纳米材料的光学性能ppt
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第二讲纳米材料及其应用-PPT精选
GMR (2019年诺贝尔物理学奖）
磁学性能
1. 超顺磁性 2. 矫顽力 3. 居里温度 4. 磁化率
超顺磁性
纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超
顺磁状态，例如： -Fe，Fe3O4和 -Fe2O3粒径
I
2434NV2 nn1122 nn2222
I0
乳光强度与入射光的波长的四次方成反比。
故入射光的波长愈短，散射愈强。例如照射在溶
胶上的是白光，则其中蓝光与紫光的散射较强。
故白光照射溶胶时，侧面的散射光呈现淡蓝色，
而透射光呈现橙红色。
光学性能
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理 的特征量相差不多，例如，当纳米粒子的粒径与 超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波 长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与 此同时，大的比表面使处于表面态的原子、电子 与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大的 差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒 的光学特性有很大的影响。甚至使纳米微粒具有 同样材质的宏观大块物体不具备的新的光学特性。 主要表现为以下几方面。
第二讲 纳米材料及其应用
1990年7月在美国巴尔基摩召开的国 际第一届纳米科学技术学术会议上，正 式把纳米材料科学作为材料科学的一个 分支公布于世。纳米材料科学的诞生标 志着材料科学已经进入了一个新的层次。
一 纳米材料具有独特的物理化学性质
1.力学性能（结构，晶格，硬度）
融
会
2.热学性能（熔点） 3.磁学性能
纳米微粒分散物系的光学性质
纳米微粒分散于分散介质中形成分散物系(溶 胶)，纳米微粒在这里又称作胶体粒子或分散相。 由于在溶胶中胶体的高分散性和不均匀性使得分散 物系具有特殊的光学特征。当分散粒子的直径大于 投射光波波长时，光投射到粒子上就被反射。如果 粒子直径小于入射光波的波长，光波可以绕过粒子 而向各方向传播，发生散射，散射出来的光，即所 谓乳光。由于纳米微粒直径比可见光的波长要小得 多，所以纳米微粒分散系应以散射的作用为主。由 雷利公式，可得以下结论：
磁学性能
1. 超顺磁性 2. 矫顽力 3. 居里温度 4. 磁化率
超顺磁性
纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超
顺磁状态，例如： -Fe，Fe3O4和 -Fe2O3粒径
I
2434NV2 nn1122 nn2222
I0
乳光强度与入射光的波长的四次方成反比。
故入射光的波长愈短，散射愈强。例如照射在溶
胶上的是白光，则其中蓝光与紫光的散射较强。
故白光照射溶胶时，侧面的散射光呈现淡蓝色，
而透射光呈现橙红色。
光学性能
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理 的特征量相差不多，例如，当纳米粒子的粒径与 超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波 长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与 此同时，大的比表面使处于表面态的原子、电子 与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大的 差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒 的光学特性有很大的影响。甚至使纳米微粒具有 同样材质的宏观大块物体不具备的新的光学特性。 主要表现为以下几方面。
第二讲 纳米材料及其应用
1990年7月在美国巴尔基摩召开的国 际第一届纳米科学技术学术会议上，正 式把纳米材料科学作为材料科学的一个 分支公布于世。纳米材料科学的诞生标 志着材料科学已经进入了一个新的层次。
一 纳米材料具有独特的物理化学性质
1.力学性能（结构，晶格，硬度）
融
会
2.热学性能（熔点） 3.磁学性能
纳米微粒分散物系的光学性质
纳米微粒分散于分散介质中形成分散物系(溶 胶)，纳米微粒在这里又称作胶体粒子或分散相。 由于在溶胶中胶体的高分散性和不均匀性使得分散 物系具有特殊的光学特征。当分散粒子的直径大于 投射光波波长时，光投射到粒子上就被反射。如果 粒子直径小于入射光波的波长，光波可以绕过粒子 而向各方向传播，发生散射，散射出来的光，即所 谓乳光。由于纳米微粒直径比可见光的波长要小得 多，所以纳米微粒分散系应以散射的作用为主。由 雷利公式，可得以下结论：
