五、無機(jī)材料的光學(xué)性能

1、化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能1第五章第五章 無機(jī)材料的光學(xué)性能無機(jī)材料的光學(xué)性能 目的和要求：初步掌握固體對光的反射和吸收，目的和要求：初步掌握固體對光的反射和吸收，晶體在光作用下的發(fā)光、光導(dǎo)電、光生電動勢等晶體在光作用下的發(fā)光、光導(dǎo)電、光生電動勢等現(xiàn)象。初步了解光材料顏色的關(guān)系。了解晶現(xiàn)象。初步了解光材料顏色的關(guān)系。了解晶體缺陷對光吸收的影響。掌握半導(dǎo)體材料的光學(xué)體缺陷對光吸收的影響。掌握半導(dǎo)體材料的光學(xué)性能及應(yīng)用。初步了解熒光、激光現(xiàn)象。性能及應(yīng)用。初步了解熒光、激光現(xiàn)象。教學(xué)難點(diǎn)、重點(diǎn)：半導(dǎo)體材料的光學(xué)性能。教學(xué)難點(diǎn)、重點(diǎn)：半導(dǎo)體材料的光學(xué)性能。第一

2、節(jié)第一節(jié) 固體的光吸收固體的光吸收第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)第三節(jié)第三節(jié) 晶體的發(fā)光晶體的發(fā)光化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能2 引言：光的基本特性引言：光的基本特性 光傳播的基本性質(zhì)光傳播的基本性質(zhì) 光的波粒二象性光的波粒二象性 光的頻率、波長和輻射能都是由光子源光的頻率、波長和輻射能都是由光子源決定的決定的. 光的干涉和衍射光的干涉和衍射 光的波動性主要表現(xiàn)在它有干涉、衍射光的波動性主要表現(xiàn)在它有干涉、衍射及偏振等特性。及偏振等特性。 第一節(jié)第一節(jié) 固體的光吸收固體的光吸收化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料

3、結(jié)構(gòu)與性能3一、一、 電磁輻射及其與原子的相互作用電磁輻射及其與原子的相互作用 Interactions of electromagnetic radiation and atoms1、光和物質(zhì)的相互作用光和物質(zhì)的相互作用取決于物質(zhì)取決于物質(zhì)電磁性質(zhì)電磁性質(zhì)的的 基本參數(shù)。電導(dǎo)率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率基本參數(shù)。電導(dǎo)率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率r r介質(zhì)的介電常數(shù)；介質(zhì)的介電常數(shù)；r r介質(zhì)的磁導(dǎo)率；介質(zhì)的磁導(dǎo)率；c c電磁波在真空中的速電磁波在真空中的速度度c=3c=310108 8m/sm/s；0 0真空介電常數(shù)；真空介電常數(shù)；0 0真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率2、相互作用是由、相互作用是由電子躍遷和極化效應(yīng)電

4、子躍遷和極化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)的electron transitions and electronic polarizationvcn 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能43、光子能量光子能量 energy E of a photon Ehch6.62610-34J.s 最小的能量單元最小的能量單元“光子光子”，電，電磁場是由許多光子組成。磁場是由許多光子組成。化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能5化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能6原子的光吸收與發(fā)射原子的光吸收與發(fā)射化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院

5、化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能7固體材料的光學(xué)性質(zhì)，取決于固體材料的光學(xué)性質(zhì)，取決于電磁波與電磁波與材料表面、近表面材料表面、近表面以及材料內(nèi)部的以及材料內(nèi)部的電子、原子、缺陷電子、原子、缺陷之間的相互作用之間的相互作用自由原子的能級自由原子的能級化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能8光和固體的相互作用光和固體的相互作用光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)：光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)： 透射（透射（transmissiontransmission）、吸收（）、吸收（absorptionabsorption）、反射）、反射（reflectionreflection）、散射

6、（）、散射（scatteringscattering） 根據(jù)能量守恒：根據(jù)能量守恒： 或或光與固體相互作用的本質(zhì)有兩種方式光與固體相互作用的本質(zhì)有兩種方式 電子極化電子極化 電子能態(tài)轉(zhuǎn)變電子能態(tài)轉(zhuǎn)變從微觀上分析從微觀上分析 ，其實(shí)就是光子與固體材料中的原子、離，其實(shí)就是光子與固體材料中的原子、離子、電子之間的相互作用子、電子之間的相互作用SRAT01SRAT化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能9固體的光吸收固體的光吸收化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能10二、吸收、反射和透射的關(guān)系二、吸收、反射和透射的關(guān)系化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化

