纳米材料的光学性能

1、3.3纳米材料的光学性质，3.3.1基本概念研究纳米材料光学性质的理论基础是量子力学。本章没有详细阐述这一具体理论。然而，在理解纳米材料的光学性质的过程中，经常会遇到以下概念，这里首先介绍这些概念。激子(激子)，激子在价带中自由运动，空穴和电子在导带中自由运动，通过库仑束缚电子-空穴对，电子和空穴结合时会以光子的形式发光，释放能量。根据电子-空穴相互作用的强度，激子分为：万尼尔激子(松散结合)。Frenkel激子(紧密结合)。晶格点上原子或分子的激发态具有很强的库仑相互作用，主要是半导体和金属等纳米材料中的万尼尔激子。根据固体物理学，能量en和波矢K之间的关系可以写成：Eg是相应材料的能隙；M

2、=me* mh*是电子和空穴的有效质量之和；R*是激子的等效里德堡能量。n=1，2，3的物理意义是什么？如果k=0，激子能量为：例如，当硅如InP允许带间直接跃迁时，激子光吸收过程所需的光子能量小于能隙Eg(即本征吸收能量)。价带中的电子吸收的光子能量小于禁带宽度，可以离开价带，但由于能量不足，它们不能跃迁到导带成为自由电子。此时，电子实际上仍然保持与空穴的库仑力相互作用，形成一个被称为激子的电中性系统。能产生激子的光吸收叫做激子吸收。吸收光谱大部分是密集的，红外侧的固有吸收波长阈值。激子在产生后不会停留在晶体的某一部分，但它可以在整个晶体中移动，但作为一个整体，它是电中性的，不能形成电流。激

3、子消失：1。激子通过热激发或其他能量的激发被分离成自由电子或空穴来参与传导。2.激子中的电子和空穴重组释放能量，同时发射光子或光子和声子。对于波长，激子的光吸收峰出现在本征吸收峰的长波侧。对于与Eg、谱线和移动太阳光谱相对应的波长，400nm处的能量越大，波长越短，700nm处的能量越小，波长越长。对于激子受限型，最小的激子半径称为激子玻尔半径，其中是电子的剩余质量。在半导体发光材料中，当材料系统的尺寸接近激子玻尔半径时，将发生量子限制效应，即系统的能级中出现一系列离散值，在能级被量子化的系统中电子的运动受到限制。根据纳米粒子半径与激子玻尔半径的关系，激子禁闭可分为三种类型：激子弱禁闭。系统的

4、能量主要由库仑相互作用决定。此时，量子尺寸限制中的附加能量可以近似表示为：从吸收和发光的角度来看，激子的基态能量转移到高能，导致激子能量蓝移。由于由电子的有效质量与电子的剩余质量之比以及空穴的有效质量与电子的剩余质量之比引起的附加能量不大，所以由激子的弱限制引起的蓝移不大。激子受限型，激子适度受限。由于电子的有效质量小和空穴的有效质量大，电子受到比空穴大得多的量子尺寸限制场效应的影响。在这种情况下，电子的运动主要是有限的，空穴在一个非常有限的电子云中移动，库仑相互作用与电子发生。系统的附加能量近似表示为：激子受限型，激子强受限型，电子和空穴在材料中的运动明显受限。当R减小到一定尺寸时，量子限制

5、效应超过库仑效应，库仑效应仅被视为微扰。根据计算，量子尺寸限制产生的附加能量近似表示为：激子限制类型，和增强的量子限制效应与不同粒径硫化镉纳米粒子的可见-紫外吸收光谱相比，当粒径变小时，出现明显的激子峰和蓝移现象。首先，从能带、价带、Eg1、Eg2、波长、 1、 2的角度来看，EG12强度导带不仅可以用能带变化来解释，还可以用晶体结构来解释：晶格畸变晶格常数随着表面张力的增大而减小。具有缩短的键长度的键的固有振动频率增加了光吸收带向高波数的偏移，例如，纳米氧化物和氮化物的第一邻居和第二邻居之间的距离变短。红移在某些情况下，当颗粒尺寸减小到纳米级时，可以观察到光吸收带相对于粗晶材料向长波方向移动