纳米材料ppt课件
02
纳米材料的制备方法
物理法
机械研磨法
通过高能球磨或振动磨的方式， 将大块材料破碎成纳米级尺寸。 这种方法简单易行，但制备的纳
米材料纯度较低。
激光脉冲法
利用高能激光脉冲在极短时间内 将材料加热至熔化或气化，然后 迅速冷却形成纳米颗粒。该方法 制备的纳米材料粒径小且均匀，
但设备成本高昂。
电子束蒸发法
磁损耗
在交变磁场中，纳米材料的磁损耗远高于宏观材料，这与其界面和 表面效应有关。
磁电阻效应
某些纳米材料表现出显著的磁电阻效应，如巨磁电阻和自旋阀效应 。这些效应可用于磁电阻传感器和磁随机存储器等领域。
04
纳米材料的应用实例
纳米材料在能源领域的应用
太阳能电池
利用纳米结构提高光电转 换效率，降低成本。
纳米材料的环保问题
纳米材料在环境中的持久性
一些纳米材料可能在环境中长时间存在，不易降解，可能造成长期的环境污染。
纳米材料的环境释放途径
生产和使用纳米材料过程中，可能通过废水、废气等途径将纳米颗粒释放到环境中。
纳米材料对生态系统的潜在影响
纳米材料可能通过食物链进入生物体，影响生物的生理功能和生态平衡。
解决纳米材料安全与环保问题的策略与建议
加强纳米材料的环境和健康影响 研究
深入研究纳米材料的环境行为和健康影响 ，为制定有效的管理措施提供科学依据。
制定严格的法规和标准
制定针对纳米材料的生产和使用的法规和 标准，限制其对环境和健康的潜在风险。
发展绿色合成方法和应用技术
提高公众意识和参与度
开发环保友好的纳米材料合成方法和应用 技术，减少纳米材料的环境释放。
生物合成法
利用微生物（如细菌）合成有机或无机纳米材料。该方法制 备的纳米材料具有生物相容性和生物活性，在生物医学领域 有广泛应用前景。
光学性能
(6nm)，平移对称性消失，因此出现发光现象。
• 掺粒的入C玻d璃Se在xS51-3x纳0n米m光颗 激发下，当颗粒尺寸 小至5nm时，会出现 激子发射峰。
• 550nm吸收和发射 • 掺杂能级
分散在乙二醇里的CdS纳米粒子 固相CdS纳米粒子的发射光
的发射光谱，激发波长为310 nm 谱，激发波长为345 nm
• 由图看出，随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移。
• 纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有两个方 面：
• 一、量子尺寸效应 • 由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光
吸收带移向短波方向。 • Ball等对这种蓝移现象给出了普适性的解释：
已被电子占据分子轨道能级与未被占据分 子轨道能级之间的宽度 (能隙)随颗粒直径减 小而增大，这是产生蓝移的根本原因，这种 解释对半导体和绝缘体都适用。
• 二、表面效应 • 由于纳米微粒颗粒小，大的表面张力使晶
格畸变，晶格常数变小。
• 对纳米氧化物和氮化物微粒研究表明： • 第一近邻和第二近邻的距离变短。 • 键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频
率增大，结果使红外光吸收带移向了高波 数。
• B 红移
• 在一些情况下，粒径减小至纳米级时光吸收带 相对粗晶材料呈现“红移”现象。即吸收带移 向长波长。
>10nm 5nm
• 激子带的吸收系数随粒径的减
小而增加，即出现激子吸收峰
并蓝移。
CdSexS1-x玻璃的光吸收谱
• (4) 纳米微粒的发光
• 光致发光是指在一定波长光照射下被激发到高 能级激发态的电子重新跃回到低能级被空穴俘 获而发射出光子的现象。
• 电子跃迁可分为：非辐射跃迁和辐射跃迁。 • 通常当能级间距很小时，电子跃迁通过非辐射
• 掺粒的入C玻d璃Se在xS51-3x纳0n米m光颗 激发下，当颗粒尺寸 小至5nm时，会出现 激子发射峰。
• 550nm吸收和发射 • 掺杂能级
分散在乙二醇里的CdS纳米粒子 固相CdS纳米粒子的发射光
的发射光谱，激发波长为310 nm 谱，激发波长为345 nm
• 由图看出，随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移。
• 纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有两个方 面：
• 一、量子尺寸效应 • 由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光
吸收带移向短波方向。 • Ball等对这种蓝移现象给出了普适性的解释：
已被电子占据分子轨道能级与未被占据分 子轨道能级之间的宽度 (能隙)随颗粒直径减 小而增大，这是产生蓝移的根本原因，这种 解释对半导体和绝缘体都适用。
• 二、表面效应 • 由于纳米微粒颗粒小，大的表面张力使晶