7、學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能11 1、光的吸收、光的吸收( photon absorption)（1）光吸收的一般規(guī)律）光吸收的一般規(guī)律朗伯特定律朗伯特定律(Lambert) II0exAbsorbed intensity空氣空氣: 10-5cm-1玻璃玻璃: 10-2cm-1金屬金屬: 則達(dá)幾萬到則達(dá)幾萬到 幾十萬幾十萬 -吸收系數(shù)吸收系數(shù)Absorption coefficient化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能12 （2）光吸收與光波長光吸收與光波長 radiation absorption and wave length在可見光區(qū)：在可見光

8、區(qū)：金屬和半導(dǎo)體金屬和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)很大不透明；的吸收系數(shù)很大不透明； 電介質(zhì)電介質(zhì)材料吸收系數(shù)小透明。材料吸收系數(shù)小透明。在紫外吸收端：在紫外吸收端：禁帶寬度禁帶寬度大的材料，紫外吸收端的波長較小大的材料，紫外吸收端的波長較小 在紅外區(qū)：在紅外區(qū)：離子離子的彈性振動與光子輻射發(fā)生的彈性振動與光子輻射發(fā)生諧振諧振消耗能量所致消耗能量所致 選擇吸收選擇吸收均勻吸收均勻吸收 = hc/Eg化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能132 2、反射定律和折射定律、反射定律和折射定律折射定律折射定律 折射線位于入射面內(nèi)，并和折射線位于入射面內(nèi)，并和入射線分別處在法線的兩側(cè)入射

9、線分別處在法線的兩側(cè)對單色光：對單色光：sinsin1 1/sin/sin2 2=n=n2121，第二介質(zhì)相對第一介質(zhì)的相第二介質(zhì)相對第一介質(zhì)的相對折射率對折射率第一介質(zhì)是真空時(shí)：第一介質(zhì)是真空時(shí)：sinsin1 1/sin/sin2 2=n=n2 2（第二介質(zhì)（第二介質(zhì)的絕對折射率，折射率）的絕對折射率，折射率）因?yàn)橐驗(yàn)閚 n2121=n=n2 2/n/n1 1： 故：故：n n1 1sinsin1 1=n=n2 2sinsin2 2介質(zhì)的折射率永遠(yuǎn)大于介質(zhì)的折射率永遠(yuǎn)大于1 1反射定律反射定律 反射線和入射線位于同反射線和入射線位于同一平面（入射面）內(nèi)，一平面（入射面）內(nèi)，并分別處在法線的

10、兩側(cè)并分別處在法線的兩側(cè) 反射角等于入射角反射角等于入射角化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能14光的反射光的反射(reflection)不同折射率的界面不同折射率的界面上。上。鏡鏡反射、反射、漫漫反射反射吸收吸收-發(fā)射發(fā)射折射折射(refraction index)n21=sini/sinr mnnWW2212111 m :反射系數(shù)反射系數(shù) R:反射率反射率（1-m）：）：透射系數(shù)透射系數(shù) 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能15光的全反射光的全反射 全反射：當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射全反射：當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入

11、射角大于臨界角時(shí)，光線被角大于臨界角時(shí)，光線被100%100%反射的現(xiàn)象。此時(shí)反射的現(xiàn)象。此時(shí)不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質(zhì)中。質(zhì)中。 臨界角：臨界角： 光纖導(dǎo)光原理：全反射光纖導(dǎo)光原理：全反射12sinnnc化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能165 5 75m75m摻雜了的摻雜了的SiOSiO2 2 總直徑為總直徑為100 100 200m,200m,折射率稍小于纖折射率稍小于纖芯的摻雜了的芯的摻雜了的SiOSiO2 2硅銅或丙烯酸鹽，硅銅或丙烯酸鹽，隔離雜光隔離雜光尼龍或有機(jī)材料，尼龍或有機(jī)材料，增加強(qiáng)