6、，这种现象称为红移。如果我们观察能带的变化，红移意味着能隙？减少、h，2r，1.8e，-0.248r，纳米半导体粒子的吸收带隙E(r)是纳米粒子的半径r的函数，并且可以由下面的公式来描述：22，*，2，240r，e (r)=Eg，其是量子限制能量，即蓝色位移量，电子-腔对的库仑相互作用能量，即红色位移量，并且Eg是块体材料的能量间隙。该常数是由于电子和空穴相互靠近时的空间相关能量，R*是激子等效里德堡能量。因此，纳米材料的每个光吸收带的峰值位置由蓝移和红移因子的共同作用决定。蓝移因子、红移因子、光吸收带蓝移光吸收带红移，颗粒大小有一个分布，这使得每个颗粒的表面张力不同，晶格畸变程度不同，导致纳

7、米结构材料晶格中键长的分布，从而产生红外吸收带宽。很难加宽吸收带。在纳米结构材料的制备过程中，需要均匀的颗粒和窄的颗粒尺寸分布。纳米结构材料的结构特征，例如大的比表面积、缺陷如界面中的空隙、原子的配位数不足以及更多的错配键，使得界面中的键长度不同于颗粒中的键长度。就接口而言，大部分接口结构并不完全相同。它们可能在能量、缺陷密度和原子排列方面有差异，这也导致界面中键长度的广泛分布。原子振动频率的分布和键长的分布导致吸收带的加宽。23，3.3.2纳米材料的光吸收特性、暗线和暗线是气体层中钠质子由于尺寸大而选择性吸收太阳光的结果。当光通过一种物质时，该物质吸收特定波长的光而产生的光谱称为吸收光谱。通

8、过用适当波长的光照射固体材料，在价带中留下空穴，可以将固体材料中的电子从价带激发到导带。这种光激发的电子-空穴对可以以不同的方式发射光子，在光谱中产生相应的发射峰，并且从实验中获得的光谱细节反映了固体材料的信息。固体材料的光学性质与其内部微结构密切相关，尤其是电子态、缺陷态和能级结构。大多数传统光学理论都是基于具有平移周期的晶态。自20世纪70年代以来，非晶光学性质的研究已经建立了一个理论来描述无序系统的光学现象。纳米结构材料在结构上与传统的晶体和非晶材料非常不同。小的量子尺寸粒子和大的比表面积、界面原子排列和键构型具有很大的随机性，这使得一些新现象在光学性质上不同于传统的晶体和非晶材料。光吸

9、收简介当光在固体中传播时，其强度通常会减弱，并发生光吸收。光的吸收与光的强度有关。物质的相对介电常数r和折射率n的复数形式：r=1i 2n=Nike1和2分别是相对介电常数r的实部和虚部。虚p实验发现，光在固体中传播时，其强度通常会减弱。光的吸收与光的强度有关。强度为I0的入射光的强度变为：总吸收，非常大，与波长无关。选择性吸收很小，与波长有关的称为吸收系数，它表示光在固体中传播的指数衰减规律。消光系数k也表示物质的吸收，它与吸收系数的关系是：0是光在真空中的波长；是入射光的角频率；c是真空中光速。对于消光系数较大的介质，光的穿透深度较浅，表明物质的吸收较强，长波光的穿透深度大于短波光。吸收系

10、数的倒数称为光在固体中的穿透深度，用d表示，那么金属纳米颗粒的光吸收大块金属具有不同颜色的光泽，表明它们对可见光范围内不同波长的光具有不同的反射和吸收能力。例如，金、银、铜等。然而，小颗粒对可见光的反射率低，吸收率强。例如，当金(Au)颗粒的尺寸小于光波的波长时，原有的光泽将会消失，颜色将会变暗。金纳米粒子的反射率小于10%。金属超细颗粒对光的反射率很低，一般小于1%；粒径约为几纳米的颗粒会变暗，显示为黑色。尺寸越小，颜色越深。例如，银白色铂(铂)变成铂黑，铬变成铬黑，等等。金属纳米粒子的特征之一是它具有导电电子的表面等离子体，这在可见区域显示出强吸收带。金属纳米粒子的吸收系数表达式为：当光波