格畸变，晶格常数变小。
• 对纳米氧化物和氮化物微粒研究表明： • 第一近邻和第二近邻的距离变短。 • 键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频
率增大，结果使红外光吸收带移向了高波 数。
• B 红移
• 在一些情况下，粒径减小至纳米级时光吸收带 相对粗晶材料呈现“红移”现象。即吸收带移 向长波长。
>10nm 5nm
• 激子带的吸收系数随粒径的减
小而增加，即出现激子吸收峰
并蓝移。
CdSexS1-x玻璃的光吸收谱
• (4) 纳米微粒的发光
• 光致发光是指在一定波长光照射下被激发到高 能级激发态的电子重新跃回到低能级被空穴俘 获而发射出光子的现象。
• 电子跃迁可分为：非辐射跃迁和辐射跃迁。 • 通常当能级间距很小时，电子跃迁通过非辐射
《纳米材料导论》课件
伦理问题
纳米技术的广泛应用可能涉及隐私、 安全和伦理等问题，需要加强伦理规 范和监管。
05 结论
研究成果总结
纳米材料特性
详细介绍了纳米材料的 尺寸、表面效应、量子 效应和介电限域效应等 基本特性，以及它们在 物理、化学和生物领域
的应用。
制备方法
总结了纳米材料的各种 制备方法，如物理法、 化学法、生物法等，并 讨论了各种方法的优缺
《纳米材料导论》ppt课件
$number {01}
目录
• 纳米材料简介 • 纳米材料制备方法 • 纳米材料的应用 • 纳米材料的发展前景 • 结论
01
纳米材料简介
纳米材料定义
01
纳米材料是指在三维空间中至少 有一维处于纳米尺度范围（1100nm）或由它们作为基本单元 构成的材料。
02
纳米尺度通常对应于物质中原子 或分子的集合行为发生显著变化 的尺度，因此纳米材料具有许多 独特的物理、化学和机械性能。
点和适用范围。
应用领域
概述了纳米材料在能源 、环境、医疗、信息等 领域的应用，并给出了
具体实例和效果。
对未来研究的展望
新制备技术
预测未来将出现更多高效、环保 的纳米材料制备技术，以满足不
断增长的应用需求。
跨学科应用
鼓励跨学科合作，将纳米材料应 用于更多领域，如生物医学、农
业、航天等。
绿色纳米技术
强调发展绿色、可持续的纳米技 术，以降低生产过程中的环境污
染和资源消耗。
伦理与法规
呼吁加强对纳米技术的伦理和法 规研究，以确保其在应用过程中
的安全性和合法性。
溶胶-凝胶法
通过溶液中的化学反应，使原材料转化为凝胶态，再经过干燥和热处理得到纳米材料。该方法操 作简便，成本较低，但制备周期较长。
纳米技术的广泛应用可能涉及隐私、 安全和伦理等问题，需要加强伦理规 范和监管。
05 结论
研究成果总结
纳米材料特性
详细介绍了纳米材料的 尺寸、表面效应、量子 效应和介电限域效应等 基本特性，以及它们在 物理、化学和生物领域
的应用。
制备方法
总结了纳米材料的各种 制备方法，如物理法、 化学法、生物法等，并 讨论了各种方法的优缺
《纳米材料导论》ppt课件
$number {01}
目录
• 纳米材料简介 • 纳米材料制备方法 • 纳米材料的应用 • 纳米材料的发展前景 • 结论
01
纳米材料简介
纳米材料定义
01
纳米材料是指在三维空间中至少 有一维处于纳米尺度范围（1100nm）或由它们作为基本单元 构成的材料。
02
纳米尺度通常对应于物质中原子 或分子的集合行为发生显著变化 的尺度，因此纳米材料具有许多 独特的物理、化学和机械性能。
点和适用范围。
应用领域
概述了纳米材料在能源 、环境、医疗、信息等 领域的应用，并给出了
具体实例和效果。
对未来研究的展望
新制备技术
预测未来将出现更多高效、环保 的纳米材料制备技术，以满足不
断增长的应用需求。
跨学科应用
鼓励跨学科合作，将纳米材料应 用于更多领域，如生物医学、农
业、航天等。
绿色纳米技术
强调发展绿色、可持续的纳米技 术，以降低生产过程中的环境污
染和资源消耗。
伦理与法规
呼吁加强对纳米技术的伦理和法 规研究，以确保其在应用过程中
的安全性和合法性。
溶胶-凝胶法
通过溶液中的化学反应，使原材料转化为凝胶态，再经过干燥和热处理得到纳米材料。该方法操 作简便，成本较低，但制备周期较长。
纳米材料科学与技术ppt课件
我国从20世纪80年代起就一直高度重视纳米技术，作 为较早开展纳米技术研究的国家之一，2001年就成立 国家纳米科技指导协调委员会，同年7月科技部等五部 委发布《国家纳米科技发展纲要（2001-2010）》。
2001-2009年，我国用于纳米科技的研发经费超过26亿 元人民币。我国在纳米材料研究方面与国际保持同步 ，并已开始产业化。
12
纳米材料概述 —— 纳米技术在美国
2010年: 80万纳米科技人才,GDP1万亿美元, 200万个就 业机会
能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料。 军工: 隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料 本世纪前10年几个关键领域之一，制定了“国家纳米技