12、度，保護(hù)光纖增加強(qiáng)度，保護(hù)光纖光纖結(jié)構(gòu)示意圖光纖結(jié)構(gòu)示意圖化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能17 折射指數(shù)折射指數(shù) Refraction Index 折射來源于光線通過透明材料時(shí)，由于介質(zhì)的電子極化使得折射來源于光線通過透明材料時(shí)，由于介質(zhì)的電子極化使得光速降低，光線在界面彎曲的現(xiàn)象。光速降低，光線在界面彎曲的現(xiàn)象。 折射指數(shù)的大小與介質(zhì)的性質(zhì)（原子或離子的尺寸、介折射指數(shù)的大小與介質(zhì)的性質(zhì)（原子或離子的尺寸、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等）和波長相關(guān)電常數(shù)、磁導(dǎo)率等）和波長相關(guān)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能18各種材料在室溫對可見光的各

13、種材料在室溫對可見光的折射率折射率物質(zhì)物質(zhì)n（折射率）（折射率）空氣空氣Al2O3 CaF2Cl2（氣體）（氣體）Cl2（液體）（液體）金剛石金剛石H2O（水）（水）H2O（冰）（冰）聚四氟乙烯聚四氟乙烯醋酸纖維素醋酸纖維素聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯聚丙烯酚醛樹脂酚醛樹脂環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂低密度聚乙烯低密度聚乙烯聚碳酸酯聚碳酸酯1.0002771.63-1.681.431.0007681.3852.4171.331.301.351.48-1.501.491.491.50-1.701.5-1.61.511.59玻璃（重燧石）玻璃（重燧石）玻璃（鋅牌）玻璃（鋅牌）KClKFNaCl石英石

14、英熔融石英熔融石英SrO聚丙烯腈聚丙烯腈天然橡膠天然橡膠聚酰胺聚酰胺高密度聚乙烯高密度聚乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯氯丁橡膠氯丁橡膠聚苯乙烯聚苯乙烯1.651.521.491.361.541.541.471.871.511.521.53-1.551.541.54-1.561.551.59物質(zhì)物質(zhì)n（折射率）（折射率）化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能19雙折射雙折射 birefringence /Double refraction 雙折射現(xiàn)象，雙折射現(xiàn)象，光學(xué)光學(xué)現(xiàn)象的一種，可以用光的橫波性質(zhì)來現(xiàn)象的一種，可以用光的橫波性質(zhì)來解釋。當(dāng)光照射到解釋。當(dāng)光照射到各向異性晶體

15、各向異性晶體（單軸晶體，如（單軸晶體，如方解石方解石、石英石英、紅寶石紅寶石等）時(shí)，發(fā)生兩個(gè)不同方向的折射；其中等）時(shí)，發(fā)生兩個(gè)不同方向的折射；其中一個(gè)遵守一個(gè)遵守折射定律折射定律的稱為的稱為o光（光（ordinary ray、尋常、尋常光），另一束不遵從折射定律的稱為光），另一束不遵從折射定律的稱為e光光（extraordinary ray、非常光），這兩束光都是、非常光），這兩束光都是偏振光偏振光。光線從一個(gè)特殊的角度射入晶體是不會發(fā)生雙折射現(xiàn)象，光線從一個(gè)特殊的角度射入晶體是不會發(fā)生雙折射現(xiàn)象，這一角度稱為晶體的光軸。這一角度稱為晶體的光軸。 應(yīng)該注意，應(yīng)該注意，光軸僅標(biāo)志一定的方向，并

16、不限于某一特殊光軸僅標(biāo)志一定的方向，并不限于某一特殊的直線的直線?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能20 光線進(jìn)入光學(xué)各向異性媒質(zhì)光線進(jìn)入光學(xué)各向異性媒質(zhì)( (如方解石如方解石) )后產(chǎn)生兩條折射后產(chǎn)生兩條折射光線的現(xiàn)象，稱為光線的現(xiàn)象，稱為。天然的方解石晶體天然的方解石晶體是雙折射晶體是雙折射晶體A AB B化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能21象象折射現(xiàn)折射現(xiàn)o光光方解石晶體方解石晶體CaCO3雙雙e光光紙面紙面折射現(xiàn)折射現(xiàn)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能22只有一個(gè)光軸的晶體，稱為單軸晶體只

