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納米材料的光學(xué)性能日期:2016.9.29納米材料的光學(xué)性能日期:2016.9.29主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光發(fā)射特性4.納米材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.納米光學(xué)材料的應(yīng)用主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光
(1)波矢1.基本概念波矢是波的矢量表示方法。波矢是一個(gè)矢量,其方向表示波傳播的方向,其大小表示(1)波矢1.基本概念波矢是波的矢量表示方法。波矢是一個(gè)
(2)激子1.基本概念
通過庫(kù)侖作用束縛的電子-空穴對(duì)叫做激子。電子和空穴復(fù)合時(shí)便發(fā)光,以光子的形式釋放能量。根據(jù)電子與空穴相互作用的強(qiáng)弱,激子分為:萬尼爾(Wannier)激子(松束縛);弗侖克爾(Frenkel)激子(緊束縛)。束縛半徑遠(yuǎn)大于原子半徑,庫(kù)侖相互作用較弱格點(diǎn)上原子或分子的激發(fā)態(tài),庫(kù)侖相互作用較強(qiáng)
圖1半導(dǎo)體激子及發(fā)光示意圖(2)激子1.基本概念通過庫(kù)侖作用束縛的電子-空
(3)光譜線及移動(dòng)1.基本概念(3)光譜線及移動(dòng)1.基本概念
(3)光譜線及移動(dòng)1.基本概念與體材料相比,納米微粒的吸收帶普遍存在向短波方向移動(dòng),即藍(lán)移現(xiàn)象。圖2不同尺寸CdS的可見光-紫外吸收光譜激子峰微粒尺寸變小后:吸收峰藍(lán)移(3)光譜線及移動(dòng)1.基本概念與體材料相比,納米微粒的吸
(3)光譜線及移動(dòng)1.基本概念在有些情況下,粒徑減小至納米級(jí)時(shí)可以觀察到光吸收帶相對(duì)粗晶材料向長(zhǎng)波方向移動(dòng),這種現(xiàn)象被稱為紅移。納米材料的每個(gè)光吸收帶的峰位由藍(lán)移和紅移因素共同作用而確定。圖3抗生蛋白鏈菌素修飾前1和修飾后2銀納米生物傳感器的LSPR激發(fā)光譜經(jīng)抗生蛋白鏈菌素修飾后,銀傳感器的吸收峰發(fā)生了紅移。藍(lán)移因素
紅移因素
光吸收帶藍(lán)移
光吸收帶紅移(3)光譜線及移動(dòng)1.基本概念在有些情況下,粒徑減小至納主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光發(fā)射特性4.納米材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.納米光學(xué)材料的應(yīng)用主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光2.納米材料的光吸收特性(1)固體中的光吸收光在固體中傳播時(shí),其強(qiáng)度一般要發(fā)生衰減,出現(xiàn)光的吸收現(xiàn)象。光的吸收與光強(qiáng)有關(guān)。如果強(qiáng)度為I0的入射光,通過固體內(nèi)位移x后其強(qiáng)度將衰減為其中α為吸收系數(shù),它表示光在固體中傳播的指數(shù)衰減規(guī)律。2.納米材料的光吸收特性(1)固體中的光吸收光在固體中傳播時(shí)2.納米材料的光吸收特性(1)固體中的光吸收
某物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和折射率的復(fù)數(shù)形式:
其中ε1和ε2分別為相對(duì)介電常數(shù)εr的實(shí)部和虛部;復(fù)數(shù)折射率N的虛部κ叫消光系數(shù),實(shí)部n
就是通常所說的折射率。由于折射率與介電常數(shù)的關(guān)系,因此有:
人們通常用n和κ這對(duì)光學(xué)常數(shù)來表征固體的光學(xué)性質(zhì)。
,2.納米材料的光吸收特性(1)固體中的光吸收某物質(zhì)的相對(duì)2.納米材料的光吸收特性(1)固體中的光吸收消光系數(shù)κ也表示物質(zhì)的吸收,它與吸收系數(shù)α的關(guān)系為:
λ0為真空中光的波長(zhǎng),ω為入射光的頻率,c為光速。
吸收系數(shù)α的倒數(shù)叫作光在固體中的穿透深度:
消光系數(shù)k大的介質(zhì),其光的穿透深度淺,表明物質(zhì)的吸收強(qiáng),而長(zhǎng)波光比短波光的穿透深度大。2.納米材料的光吸收特性(1)固體中的光吸收消光系數(shù)κ也表示2.納米材料的光吸收特性(2)金屬納米顆粒的光吸收
大塊金屬具有不同顏色的光澤,表明它們對(duì)可見光范圍各種波長(zhǎng)光的反射和吸收能力不同。如:金、銀、銅等。但是,小粒子對(duì)可見光具有低反射率、強(qiáng)吸收率。如:當(dāng)金(Au)粒子尺寸小于光波波長(zhǎng)時(shí),會(huì)失去原有的光澤而呈現(xiàn)黑色。金納米粒子的反射率小于10%。2.納米材料的光吸收特性(2)金屬納米顆粒的光吸收大2.納米材料的光吸收特性(2)金屬納米顆粒的光吸收