术倡议”: • 纳米材料 • 纳米电子学、光电子学和磁学 • 纳米医学和生物学
意义: 确立了现存微电子器件进一步微型化的极限
29
纳米材料的奇异性能
量子尺寸效应
当粒子尺寸降到某一值时，金属费米能级附近的电子能 级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续 的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙 变宽现象均称为量子尺寸效应。
能带理论表明: • 金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有 在高温或宏观尺寸情况下才成立。 • 对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是 离散的。
扩散
是在有浓度差时，由于微粒热运动(布朗运动)而
引起的物质迁移现 象。微粒越大，热运动速度愈小。一般以扩散系数(D)
来量度扩散速度。
D RT 1 N0 6r
为分散介质的粘度系数；r为粒子半径
28
纳米材料的奇异性能
宏观量子隧道效应 原子配位不满，多悬空键； 微观粒子具有贯穿势垒的能力； 宏观量子隧道效应； 一些宏观量（如微颗粒的磁化强度，量子相干器件 中的磁通量）具有的隧道效应
2001-2009年，我国用于纳米科技的研发经费超过26亿 元人民币。我国在纳米材料研究方面与国际保持同步 ，并已开始产业化。
12
纳米材料概述 —— 纳米技术在美国
2010年: 80万纳米科技人才,GDP1万亿美元, 200万个就 业机会
能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料。 军工: 隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料 本世纪前10年几个关键领域之一，制定了“国家纳米技
术倡议”: • 纳米材料 • 纳米电子学、光电子学和磁学 • 纳米医学和生物学
意义: 确立了现存微电子器件进一步微型化的极限
29
纳米材料的奇异性能
量子尺寸效应
当粒子尺寸降到某一值时，金属费米能级附近的电子能 级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续 的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙 变宽现象均称为量子尺寸效应。
能带理论表明: • 金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有 在高温或宏观尺寸情况下才成立。 • 对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是 离散的。
扩散
是在有浓度差时，由于微粒热运动(布朗运动)而
引起的物质迁移现 象。微粒越大，热运动速度愈小。一般以扩散系数(D)
来量度扩散速度。
D RT 1 N0 6r
为分散介质的粘度系数；r为粒子半径
28
纳米材料的奇异性能
宏观量子隧道效应 原子配位不满，多悬空键； 微观粒子具有贯穿势垒的能力； 宏观量子隧道效应； 一些宏观量（如微颗粒的磁化强度，量子相干器件 中的磁通量）具有的隧道效应
纳米材料简介ppt课件
17
The end
18
纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为催化剂提供了必要条件。 目前纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等广泛用于高分子聚合 物氧化、还原及合成反应的催化剂。如用纳米镍粉作为火箭固体燃 料反应催化剂，燃烧效率提高100倍；以粒度小于100nm的镍和铜锌合金的纳米材料为主要成分制成加氢催化剂，可使有机物的氢化 率达到传统镍催化剂的10倍；用纳米TiO2制成光催化剂具有很强的 氧化还原能力，可分解废水中的卤代烃、有机酸、酚、硝基芳烃、 取代苯胺及空气中的甲醇、甲醛、丙酮等污染物。
12
C 5 hapter 纳米材料的应用
1、在半导体中的应用
当前微处理器已达到550万个晶体管的集成度、600MHZ的频率和 0.18的线宽，仍满足不了技术发展的需要。根据Intel公司预测，到 2011年微处理器将达到10亿个晶体管的集成度、10GHz 的频率和0.07的线宽，这使以硅为主要材料的超大规模集成电路(VLSI) 的工艺和原理达到极限要继续发展必须寻求工艺和技术突破。“光电 集成”就是其中一个途径，在硅电路中用光连接取 代电连接。然而大块的硅或锗的发光效率很低，且发光波段在近红外， 不适合“光电集成”。寻求一种有效产生光发射的硅基材料已成为材 料科学的一个热点。半导体纳米材料在可见光区具有较高的发光效， 发光波段与发光效率可由纳米材料的尺寸得以控制。此，多孔硅中的 量子点结构、二元半导体化合物中的嵌埋结构及半导体超晶格材料， 在光纤通讯和光探测器方面有广泛的应用。
