功能材料-光學理論-

1、 功能材料-光學理論天津大學材料學院 杜希文第五節(jié) 光性能5.1 概論5.2 光吸收與透射5.3光發(fā)射5.4光電效應（1）光電導效應（2）光生伏特效應（3）光電發(fā)射效應光的本質：電磁波 電磁波譜電磁波譜光的本質：電磁波 n波動方程：AA0cos(-t)n波粒二相性：n用電子伏特表示1 eV=1.6 X 10-19 CeVnm)(1240)eV(106 . 1m/s103J/s1062. 6E19834)C(m/s103J/s1062. 6hchE834SRT 12/W m透射系數(shù)：透射系數(shù)：吸收系數(shù)：吸收系數(shù)：反射系數(shù)：反射系數(shù)：散射系數(shù)：散射系數(shù)：光和固體的相互作用光和固體的相互作用1. 宏

2、觀現(xiàn)象宏觀現(xiàn)象SRAT 00/TT 0/A 0/RR 0/S 0RSTA ST R鏡面反射鏡面反射慢反射慢反射多重散射多重散射2. 微觀機制微觀機制 從量子力學看，電磁波的吸收和發(fā)射包含電子從一種量子能態(tài)轉變到另一種量子能態(tài)的過程； 吸光吸光：材料的原子吸收了光子的能量之后可將較低能級上的電子激發(fā)到較高能級上去，電子發(fā)生的能級變化E與電磁波頻率有關： E=h。 發(fā)光發(fā)光：受激電子不可能無限長時間保持。在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個短時期后，它又會衰變回基態(tài)，同時發(fā)射出電磁波。第五節(jié) 光性能5.1 概論5.2 光吸收與透射5.3光發(fā)射5.4光電效應（1）光電導效應（2）光生伏特效應（3）光電發(fā)射效應 現(xiàn)象

3、：光在材料中傳播時，其強度呈指數(shù)衰減 。0 xII e空氣的空氣的 ，玻璃的，玻璃的 ，而金屬的，而金屬的 = 5110 cm2110 cm4110 cm數(shù)量級以上，因此數(shù)量級以上，因此金屬對可見光是不透明的金屬對可見光是不透明的。宏觀唯象模型宏觀唯象模型朗伯特定律：朗伯特定律：-介質對光的吸收系數(shù)吸收系數(shù)xI0I0s xII e布格定律布格定律光的吸收光的吸收固體材料的能帶固體材料的能帶半導體中的光吸收半導體中的光吸收n半導體材料通常能強烈地吸收光能，具有105cm-1的吸收系數(shù)。A.本征吸收價帶完全被電子占滿，導帶是空的，價帶內的電子是不可能被激發(fā)到更高的能級上（由于帶隙Eg)。唯一可能的

4、吸收是足夠能量的光子使電子激發(fā)，越過禁帶，而在價帶中留下一個空穴，形成電子空穴對。這種由于電子由帶與帶之間的躍遷所形成的吸收過程本征吸收本征吸收限波長公式本征吸收限波長公式：m24. 1g0EB. 直接躍遷和間接躍遷直接躍遷和間接躍遷電子吸收光子的躍遷過程必須滿足能量和動量守恒一般半導體吸收的光子其動量遠小于能帶中電子的動量hk，hk光子動量得到k，k說明電子吸收光子產生躍遷時波矢保持不變電子躍遷的選擇定則電子在躍遷過程中波矢保持不變 (在波矢k空間必須位于同一垂線上）直接躍遷電子不僅吸收光子同時還和晶格交換一定的振動能量即放出和吸收一個聲子能量關系式： h0Ep電子能量差E動量關系式：（hk