11、(电磁波)入射到金属与介质的界面上时，金属表面的自由电子集体振荡，电磁波与金属表面的自由电子耦合形成沿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，就会发生共振。在共振状态下，电磁场的能量被有效地转化为金属表面自由电子的集体振动能量，从而形成一种特殊的电磁模式：电磁场被限制在金属表面的小范围内并被增强，这就是所谓的表面等离子体现象。光致发光是指被激发到高能级激发态的电子跳回到低能级被空穴俘获并在一定波长的光照射下发光的微观过程。荧光：仅在激发时发出的光。磷光：在激发停止后的一段时间内持续发光。从物理机制分析，电子跃迁可分为两种类型：非辐射跃迁和辐射跃迁。当能级间距很小时，电

12、子跃迁可以通过不发光的非辐射衰变过程发射声子。原始子结构图、E1 E0、E5 E4 E3 E2、非辐射衰变辐射衰变、激发过程、激发和衰变过程E6、当能级间距较大时，有可能发射光子，实现辐射跃迁并产生发光现象。为什么可能？在光谱学中，用四个量子数来表示原子状态的符号叫做光谱项。n2S 1LJ，或nMLJ，主量子数，是价电子所在的电子层数，原子的总自旋量子数，是价电子自旋角动量的矢量和。总角量子数是价电子角动量的矢量和。内部量子数是总自旋量子数和总角量子数的矢量和。据了解，不是一个原子的两个能级都能跃迁，光谱选择规则是：n是0和整数；主量子数L=1；角量子数之差S=0；J=0和1中自旋量子数和量子

13、数之差(J=0时J=0除外)，否则，没有跃迁尺寸减小，透射率降低，吸收率增加，激子吸收峰出现，纳米结构材料中的平移周期性被破坏，选择规则可能不适用于纳米材料，在光激发下由纳米状态产生的发光带是发光，由于传统材料中选择规则的限制，不可能出现。1.量子限制效应使得纳米材料的激子发光容易出现，激子发光带的强度随着粒子的减少而增加。2.纳米粒子表面有许多悬挂键和吸附质。从而形成多个表面缺陷状态。在粒子被光激发后，光生载流子以极快的速度被限制在表面缺陷态，从而产生表面态发光。3.纳米晶体材料中的大比表面积和低有序界面可以为过渡族杂质的分离提供有利的位置，这将导致纳米晶体材料的能隙中杂质能级的形成和杂质发

14、光的产生。杂质能级：一些过渡族元素(Fe3、Cr3、V3、Mn3、Mo3、Ni3、Er3等)。)在无序系统中引起一些发光。一般来说，杂质发光带位于较低的能量位置，发光带较宽。纳米晶体材料中的大的低阶界面为过渡族杂质的分离提供了有利的位置。杂质能级形成在纳米晶体材料的能隙中。杂质发光，引导，诱导，产生，P D F，C RE A Te D，W ith，F i，P D A L V E R S I O N。因此，半导体纳米粒子被光激发产生电子-空穴对。电子-空穴复合发光有三种方式：(1)电子和空穴直接结合产生激子态发光。由于量子尺寸效应，随着粒子尺寸的减小，发射波长向高能方向移动(蓝移)。(2)通过表

15、面缺陷态的间接复合发光。纳米粒子表面有许多悬挂键和吸附质。从而形成多个表面缺陷状态。在粒子被光激发后，光生载流子以极快的速度被限制在表面缺陷态，从而产生表面态发光。粒子表面越好，表面载流子的俘获能力越弱，表面态发光越弱。(3)上述三种情况通过杂质级复合发光相互竞争。如果粒子表面有许多缺陷，并且它捕获电子和空穴的能力非常强，那么它一产生就会被粒子捕获，并且直接复合的概率非常小，那么激子态发光就非常弱，甚至可能观察不到，而只有表面缺陷态发光。为了有效地产生激子发光，我们必须尝试制备具有良好表面的纳米粒子，或者通过表面改性减少其表面缺陷，从而使电子和空穴可以通过辐射有效地直接结合。电子和空穴复合发光的三种方式示意图：直接复合发光、表面缺陷态间接发光、杂质能级复合发光和纳米发光材料，例如，一些不发光的材料，当其颗粒小到纳米尺寸时，原本会出现发光现象。虽然发光强