4
C 3 hapter 纳米材料的纳米效应
1、量子尺寸效应
2、小尺寸效应 3、表面效应 4、宏观量子隧道效应 5、库仑阻塞和量子隧穿 6、介电陷域效应
5
表面效应
6
布朗运动
The end
18
纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为催化剂提供了必要条件。 目前纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等广泛用于高分子聚合 物氧化、还原及合成反应的催化剂。如用纳米镍粉作为火箭固体燃 料反应催化剂，燃烧效率提高100倍；以粒度小于100nm的镍和铜锌合金的纳米材料为主要成分制成加氢催化剂，可使有机物的氢化 率达到传统镍催化剂的10倍；用纳米TiO2制成光催化剂具有很强的 氧化还原能力，可分解废水中的卤代烃、有机酸、酚、硝基芳烃、 取代苯胺及空气中的甲醇、甲醛、丙酮等污染物。
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C 5 hapter 纳米材料的应用
1、在半导体中的应用
当前微处理器已达到550万个晶体管的集成度、600MHZ的频率和 0.18的线宽，仍满足不了技术发展的需要。根据Intel公司预测，到 2011年微处理器将达到10亿个晶体管的集成度、10GHz 的频率和0.07的线宽，这使以硅为主要材料的超大规模集成电路(VLSI) 的工艺和原理达到极限要继续发展必须寻求工艺和技术突破。“光电 集成”就是其中一个途径，在硅电路中用光连接取 代电连接。然而大块的硅或锗的发光效率很低，且发光波段在近红外， 不适合“光电集成”。寻求一种有效产生光发射的硅基材料已成为材 料科学的一个热点。半导体纳米材料在可见光区具有较高的发光效， 发光波段与发光效率可由纳米材料的尺寸得以控制。此，多孔硅中的 量子点结构、二元半导体化合物中的嵌埋结构及半导体超晶格材料， 在光纤通讯和光探测器方面有广泛的应用。
4
C 3 hapter 纳米材料的纳米效应
1、量子尺寸效应
2、小尺寸效应 3、表面效应 4、宏观量子隧道效应 5、库仑阻塞和量子隧穿 6、介电陷域效应
5
表面效应
6
布朗运动
《纳米材料》PPT课件 (2)
• 纳米半导体微粒存在不连续最高被 占分子轨道能级和最低未被占分子 轨道导致能隙带变宽（画图说明）
34
Quantum siБайду номын сангаасe effect
Bulk Metal
Nanoscale metal
Unoccupied states
Decreasing the size…
occupied states
Close lying bands
21
纳米材料的独特效应
※小尺寸效应 ※表面效应和边界效应 ※量子尺寸效应 ※宏观隧道效应
22
小尺寸效应
• 当超细微粒的尺寸和光波波长，传 导电子的德布罗意波长，超导态的 相干长度或者透射深度等物理尺寸 相当或者比它们更小时，一般固体 材料的周期性边界条件被破坏，声 光电磁，热力学等特性均会呈现新 的尺寸效应
纳米科技。
1
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
2
纳米材料的发展过程
• 1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的 尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的 电路和10～100纳米的导线。
• 1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量 子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。
• 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。
15
碳纳米管
由石墨的片状结构上运 用激光手段剥离下来 ，形成的石墨烯卷成 的无缝中空管体
直径虽只有头发丝的十 万分之一，可是导电 性为铜的一万倍。强 度是钢的100倍，质量 却只有其七分之一。 硬似金刚石，却可以 拉伸
16
超晶格材料
• 由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米 的薄层交替生长。并保持严格周期性的多 层膜
34
Quantum siБайду номын сангаасe effect
Bulk Metal
Nanoscale metal
Unoccupied states
Decreasing the size…
occupied states