17、有一個(gè)光軸的晶體，稱為單軸晶體，如方解石、石英、紅，如方解石、石英、紅寶石等。寶石等。有兩個(gè)光軸的晶體稱為雙軸晶體有兩個(gè)光軸的晶體稱為雙軸晶體，如云母、硫磺、，如云母、硫磺、藍(lán)寶石等。藍(lán)寶石等。氯化鈉屬于立方晶系的晶體，各向同性，不產(chǎn)生折射氯化鈉屬于立方晶系的晶體，各向同性，不產(chǎn)生折射 。在在光軸光軸方向上，方向上，o o光和光和e e光的傳播速度相同。光的傳播速度相同。沿光軸方向入射的光束，通過晶體不分為兩束光，仍沿沿光軸方向入射的光束，通過晶體不分為兩束光，仍沿入射方向行進(jìn)。它是一個(gè)特征方向。入射方向行進(jìn)。它是一個(gè)特征方向?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能

18、23 3、光的透射光的透射(transmission) 透射率：透射率：T（1R）2el 透射率透射率T(transmissivity)、反射率、反射率R(reflectivity)、吸收率吸收率A(absorptivity) 三者之和為三者之和為1. A+T+R=1II0exR=(n-1)2/(n+1)2化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能24The variation with wavelength of the fractions of incident light transmitted, absorbed, and reflected through a

19、 green glass. 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能254 4、光散射現(xiàn)象、光散射現(xiàn)象1 1）當(dāng)光束通過均勻的透明介質(zhì)時(shí)，從側(cè)面是難以看）當(dāng)光束通過均勻的透明介質(zhì)時(shí)，從側(cè)面是難以看到光的。但當(dāng)光束通過不均勻的透明介質(zhì)時(shí)，則到光的。但當(dāng)光束通過不均勻的透明介質(zhì)時(shí)，則從各個(gè)方向都可以看到光，這是介質(zhì)中的不均勻從各個(gè)方向都可以看到光，這是介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為性使光線朝四面八方散射的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為光的散射光的散射2 2）例如，當(dāng)一束太陽光從窗外射進(jìn)室內(nèi)時(shí)，我們從）例如，當(dāng)一束太陽光從窗外射進(jìn)室內(nèi)時(shí)，我們從側(cè)面可以看到光線

20、的徑跡，就是因?yàn)樘柟獗豢諅?cè)面可以看到光線的徑跡，就是因?yàn)樘柟獗豢諝庵械幕覊m散射的緣故氣中的灰塵散射的緣故化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能264.1 4.1 光散射分類光散射分類根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，分根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射為彈性散射與非彈性散射 彈性散射：彈性散射：散射前后光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化，散射前后光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化，只改變方向的散射只改變方向的散射 非彈性散射：非彈性散射：當(dāng)光通過介質(zhì)時(shí)，從側(cè)向接受到的散射光主要當(dāng)光通過介質(zhì)時(shí)，從側(cè)向接受到的散射光主要是波長

21、（或頻率）不發(fā)生變化的瑞利散射光，屬于彈性散射。是波長（或頻率）不發(fā)生變化的瑞利散射光，屬于彈性散射。當(dāng)使用高靈敏度和高分辨率的光譜儀，可以發(fā)現(xiàn)散射光中還當(dāng)使用高靈敏度和高分辨率的光譜儀，可以發(fā)現(xiàn)散射光中還有其它光譜成分，它們在頻率坐標(biāo)上對稱地分布在彈性散射有其它光譜成分，它們在頻率坐標(biāo)上對稱地分布在彈性散射光的低頻和高頻側(cè)，強(qiáng)度一般比彈性散射微弱得多。這些頻光的低頻和高頻側(cè)，強(qiáng)度一般比彈性散射微弱得多。這些頻率發(fā)生改變的光散射是入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)率發(fā)生改變的光散射是入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)果，稱為非彈性散射果，稱為非彈性散射.化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工

22、學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能274.2 4.2 光的彈性散射光的彈性散射一、彈性散射分類一、彈性散射分類彈性散射結(jié)果彈性散射結(jié)果光子被彈射到不同的方向（方向改變）光子被彈射到不同的方向（方向改變）光子的能量沒有變化光子的能量沒有變化散射光強(qiáng)度和波長及散射中心尺度的關(guān)系散射光強(qiáng)度和波長及散射中心尺度的關(guān)系參量參量與散射中心尺度與散射中心尺度a a0 0有關(guān)，可分三種情況有關(guān)，可分三種情況 sI化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能28Tyndall Scattering）化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能29當(dāng)a0與相近時(shí)，04即散射中心的尺

