功能材料PPT系列：光学材料

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激发
Eg
h 原位复合发光
双分子复合发光
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C Eg
V
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发光材料的特性
一般而言，对发光材料的特性有三个要求： １.发光颜色：可用发射光谱进行表征，对应谱峰的波长就是 发光的颜色。一般说来其波长大于吸收光谱的波长。
图5.9 发光材料的发射光谱和吸收光谱
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价带
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例：离子晶体的禁带宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的 能量。
纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发 生光吸收，都是透明的。
碱金属卤化物晶体对透波区域可由~25μm到250nm，相当于 0.05~5ev的能量。但当有足够强的辐射(如紫光)照射离子晶体 时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样 就发生了光吸收，晶体就会失透。
第一阶段：热起伏，即 M A
第二阶段：由Ａ
Ｇ
Ａ
泵 浦 跃 迁
快速无辐射跃迁
自
发
自
辐
发
射
辐
射
Ｍ
受
hν≈E2-E1
激
辐
射
Fra Baidu bibliotek
Ｇ
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双分子过程发光
材料吸收能量发生跃迁，产生电子－空穴对； 电子和空穴相遇就可复合并释放能量（光），即为复合发光。 复合发光可以在一个发光中心上直接进行，即原位复合，这 叫做单分子过程； 如果电子在脱离原来的发光中心后，在导带中移动了一定的距 离后遇到其他发光中心(空穴）复合发光，呈双分子过程。
色混合得到； 混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定；混合色的亮度是三
基色亮度之和。 另外，任一种颜色都有一个相应的补色。即：它与某一颜色以适当比
例混合时，可产生白色。例：红、绿、蓝的补色分别是青、紫、黄。
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颜色坐标图
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２.发光效率
发光材料的另一重要特性是发光强度，它随激发强度而改 变。材料的发光本领通常以发光效率表征，有3种表示方法：
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发射谱峰的宽窄也是发光材料的重要特性，谱峰越窄，发光 材料的单色性越好，反之亦然。 将谱峰1/2高度时缝的宽度称作半宽度，依照发射峰的半宽度 可将发光材料还分为3种类型：
宽带材料：半宽度~100nm，如CaWO4； 窄带材料：半宽度~50nm，如Sr(PO4)2Cl：Eu3+； 线谱材料：半宽度~0.1nm，如GdVO4)：Eu3+；
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导带
施主能级
能隙(禁带）
受主能级
价带
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无机离子固体的光吸收 无机离子固体的禁带宽度较大，一般为几个电子伏特，相当于紫外光
区的能量，故对可见光到红外光，能量不足以使其电子越过能隙，由价带 跃迁至导带，晶体不被激发，不发生光的吸收，晶体都是透明的。
当紫外光辐照晶体时，就会发生光的吸收，晶体变得不透明。禁带宽 度Eg和吸收波长λ的关系为 Eg = hν= hc/λ h－普朗克常数6.63×10-34 J·s，c为光速。
如前所述，在晶体中引入杂质离子后，由于杂质缺陷能级位于禁带之 中，使能带间的能隙小于Eg，吸收限往往落在可见光区，结果发生固体的 杂质光吸收。
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例：
Al2O3晶体中Al3+和O2-离子的基态能级为填满电子的的封 闭电子壳层，其能隙为9ev，它不可能吸收可见光，所以是 透明的。
若0.1%的Cr3+时，晶体呈粉红色，掺入1%的Cr3+时，晶 体呈深红色，即红宝石，均可以吸收可见光。 晶体呈红色，表示什么意思？ 吸收红光？还是吸收其他波长的光波？
光学材料
主讲：刘守华 课件制作：刘守华
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光功能材料
固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相 互作用。 包括：晶体对光辐射的反射和吸收
晶体在光作用下的发光 光在晶体中的传播和作用 ……等
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定义
根据光与材料的相互作用时产生的不同物理效应可将其分为光介质材料 和光功能材料。
半宽度
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图5.10 发射峰的半宽度15
三基色原理
单一波长和波谱宽度小于5nm的光称为单色光。含有两种或两种以上波 长成分的光称为复合光，复合光使人眼产生混合色。
三基色原理 自然界中绝大多数彩色都可以由三基色按一定比例混合而得；反之，
这些彩色也可以分解成三基色； 三基色必须是相互独立的，即其中任何一种基色都不能由其它两种基
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固体的光吸收
基础吸收或固有吸收：
绝缘体和半导体的能带结构如图所示， 价带为满带 导带为空带 导带和价带之间存在一定宽度的禁带，其 中不允许电子占据
在固体受到光辐射时，如果辐射光子的 能量太小，不足以使电子由价带跃迁至导 带，那么晶体就不被激发，也不会发生对 光的吸收。
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导带 能隙 （禁带）
光介质材料：用以输送光线的材料，以折射、反射和透射方式，改变光 线的方向、强度和位相，使光线按预定的要求传输，也可以吸收或透过 一定波长的光线而改变光线的光谱成分。
光功能材料：在电、声、热、磁、压力等外场作用下，其光学性质能发 生变化或在光的作用下其结构和性能能发生变化的材料。
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1.发光材料
发光：一般用来描述某些固体材料由于吸 收能量而随之发生的发射光现象。是一种 物体把吸收的能量不经过热的阶段，直接 转换为特征辐射的现象。
发光机理：单分子过程、双分子过程
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单分子过程发光
发光中心受激后，电子从基态G跃迁到高能级A，吸 收外界能量；
当电子由Ａ回到Ｇ态时对外辐射光子，即发光。 若受激发电子不受外界因素影响，只决定于内部电
场，则称为自发发光； 若受激发电子只有在外界因素影响下才发光，则称
为受迫发光(受激发光)。
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受迫发光
特征：发射过程分为两个阶段(如图)。 受激电子M G; 且M上的电子也不是直接有Ｇ上跃迁而来，而是先由G跃迁 到Ａ，再到Ｍ。即： G 1 A 2 M（亚稳态）
这种与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收 或固有吸收。
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缺陷存在时晶体的光吸收
晶体的缺陷有本征的，如间隙原子和空位，也有非本 征的，如杂质等。
这些缺陷的能级定域在价带和导带 之间的能隙之中。当材料受到光照时， 受主缺陷能级接受价带迁移来的电子， 而施主能级上的电子可以向导带迁移， 这样就使原本不能发生基础吸收的物质 由于缺陷存在而发生光吸收，因此呈现 一定的颜色。