产生的短路光电流：bcJI00光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应简称为光伏效应光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生机制产生机制：光生载流子的浓度梯度光生载流子的浓度梯度

16、光电磁效应光电磁效应势垒效应（势垒效应（PN结）结）太阳电池经历了四代的发展27.6%, Amonix, 200512.3% Grtzel, 20097.9%, Green, 201019.9%, Repins 200841.6%, King, 200919.9%, Repins 2008第一第二代第一第二代p-n结太阳能电池基本原理结太阳能电池基本原理太阳能电池是由电性质不太阳能电池是由电性质不同的同的n n型半导体和型半导体和p p型半导型半导体连接合成，一边是体连接合成，一边是p p区区,一边是一边是 n 区，在两个相互区，在两个相互接触的界面附近形成一个接触的界面附近形成一个结叫结叫p

17、 - n结，结区内形成结，结区内形成内建电场，成为电荷运动内建电场，成为电荷运动的势垒。的势垒。p-n结太阳能电池基本原理结太阳能电池基本原理 当太阳光入射到太阳电池表面上后，在当太阳光入射到太阳电池表面上后，在p-np-n结中产生电子结中产生电子- -空穴对，在空穴对，在p-np-n结内建电场作用下，空穴向结内建电场作用下，空穴向p p区移动，电子向区移动，电子向n n区移动，形成电流。区移动，形成电流。第三代染料敏化太阳电池第三代染料敏化太阳电池1991年在年在Nature发表的论文发表的论文技术突破：在光电极上引入多技术突破：在光电极上引入多孔二氧化钛层孔二氧化钛层转换效率：转换效率：7.1%2010年年最高转最高转换效率换效率突破突破12%染料敏化太阳电池的结构染料敏化太阳电池的结构典型染料敏化太阳电池组成：典型染料敏化太阳电池组成：（1）光电极：）光电极：TCO+多孔二氧化钛层多孔二氧化钛层（2）敏化剂：染料）敏化剂：染料(N719/N3)+溶剂溶剂（3）电解质：）电解质：I-/I3-(LiI/I2)+溶剂溶剂（4）对电极：）对电极：TCO+Pt催化层催化层染料敏化太阳电池的工作原理染料敏化太阳电池的工作原理染料结构nAn arylamine or dialkylamine as the electron donor, a