23、度與光波波長可以比擬時(shí)， 在04之間,具體取值與散射中心有關(guān)米氏散射性質(zhì)比較復(fù)雜化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能303. 瑞利散射瑞利散射(Rayleigh 當(dāng)當(dāng)a0時(shí)，時(shí)，=4 ，即當(dāng)散射中心，即當(dāng)散射中心的線度遠(yuǎn)小于入射光的波長時(shí)，的線度遠(yuǎn)小于入射光的波長時(shí)，散射強(qiáng)度與波長的散射強(qiáng)度與波長的4次方成反比次方成反比 通常我們把線度小于光的波長的通常我們把線度小于光的波長的微粒對入射光的散射，稱為瑞利微粒對入射光的散射，稱為瑞利散射散射 瑞利散射不改變原入射光的頻率瑞利散射不改變原入射光的頻率 瑞利散射強(qiáng)度與波長的關(guān)系瑞利散射強(qiáng)度與波長的關(guān)系4sI化學(xué)化工學(xué)院

24、化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能31二、非彈性散射分類二、非彈性散射分類*1. 拉曼散射拉曼散射 （Raman）1 1）是分子或點(diǎn)陣振動的光學(xué)）是分子或點(diǎn)陣振動的光學(xué)聲子（即光學(xué)模）對光波聲子（即光學(xué)模）對光波的散射的散射2 2）在光譜圖上距離瑞利線較）在光譜圖上距離瑞利線較遠(yuǎn)，它們與瑞利線的頻差遠(yuǎn)，它們與瑞利線的頻差可因散射介質(zhì)能級結(jié)構(gòu)不可因散射介質(zhì)能級結(jié)構(gòu)不同而在同而在10100 0 10104 4之間變化之間變化散射光譜示意圖散射光譜示意圖化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能322. 布里淵散射布里淵散射 （Brillouin scat

25、tering） 是點(diǎn)陣振動引起的密度起伏或超聲波對光波的非是點(diǎn)陣振動引起的密度起伏或超聲波對光波的非彈性散射，即點(diǎn)陣振動的聲學(xué)聲子（即聲學(xué)模）彈性散射，即點(diǎn)陣振動的聲學(xué)聲子（即聲學(xué)模）與光波之間的能量交換結(jié)果與光波之間的能量交換結(jié)果 由于聲學(xué)聲子的能量低于光學(xué)聲子，所以布里淵由于聲學(xué)聲子的能量低于光學(xué)聲子，所以布里淵散射的頻移比拉曼散射小，在光譜圖上它們緊靠散射的頻移比拉曼散射小，在光譜圖上它們緊靠在瑞利線旁，只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀在瑞利線旁，只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀才能分辨出來才能分辨出來化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能33三、各類無機(jī)材料的基

26、本光學(xué)性質(zhì)三、各類無機(jī)材料的基本光學(xué)性質(zhì) 1。金屬的光吸收與發(fā)射。金屬的光吸收與發(fā)射 2。無機(jī)非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)。無機(jī)非金屬材料的光學(xué)性質(zhì) a.非金屬固體的光吸收與發(fā)射非金屬固體的光吸收與發(fā)射 b.離子晶體的吸收光譜離子晶體的吸收光譜 c.摻雜的固體的光吸收與發(fā)射摻雜的固體的光吸收與發(fā)射化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能34FIGURE (a) Schematic representation of the mechanism of photon absorption for metallic materials in which an electron is

27、 excited into a high erenergy unoccupied state. The change in energy of the electron E is equal to the energy of the photon. (b) Reemission of a photon of light by the direct transition of an electron from a high to a low energy state.1 金屬的光吸收與發(fā)射金屬的光吸收與發(fā)射化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能35Optical Pr

28、operties of MetalsSome possible electronic transitions in a half-filled band of a metal化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能36化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能37 （1）各種）各種入射輻射被吸收入射輻射被吸收 金屬導(dǎo)帶中已填充的能級上方有許多空的電子金屬導(dǎo)帶中已填充的能級上方有許多空的電子能態(tài)能態(tài)頻率分布范圍很寬的各種入射輻射都可頻率分布范圍很寬的各種入射輻射都可以激發(fā)電子到能量較高的未填充態(tài)從而被吸收；以激發(fā)電子到能量較高的未填充態(tài)從而被吸收