Close lying bands
21
纳米材料的独特效应
※小尺寸效应 ※表面效应和边界效应 ※量子尺寸效应 ※宏观隧道效应
22
小尺寸效应
• 当超细微粒的尺寸和光波波长，传 导电子的德布罗意波长，超导态的 相干长度或者透射深度等物理尺寸 相当或者比它们更小时，一般固体 材料的周期性边界条件被破坏，声 光电磁，热力学等特性均会呈现新 的尺寸效应
纳米科技。
1
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
2
纳米材料的发展过程
• 1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的 尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的 电路和10～100纳米的导线。
• 1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量 子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。
• 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。
15
碳纳米管
由石墨的片状结构上运 用激光手段剥离下来 ，形成的石墨烯卷成 的无缝中空管体
直径虽只有头发丝的十 万分之一，可是导电 性为铜的一万倍。强 度是钢的100倍，质量 却只有其七分之一。 硬似金刚石，却可以 拉伸
16
超晶格材料
• 由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米 的薄层交替生长。并保持严格周期性的多 层膜
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h
hk2hk来自-1.基本概念
（2）激子
通过库仑作用束缚的电子-空穴对叫做 激子。电子和空穴复合时便发光，以光子 的形式释放能量。
根据电子与空穴相互作用的强弱，激子分为： 万尼尔（Wannier）激子（松束缚）； 弗仑克尔（Frenkel）激子（紧束缚）。
束缚半径远大于原子半
格点上原子或分子的激发
径，库仑相互作图用1 半较导弱体激子及发态光，示库意图仑相互作用较强
纳米材料的每个光吸收带的峰位由蓝移和红
移图修3饰因抗后素生2银蛋共纳白米链同生菌作物素传修用感饰而器前的1确和 定。
LSPR激发光谱
光吸收带蓝移
蓝经抗移生蛋因白素链菌素修饰后，红移因素
银传感器的吸收峰发生了红
移。
光吸收带红移
-
主要内容
1.基本概念 2.纳米材料的光吸收特性 3.纳米材料的光发射特性 4.纳米材料的非线性光学效应 5.纳米光学材料的应用
纳米材料的光学性能
日 期： 2016.9.29
-
主要内容
1.基本概念 2.纳米材料的光吸收特性 3.纳米材料的光发射特性 4.纳米材料的非线性光学效应 5.纳米光学材料的应用
-
1.基本概念
v （1）波矢 k
波矢是波的矢量表示方法。波矢是一个 矢量，其方向表示波传播的方向，其大
小表示 k 2
p
-
2.纳米材料的光吸收特性
（2）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 范围各种波长光的反射和吸收能力不同。如：金、银、 铜等。
但是，小粒子对可见光具有低反射率、强吸收率。 如：当金(Au)粒子尺寸小于光波波长时，会失去原有的 光泽而呈现黑色。金纳米粒子的反射率小于10％。
TiO2纳米薄膜随着温度的降 低，薄膜吸收边位置又向短 波方向移动，即发生了蓝移，
如图所示。
-
图4 TiO2纳米薄膜光吸收曲线
主要内容
1.基本概念 2.纳米材料的光吸收特性 3.纳米材料的光发射特性 4.纳米材料的非线性光学效应 5.纳米光学材料的应用
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3.纳米材料的光发射特性
光致发光：指在一定波长光照射下被激发 到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴 捕获而发光的微观过程。
荧光：仅在激发过程中发射的光。 磷光：在激发停止后还继续发射一定时间 的光。
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3.纳米材料的光发射特性
从物理机制来分析，电子跃迁可分为两类：非辐射跃迁 和辐射跃迁。
当能级间距很小时， 电子跃迁可通过非 辐射性级联过程发 射声子，在这种情 况下不发光；只有 当能级间距较大时， 才有可能发射光子， 实现辐射跃迁，产 生发光现象。
某物质的相对介电常数和折射率的复数形式：
r 1 i2 Nni
其中ε1和ε2 分别为相对介电常数εr的实部和虚部；复 数折射率N的虚部κ叫消光系数，实部 n 就是通常所说 的折射率。 由于折射率与介电常数的关系 N r ，因此有：