5、，hk）hq q 光子動量聲子的能量很小，可以忽略不計。同時略去光子動量得E h0Egk，kq q除了吸收光子能量外還與晶格交換能量間接躍遷研究本征吸收光譜研究本征吸收光譜Eg能帶結構能帶結構n對于Ge和Si間接帶隙半導體，光子的能量h0Eg，隨著光子能量的增加，吸收系數(shù)首先上升到一個平緩的區(qū)域，這對于間接躍遷；向更短波長發(fā)面，隨著hv增加，吸收系數(shù)再一次陡增，發(fā)生強烈的光吸收，表示直接躍遷的開始。n對于GaAs直接帶隙半導體，光子能量大于h0后，一開始就有強烈的吸收吸收，系數(shù)陡峻上升，反映出直接躍遷的過程。 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費米能空能態(tài)被電子占據(jù)的能態(tài)0000E能 量00費米能反射的光子a)b)圖圖6 金屬吸收光子后電子能態(tài)的變化金屬吸收光子后電子能態(tài)的變化1. 金屬材料的透過性金屬材料的透過性0光的透射光的透射2. 非金屬材料的透過性非金屬材料的透過性電子極化，電子極化，只有當光的頻率與電子極化頻率處在同一個數(shù)量級時，由此引起的吸收才變得比較重要；電子受激電子受激吸收光子而越過禁帶，或進入位于禁帶中的雜質或缺陷能級上而吸收光；只有當入射光子的能量與材料的某兩個能態(tài)之間的能量差值相等時，光量子才可能被吸收。同時，材料中的電子從較低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。 可見光中波長最短的是紫光，波長最長的是紅光：

7、 Eg1.8eV，非金屬材料不非金屬材料不吸收光子，透明吸收光子，透明。mingmaxminmaxgminmax0.4 m, E3.10.7 m, E1.8hCeVhCeV第五節(jié) 光性能5.1 概論5.2 光吸收與透射5.3光發(fā)射5.4光電效應（1）光電導效應（2）光生伏特效應（3）光電發(fā)射效應發(fā)光（光發(fā)射發(fā)光（光發(fā)射/光輻射光輻射） ：原子處于激發(fā)態(tài)的電：原子處于激發(fā)態(tài)的電子向基態(tài)躍遷，與空穴復合，并釋放光子的過程；子向基態(tài)躍遷，與空穴復合，并釋放光子的過程；1. 光的吸收和輻射光的吸收和輻射 E2E1 (a) 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 (b) 受激吸收受激吸收 (c) 受激輻射受激輻射 熱平衡狀態(tài)

8、熱平衡狀態(tài): (a) - (b), 受激輻射不起作用；受激輻射不起作用； 受激輻射產生的光子頻率、相位、偏振等幾乎與入射光子相同，從而受激輻射產生的光子頻率、相位、偏振等幾乎與入射光子相同，從而能夠與入射光形成強相干，當超過受激吸收時，就可能形成光放大；能夠與入射光形成強相干，當超過受激吸收時，就可能形成光放大； 要形成受激輻射放大，必須額外提供能量，使體系處于非平衡狀態(tài)要形成受激輻射放大，必須額外提供能量，使體系處于非平衡狀態(tài);自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射受激輻射（2）熱輻射熱輻射 （3）電致發(fā)光）電致發(fā)光 （4）光致發(fā)光）光致發(fā)光 （5）化學發(fā)光）化學發(fā)光 （6）同步輻射光源）同步輻射光源 （

9、7）激光光源）激光光源 （1）冷發(fā)光）冷發(fā)光 輻射分類輻射分類方向性、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 如果當激發(fā)除去后，在 內發(fā)出的光稱為熒光熒光，被激發(fā)的電子跳回價帶時發(fā)射光子；如果，外來激發(fā)停止后物體繼續(xù)發(fā)光稱為磷光磷光，持續(xù)時間 甚至更長。磷光的特點可用余輝時間余輝時間表征。810 s1（冷）發(fā)光（冷）發(fā)光 廣義地，除熱激發(fā)以外，自發(fā)輻射導致的發(fā)光都叫冷發(fā)光，包括電、光、化學等導致的光； 狹義地，這里指熒光和磷光。磷光體余輝時間磷光體余輝時間：I- I0/10所需要的時間810 s (b) 磷光材料磷光材料 (a) 熒光材料熒光材