29、；（2）金屬的反射，是由）金屬的反射，是由吸收再反射吸收再反射綜合造成的綜合造成的 反射率具有頻率依賴性反射率具有頻率依賴性 對于紅外輻射則透明對于紅外輻射則透明金屬金屬材料的光學(xué)性質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能38 金屬材料的不透明性和高反射率表明。金屬材料的不透明性和高反射率表明。值和值和R值很值很大。這是由于金屬導(dǎo)帶中己填充的能級的上方緊接大。這是由于金屬導(dǎo)帶中己填充的能級的上方緊接著就有許多空著的電子能態(tài)。換句話說，頻率分布著就有許多空著的電子能態(tài)。換句話說，頻率分布范圍很寬的各種入射光都可以激發(fā)電子到能量較高范圍很寬的各種入射光都可

30、以激發(fā)電子到能量較高的未填充態(tài)從而被吸收。結(jié)果是光線射進(jìn)金屬材的未填充態(tài)從而被吸收。結(jié)果是光線射進(jìn)金屬材料表面不深就可被完全吸收只有非常薄的金屬膜料表面不深就可被完全吸收只有非常薄的金屬膜(0.1m)才顯得有些透明。才顯得有些透明。 電子一旦被激發(fā)后，又會衰減到較低的能級，從而電子一旦被激發(fā)后，又會衰減到較低的能級，從而在金屬表面發(fā)生光線的再發(fā)射。金屬的反射就是吸在金屬表面發(fā)生光線的再發(fā)射。金屬的反射就是吸收和再發(fā)射綜合造成的。反射過程的效率與入射線收和再發(fā)射綜合造成的。反射過程的效率與入射線的頻率有關(guān)。金屬在白色光線下所顯示的顏色，就的頻率有關(guān)。金屬在白色光線下所顯示的顏色，就是來源于反射率

31、的頻率依賴性。是來源于反射率的頻率依賴性?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能39 金屬銀在整個(gè)可見光范圍的反射牢都很高，結(jié)果其顏色金屬銀在整個(gè)可見光范圍的反射牢都很高，結(jié)果其顏色是以白色為特征，并具有明亮的光澤。銀白色表明再發(fā)射是以白色為特征，并具有明亮的光澤。銀白色表明再發(fā)射光子在頻率分布范圍上與入射光子大致相同，并且在數(shù)目光子在頻率分布范圍上與入射光子大致相同，并且在數(shù)目上可以與入射光子相比。此外，金屬實(shí)際上是吸收和發(fā)射上可以與入射光子相比。此外，金屬實(shí)際上是吸收和發(fā)射連續(xù)的頻率，這不同于原子的吸收和發(fā)射分立的頻率，因連續(xù)的頻率，這不同于原子的吸收和發(fā)射分立

32、的頻率，因?yàn)榻饘賹?dǎo)帶中的能級幾乎是連續(xù)變化的。當(dāng)然由于被激為金屬導(dǎo)帶中的能級幾乎是連續(xù)變化的。當(dāng)然由于被激發(fā)的電子在金屬中受到碰撞而產(chǎn)生聲子，并由于電子極化，發(fā)的電子在金屬中受到碰撞而產(chǎn)生聲子，并由于電子極化，光線強(qiáng)度會損失一些。其他各種金屬如銅、金、鐵、鎳、光線強(qiáng)度會損失一些。其他各種金屬如銅、金、鐵、鎳、鎢等鎢等)對光的吸收和反射情況均有差別，因而顯示的顏色也對光的吸收和反射情況均有差別，因而顯示的顏色也不同。大多數(shù)金屬對紅外光都有很高的反射率，而許多非不同。大多數(shù)金屬對紅外光都有很高的反射率，而許多非金屬材料對于紅外輻射則表現(xiàn)為透明。金屬材料對于紅外輻射則表現(xiàn)為透明?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工

33、學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能402 無機(jī)非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)無機(jī)非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)（1）對紅外線有一定程度的吸收離子振動）對紅外線有一定程度的吸收離子振動（2）吸收可見輻射，且不透明（半導(dǎo)體）吸收可見輻射，且不透明（半導(dǎo)體Eg3eV）（3）絕緣體傾向于對可見輻射透明）絕緣體傾向于對可見輻射透明 Eg大大（4）漫透射）漫透射由多次內(nèi)反射造成由多次內(nèi)反射造成（5）加工過程中留下孔洞而不透明）加工過程中留下孔洞而不透明 1% 陶瓷陶瓷氯化鈉薄氯化鈉薄膜對紅外膜對紅外輻射的吸輻射的吸收收化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能41離子晶體在可見光范圍內(nèi)的吸