實(shí)際上,金屬超微粒對(duì)光的反射率很低,一般低于1%。大約幾nm厚度的微粒即可消光,顯示為黑色,尺寸越小,色彩越黑。如:銀白色的鉑(白金)變?yōu)殂K黑,鉻變?yōu)殂t黑等。2.納米材料的光吸收特性(2)金屬納米顆粒的光吸收實(shí)2.納米材料的光吸收特性(3)半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收由于量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致能隙增大,半導(dǎo)體納米材料的吸收光譜向高能方向移動(dòng),即吸收藍(lán)移。同時(shí),由于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)受限,他們之間的波函數(shù)重疊增大,激子態(tài)振子強(qiáng)度增大,導(dǎo)致激子吸收增強(qiáng),因此很容易觀察到激子吸收峰,導(dǎo)致吸收光譜結(jié)構(gòu)化。2.納米材料的光吸收特性(3)半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收由于量子例:常規(guī)塊體TiO2是一種過渡金屬氧化物,帶隙寬度為3.2eV,為間接允許躍遷帶隙,在低溫下可由雜質(zhì)或束縛態(tài)發(fā)光。但是用硬脂酸包敷TiO2超微??删鶆蚍稚⒌郊妆较嘀?,直到2400nm仍有很強(qiáng)的光吸收,其吸收譜滿足直接躍遷半導(dǎo)體小粒子的Urbach關(guān)系:
式中hν為光子能量,α為吸收系數(shù),Eg為帶隙,B為材料特征常數(shù)。
2.納米材料的光吸收特性(3)半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收例:常規(guī)塊體TiO2是一種過渡金屬氧化物,帶隙寬度為3.2e與塊體TiO2不同的是,TiO2微粒在室溫下,由380~510nm波長(zhǎng)的光激發(fā)下可產(chǎn)生540nm附近的寬帶發(fā)射峰,且隨粒子尺寸減小而出現(xiàn)吸收的紅移。另一方面,實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到TiO2納米薄膜隨著溫度的降低,薄膜吸收邊位置又向短波方向移動(dòng),即發(fā)生了藍(lán)移,如圖所示。2.納米材料的光吸收特性(3)半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收
圖4TiO2納米薄膜光吸收曲線與塊體TiO2不同的是,TiO2微粒在室溫下,由38主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光發(fā)射特性4.納米材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.納米光學(xué)材料的應(yīng)用主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光3.納米材料的光發(fā)射特性
光致發(fā)光:指在一定波長(zhǎng)光照射下被激發(fā)到高能級(jí)激發(fā)態(tài)的電子重新躍入低能級(jí)被空穴捕獲而發(fā)光的微觀過程。熒光:僅在激發(fā)過程中發(fā)射的光。磷光:在激發(fā)停止后還繼續(xù)發(fā)射一定時(shí)間的光。3.納米材料的光發(fā)射特性光致發(fā)光:指在一定波長(zhǎng)光照射3.納米材料的光發(fā)射特性
從物理機(jī)制來分析,電子躍遷可分為兩類:非輻射躍遷和輻射躍遷。
圖5激發(fā)和衰變過程示意圖當(dāng)能級(jí)間距很小時(shí),電子躍遷可通過非輻射性級(jí)聯(lián)過程發(fā)射聲子,在這種情況下不發(fā)光;只有當(dāng)能級(jí)間距較大時(shí),才有可能發(fā)射光子,實(shí)現(xiàn)輻射躍遷,產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。
3.納米材料的光發(fā)射特性從物理機(jī)制來分析,電子躍遷可分3.納米材料的光發(fā)射特性
納米結(jié)構(gòu)材料中由于平移周期性被破壞,選擇定則對(duì)納米材料很可能不適用。在光激發(fā)下納米態(tài)所產(chǎn)生的發(fā)光帶是常規(guī)材料中受選擇定則限制而不可能出現(xiàn)的發(fā)光。(1)納米微粒的發(fā)光機(jī)制選擇定則不適用:3.納米材料的光發(fā)射特性納米結(jié)構(gòu)材料中由于平移周期性3.納米材料的光發(fā)射特性
圖6CdS納米微粒的可能發(fā)光機(jī)制
半導(dǎo)體納米微粒受光激發(fā)后產(chǎn)生電子-空穴對(duì),電子與空穴復(fù)合發(fā)光的途徑有三種情況:
a.電子和空穴直接復(fù)合,產(chǎn)生激子態(tài)發(fā)光。
b.通過表面缺陷態(tài)間接復(fù)合發(fā)光。
c.通過雜質(zhì)能級(jí)復(fù)合發(fā)光上述三種情況相互競(jìng)爭(zhēng)。3.納米材料的光發(fā)射特性圖6CdS納米微粒的可能發(fā)光機(jī)3.納米材料的光發(fā)射特性(2)納米發(fā)光材料舉例
有些原來不發(fā)光的材料,當(dāng)其粒子小到納米尺寸后出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象。
a.硅納米材料的發(fā)光
1990年,日本佳能公司的Tabagi首次在室溫觀察到硅顆粒(6nm)在800nm波長(zhǎng)附近有強(qiáng)的發(fā)光帶。隨著粒徑減小到4
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