10、料帶間自發(fā)輻射帶間自發(fā)輻射淺能級參與自發(fā)輻射淺能級參與自發(fā)輻射激活劑激活劑激活劑激活劑 =Ec - Ev = Eg = Ec - Ev +- E聲 = Eg K2 - k1 = k光 0 K2- k1 = k聲 + k光= k光（1）帶間輻射復合 直接躍遷直接躍遷和間接躍遷間接躍遷兩種。輻射復合方式輻射復合方式 ak/2 /2 k 1、效率高2、占多數(shù)，InSb，GaAs1、效率低2、占少數(shù)，GaP，AlAs;（2）淺能級和主帶之間的復合（摻雜）EdEcEaEvP型，淺受主N型，淺施主特點：hv 自發(fā)輻射。 激光（Laser amplification by stimulated emissi

11、on of radiation）,受激輻射光放大受激輻射光放大簡稱，單色性好、相干性強、方向性好的高能相干光束。 1916年，愛因斯坦發(fā)表關于輻射的量子理論； 1921年，赫爾發(fā)明微波磁控管； 19551955年，巴索夫等提出三能級微波固體激光器原理年，巴索夫等提出三能級微波固體激光器原理； 1957年，斯科韋爾等研制第一臺微波激光器模型； 19601960年，梅曼研制成功第一臺紅寶石激光器年，梅曼研制成功第一臺紅寶石激光器。4 激光激光 粒子數(shù)反轉：粒子數(shù)反轉：在通常情況下，因為熱力學的平衡態(tài)服從波爾茲曼分布律，使得處于基態(tài)（最低能級）的原子數(shù)遠遠多于處于激發(fā)態(tài)（較高能級）的原子數(shù)。為了形成

12、足夠的激發(fā)輻射，得到強相干的激光束，必須激發(fā)原子群體，使亞穩(wěn)態(tài)上的原子數(shù)目超過基態(tài)上的。該過程稱為粒子數(shù)反轉。 各種激發(fā)方式被形象化地稱為各種激發(fā)方式被形象化地稱為泵浦或抽運泵浦或抽運。為了使激光持續(xù)輸出，。為了使激光持續(xù)輸出，必須必須不斷地不斷地“泵浦泵浦”以補充高能級的粒子向下躍遷的消耗量。以補充高能級的粒子向下躍遷的消耗量。 例如，氦氖激光器中，通過氦原子的協(xié)助，使氖原子中的兩個能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉而獲得激光。亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)一一、能級結構能級結構1 12 23 3激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài) 基基 態(tài)態(tài)釹釔鋁石榴石釹釔鋁石榴石紅寶石紅寶石P167（a）示意圖）示意圖 (b) 實物圖實物圖冷卻管冷卻管二、激光

13、器工作原理二、激光器工作原理123456激光工作物質激光工作物質 產生、發(fā)射激光的物質，固體單晶，氣體等；通過摻雜控制亞穩(wěn)態(tài)產生、發(fā)射激光的物質，固體單晶，氣體等；通過摻雜控制亞穩(wěn)態(tài)能級。能級。Cr3+-Al2O3，Nd3+-YAG (P170) 激發(fā)光源激發(fā)光源 使使1從基態(tài)達到激發(fā)態(tài)，從基態(tài)達到激發(fā)態(tài)，聚光腔聚光腔 使各向同性的受激輻射（激光），向軸向聚集；使各向同性的受激輻射（激光），向軸向聚集；光學諧振腔光學諧振腔 對軸向聚集的激光進行多次全反射，大量相干、放大，獲得單色、高對軸向聚集的激光進行多次全反射，大量相干、放大，獲得單色、高功率激光，從部分反射端發(fā)射；功率激光，從部分反射端發(fā)