34、收是由于晶體中的雜質(zhì)缺陷或離子晶體在可見光范圍內(nèi)的吸收是由于晶體中的雜質(zhì)缺陷或本征缺陷所產(chǎn)生的。本征缺陷所產(chǎn)生的。a.非金屬固體的光吸收與發(fā)射非金屬固體的光吸收與發(fā)射化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能42b.離子晶體的吸收光譜離子晶體的吸收光譜化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能43Figure (a) Photon absorption via a valence band-conduction band electron excitation for a material that has an impurity level t

35、hat lies within the band gap. (b) Emission of two photons involving electron decay first into an impurity state, and finally into the ground state. (c) Generation of both a phonon and a photon as an excited electron falls first into an impurity level and finally back to its ground state.c.摻雜的固體的光吸收與

36、發(fā)射摻雜的固體的光吸收與發(fā)射化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能44化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能45化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能46Band Gap Energy and Color.Bandgap energy (eV)Color thatcorresponds toband gap energyApparent colorof material(unabsorbed light)4321redyellowgreenbluevioletcolorlessblackyelloworange

37、ultravioletinfraredred化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能47在在Al2O3中，由中，由Ti3替換少量替換少量Al3，則是藍(lán)寶石呈現(xiàn)淺藍(lán)，則是藍(lán)寶石呈現(xiàn)淺藍(lán)色的原因；而由色的原因；而由Cr3替換少量替換少量Al3，則產(chǎn)生作為紅寶石，則產(chǎn)生作為紅寶石特征的紅色。特征的紅色?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能48化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能493、堿金屬鹵化物晶體的色中心堿金屬鹵化物晶體的色中心（色心）（色心） 當(dāng)氯化鈉在鈉蒸氣中加熱再冷卻后，就會帶上黃色。這種當(dāng)氯化鈉在鈉蒸氣

38、中加熱再冷卻后，就會帶上黃色。這種現(xiàn)象是由于現(xiàn)象是由于Na原子沉積在原子沉積在NaCl表面并迅速電離而吸引表面并迅速電離而吸引Cl-，結(jié)果在表面產(chǎn)生陰離子空位并向晶體內(nèi)部擴(kuò)散。這樣就得結(jié)果在表面產(chǎn)生陰離子空位并向晶體內(nèi)部擴(kuò)散。這樣就得到偏離化學(xué)計(jì)量的氯化鈉到偏離化學(xué)計(jì)量的氯化鈉(具有過多的具有過多的Na離子，并具有過離子，并具有過多的陰離子空位多的陰離子空位)。這樣的氯化鈉仍然保持著電中性，因。這樣的氯化鈉仍然保持著電中性，因?yàn)闉镹a原子電離時(shí)所釋放的電子還保留在晶體內(nèi)。陰離子原子電離時(shí)所釋放的電子還保留在晶體內(nèi)。陰離子空位附近的電荷分布使其成為俘獲過剩電子的有利位置，空位附近的電荷分布使其成

39、為俘獲過剩電子的有利位置，它可以俘獲一個(gè)過剩電子。被俘獲的電子獨(dú)自具有一組可它可以俘獲一個(gè)過剩電子。被俘獲的電子獨(dú)自具有一組可能的能級，其基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能量差相應(yīng)于可見光區(qū)能的能級，其基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能量差相應(yīng)于可見光區(qū)域中藍(lán)綠光線這部分的頻率。所以普通白光中的域中藍(lán)綠光線這部分的頻率。所以普通白光中的藍(lán)綠藍(lán)綠部分部分被大量吸收從而使富含被大量吸收從而使富含Na離子的氯化鈉帶黃色。離子的氯化鈉帶黃色?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能50 陰離子空位和束縛電子，被稱為陰離子空位和束縛電子，被稱為“F心心”（Farbe，德文意思為，德文意思為“顏色顏色”）。