n2 2 1 ， 2n2
人们通常用 n 和κ这对光学常数来表征固体的光学性质。
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2.纳米材料的光吸收特性
（1）固体中的光吸收
消光系数κ也表示物质的吸收，它与吸收系数α的关
系为：
2/ c4/0
λ0为真空中光的波长，ω为入射光的频率，c为光速。
吸收系数α的倒数叫作光在固体中的穿透深度：
d 1 0 4
消光系数k大的介质，其光的穿透深度浅，表明物质 的吸收强，而长波光比短波光的穿透深度大。
(h)2B(hEg)
式中hν为光子能量，α为吸收系数，Eg为带隙，B为 材料特征常数。
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2.纳米材料的光吸收特性
（3）半导体纳米颗粒的光吸收
与块体TiO2不同的是， TiO2微粒在室温下，由380～ 510nm波长的光激发下可产生 540nm附近的宽带发射峰，且 随粒子尺寸减小而出现吸收
的红移。 另一方面，实验观测到
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2.纳米材料的光吸收特性
（2）金属纳米颗粒的光吸收
实际上，金属超微粒对光的反射率很低，一般低于 1％。大约几nm厚度的微粒即可消光，显示为黑色，尺 寸越小，色彩越黑。 如：银白色的铂（白金）变为铂黑，铬变为铬黑等。
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2.纳米材料的光吸收特性
（3）半导体纳米颗粒的光吸收
由于量子尺寸效应导致能隙增大, 半导体纳米 材料的吸收光谱向高能方向移动, 即吸收蓝移。 同时,由于电子和空穴的运动受限, 他们之间 的波函数重叠增大, 激子态振子强度增大, 导 致激子吸收增强,因此很容易观察到激子吸收 峰, 导致吸收光谱结构化。
a.电子和空穴直接复合， 产生激子态发光。
b.通过表面缺陷态间接复 合发光。
c.通过杂质能级复合发光 上述三种情况相互竞争。
图6 CdS纳米微粒的可能发光机制
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3.纳米材料的光发射特性
图5 激发和衰变过程示意图
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3.纳米材料的光发射特性
（1）纳米微粒的发光机制
选择定则不适用： 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带是常规材料中受选择 定则限制而不可能出现的发光。
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3.纳米材料的光发射特性
半导体纳米微粒受光激发 后产生电子-空穴对，电子与 空穴复合发光的途径有三种情 况：
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1.基本概念
（3）光谱线及移动
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1.基本概念
（3）光谱线及移动 与体材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在 向短波方向移动，即蓝移现象。
激子峰
微粒尺寸变小后： 吸收峰蓝移
-图2 不同尺寸CdS的可见光-紫外吸收光谱
1.基本概念
（3）光谱线及移动
在有些情况下，粒径减小至纳米级时可以观 察到光吸收带相对粗晶材料向长波方向移动， 这种现象被称为红移。
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2.纳米材料的光吸收特性
（1）固体中的光吸收
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。
如果强度为I0的入射光，通过固体内位移x后其强 度将衰减为
II0exp(x)
其中α为吸收系数，它表示光在固体中传播的指数 衰减规律。
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2.纳米材料的光吸收特性
（1）固体中的光吸收
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2.纳米材料的光吸收特性
（3）半导体纳米颗粒的光吸收
例：常规块体TiO2是一种过渡金属氧化物，带隙宽度 为3.2eV，为间接允许跃迁带隙，在低温下可由杂质 或束缚态发光。
但是用硬脂酸包敷TiO2超微粒可均匀分散到甲苯 相中，直到2400nm仍有很强的光吸收，其吸收谱满足 直接跃迁半导体小粒子的Urbach关系：