14、射；冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng) 對激光器及腔體進行冷卻保護；對激光器及腔體進行冷卻保護；第五節(jié) 光性能5.1 概論5.2 光吸收與透射5.3光發(fā)射5.4光電效應（1）光電導效應（2）光生伏特效應（3）光電發(fā)射效應半導體的光電效應半導體的光電效應因光照而引起物體電學特性的改變統(tǒng)稱為光電效應半導體的光電效應可分為:內電光效應與外電光效應內電光效應內電光效應:q光電導效應q光生伏特效應外電光效應外電光效應:q光電發(fā)射效應光電導效應光電導效應光照變化引起半導體材料電導變化的現(xiàn)象稱光電導效應當光照射到半導體材料時,材料吸收光子的能量，引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大。主要有本征光電導與雜質光電導。光電導

15、效應光電導效應hvabcEqEJspn)(0AJI00s當入射光功率為s為常數(shù)時：用來產生光電效應的光功率:s產生非平衡載流子的光子數(shù)：hvs在單位體積內產生非平衡載流子的濃度：hvabcpns在穩(wěn)定光照下，光生載流子不斷產生，同時也不斷復合。在穩(wěn)定時光生載流子的濃度為：nn0在外電場下，載流子定向運動，載流子數(shù)量會有變化，光電導為：)(pnpnq短路光電流密度為：產生的短路光電流：bcJI00光生伏特效應光生伏特效應光生伏特效應簡稱為光伏效應光伏效應，指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產生電位差的現(xiàn)象。產生機制產生機制：光生載流子的濃度梯度光生載流子的濃度梯度光電磁效應光電

16、磁效應勢壘效應（勢壘效應（PN結）結）太陽電池經(jīng)歷了四代的發(fā)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結太陽能電池基本原理結太陽能電池基本原理太陽能電池是由電性質不太陽能電池是由電性質不同的同的n n型半導體和型半導體和p p型半導型半導體連接合成，一邊是體連接合成，一邊是p p區(qū)區(qū),一邊是一邊是 n 區(qū)，在兩個相互區(qū)，在兩個相互接觸的界面附近形成一個接觸的界面附近形成一個結叫結叫p - n結，結

17、區(qū)內形成結，結區(qū)內形成內建電場，成為電荷運動內建電場，成為電荷運動的勢壘。的勢壘。p-n結太陽能電池基本原理結太陽能電池基本原理 當太陽光入射到太陽電池表面上后，在當太陽光入射到太陽電池表面上后，在p-np-n結中產生電子結中產生電子- -空穴對，在空穴對，在p-np-n結內建電場作用下，空穴向結內建電場作用下，空穴向p p區(qū)移動，電子向區(qū)移動，電子向n n區(qū)移動，形成電流。區(qū)移動，形成電流。第三代染料敏化太陽電池第三代染料敏化太陽電池1991年在年在Nature發(fā)表的論文發(fā)表的論文技術突破：在光電極上引入多技術突破：在光電極上引入多孔二氧化鈦層孔二氧化鈦層轉換效率：轉換效率：7.1%2010年年最高轉最高轉換效率換效率突破突破12%染料敏化太陽電池的結構染料敏化太陽電池的結構典型染料敏化太陽電池組成：典型染料敏化太陽電池組成：（1）光電極：）光電極：TCO+多孔二氧化鈦層多孔二氧化鈦層（2）敏化劑：染料）敏化劑：染料(N719/N3)+溶劑溶劑（3）電解質：）電解質：I-/I3-(LiI/I2)+溶劑溶劑（4）對電極：）對電極：TCO+Pt催化層催化層染料敏化太陽電池的工作原理染料敏化太陽電池的工作原理染料結構nAn arylamine or dialkylamine as the electron donor, a