40、）。 若將氯化鈉置于氯氣中加熱時(shí)，所產(chǎn)生的若將氯化鈉置于氯氣中加熱時(shí)，所產(chǎn)生的情況則與上述相反，這時(shí)得到的是情況則與上述相反，這時(shí)得到的是陽離子陽離子空位這類缺陷稱為空位這類缺陷稱為“V心心”，這類陽離子，這類陽離子空位缺陷也會使氯化鈉帶色。空位缺陷也會使氯化鈉帶色?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能51各種堿金屬氯化物的各種堿金屬氯化物的F色心的吸收色心的吸收化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能52 F色中心的吸收表現(xiàn)為晶體的特征，并不表現(xiàn)所色中心的吸收表現(xiàn)為晶體的特征，并不表現(xiàn)所用堿金屬蒸氣的特征，其證明是；用堿金屬蒸氣的特征，

41、其證明是；KCl晶體不論晶體不論是在鉀蒸氣中還是在鈉蒸氣中加熱，經(jīng)過處理后是在鉀蒸氣中還是在鈉蒸氣中加熱，經(jīng)過處理后的晶體的吸收譜帶的波長幾乎完全相同。的晶體的吸收譜帶的波長幾乎完全相同。 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能53 （1）產(chǎn)生色心的機(jī)理）產(chǎn)生色心的機(jī)理 F心VX +eVeV.VAKCl(s)V.AV.AKCl(s)氣)A(ClClClKClKClK化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能54V心VM +h VVVXAgCl(s)VXXVAgCl(s) 氣)(1/2XAgAgCl2hAgClAgClAg化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)

42、院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能55化合物化合物氟化物氟化物 氯化物氯化物溴化物溴化物 max顏色顏色 max顏色顏色 max顏色顏色Li224/388黃綠黃綠459橙色橙色Na344/459橙色橙色539紫紅紫紅K459橙色橙色563紫色紫色620藍(lán)綠藍(lán)綠Rb620藍(lán)綠藍(lán)綠689藍(lán)綠藍(lán)綠（2）AX色心的光譜數(shù)據(jù)色心的光譜數(shù)據(jù)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能56（3）色心的類型（缺陷的締合）色心的類型（缺陷的締合）色心名稱色心名稱 形成形成符號符號 中心中心陰離子空位陰離子空位VX F中心中心陰離子空位締合電子陰離子空位締合電子VX +eF中心中心

43、F中心中心締合電子締合電子VX +2eV1中心中心陽離子空位締合空穴陽離子空位締合空穴VM +h V2中心中心相鄰的兩個(gè)陽離子空位締合兩相鄰的兩個(gè)陽離子空位締合兩個(gè)空穴個(gè)空穴2VM +2h FA中心中心雜質(zhì)陽離子雜質(zhì)陽離子A締合陰離子空位締合陰離子空位VX +AB 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能57 離子晶體中形成的色中心，都是由存在于晶體中的某些離子晶體中形成的色中心，都是由存在于晶體中的某些缺陷或缺陷的締合所構(gòu)成的。當(dāng)入射光與這些色中心發(fā)缺陷或缺陷的締合所構(gòu)成的。當(dāng)入射光與這些色中心發(fā)生作用時(shí)，可能產(chǎn)生光的吸收和發(fā)射。生作用時(shí)，可能產(chǎn)生光的吸收和發(fā)射。各

44、種色中心各種色中心的示意圖的示意圖化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能58 各種色中心在一定條件下也可以互相轉(zhuǎn)化。各種色中心在一定條件下也可以互相轉(zhuǎn)化。 例如，用相當(dāng)于例如，用相當(dāng)于F色中心吸收波長的光照射晶體，晶體色中心吸收波長的光照射晶體，晶體顯示光電導(dǎo)，但當(dāng)降低溫度時(shí)，顯示光電導(dǎo)，但當(dāng)降低溫度時(shí)，F(xiàn)帶吸收變?nèi)酰梢詭兆內(nèi)?，而可以觀察到觀察到F色中心和色中心和色中心的吸收。這是由于原來束縛色中心的吸收。這是由于原來束縛在在F色中心的電子通過導(dǎo)帶，被別的色中心的電子通過導(dǎo)帶，被別的F色中心所捕獲，色中心所捕獲，形成了形成了F色中心，而原來的色中心，而原來的F色中心變成了一個(gè)無電子色中心變成了一個(gè)無電子的負(fù)離子空位的負(fù)離子空位(即即a色中心色中心)這樣，消失了兩個(gè)這樣，消失了兩個(gè)F色中心，色中心，生成了一個(gè)生成了一個(gè)F色中心和一個(gè)色中心和一個(gè)a色中心，色中心，aFF升溫低溫，光照2化學(xué)化工學(xué)