1、纳米材料的光学性能纳米材料的光学性能日日 期：期： 2012016 6. .9.299.29主要内容主要内容1.1.基本概念基本概念2.2.纳米材料的光吸收特性纳米材料的光吸收特性3.3.纳米材料的光发射特性纳米材料的光发射特性4.4.纳米材料的非线性光学效应纳米材料的非线性光学效应5.5.纳米光学材料的应用纳米光学材料的应用 （1 1）波矢）波矢1.1.基本概念基本概念波矢是波的矢量表示方法。波矢是一个波矢是波的矢量表示方法。波矢是一个矢量，其方向表示矢量，其方向表示波传播的方向波传播的方向，其大，其大小表示小表示2k k2hhkpk （2 2）激子）激子1.1.基本概念基本概念 通过库仑作
2、用通过库仑作用束缚的电子束缚的电子- -空穴对空穴对叫做叫做激子激子。电子和空穴电子和空穴复合复合时便发光，以时便发光，以光子光子的形式的形式释放能量释放能量。根据根据电子与空穴相互作用的强弱电子与空穴相互作用的强弱，激子分为：，激子分为：万尼尔（万尼尔（WannierWannier）激子（松束缚）；）激子（松束缚）；弗仑克尔（弗仑克尔（FrenkelFrenkel）激子（紧束缚）。）激子（紧束缚）。束缚半径远束缚半径远大于大于原子半原子半径，库仑相互作用较径，库仑相互作用较弱弱格点上原子或分子的格点上原子或分子的激发激发态态，库仑相互作用较，库仑相互作用较强强 图图1 半导体激子及发光示意图
3、半导体激子及发光示意图 （3 3）光谱线及移动）光谱线及移动1.1.基本概念基本概念 （3 3）光谱线及移动）光谱线及移动1.1.基本概念基本概念与体材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在与体材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在向向短波短波方向移动，即方向移动，即蓝移蓝移现象。现象。图2 不同尺寸CdS的可见光-紫外吸收光谱激子峰激子峰微粒尺寸变小后：微粒尺寸变小后：吸收峰吸收峰蓝移蓝移 （3 3）光谱线及移动）光谱线及移动1.1.基本概念基本概念在有些情况下，粒径减小至纳米级时可以观在有些情况下，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察到光吸收带相对粗晶材料向长波长波方向移动，方向移动
4、，这种现象被称为这种现象被称为红移红移。纳米材料的每个光吸收带的峰位由蓝移和红纳米材料的每个光吸收带的峰位由蓝移和红移因素移因素共同作用共同作用而确定而确定。图图3 抗生蛋白链菌素修饰前抗生蛋白链菌素修饰前1和修饰后和修饰后2银纳米生物传感器的银纳米生物传感器的LSPR激发光谱激发光谱经抗生蛋白链菌素修饰后，经抗生蛋白链菌素修饰后，银传感器的吸收峰发生了银传感器的吸收峰发生了红红移移。蓝移因素蓝移因素 红移因素红移因素 光吸收带蓝移光吸收带蓝移 光吸收带红移光吸收带红移主要内容主要内容1.1.基本概念基本概念2.2.纳米材料的光吸收特性纳米材料的光吸收特性3.3.纳米材料的光发射特性纳米材料的
5、光发射特性4.4.纳米材料的非线性光学效应纳米材料的非线性光学效应5.5.纳米光学材料的应用纳米光学材料的应用2.2.纳米材料的光吸收特性纳米材料的光吸收特性（1 1）固体中的光吸收）固体中的光吸收光在固体中传播时，其强度一般要发生光在固体中传播时，其强度一般要发生衰减衰减，出，出现现光的吸收光的吸收现象。光的吸收与现象。光的吸收与光强光强有关。有关。如果强度为如果强度为I I0 0的入射光，通过固体内位移的入射光，通过固体内位移x x后其强后其强度将衰减为度将衰减为0exp()IIx其中其中为吸收系数为吸收系数，它表示光在固体中传播的指数，它表示光在固体中传播的指数衰减规律。衰减规律。2.2
6、.纳米材料的光吸收特性纳米材料的光吸收特性（1 1）固体中的光吸收）固体中的光吸收 某物质的相对介电常数和折射率的复数形式：某物质的相对介电常数和折射率的复数形式： 其中其中1 1和和2 2 分别为相对介电常数分别为相对介电常数rr的实部和虚部；复的实部和虚部；复数折射率数折射率N N的虚部的虚部叫叫消光系数消光系数，实部，实部 n n 就是通常所说就是通常所说的的折射率折射率。 由于折射率与介电常数的关系由于折射率与介电常数的关系 ，因此有：，因此有： 人们通常用人们通常用 n n 和和这对光学常数来表征这对光学常数来表征固体的光学性质固体的光学性质。12riinN122n22nrN ，2.
7、2.纳米材料的光吸收特性纳米材料的光吸收特性（1 1）固体中的光吸收）固体中的光吸收消光系数消光系数也表示物质的吸收，它与吸收系数也表示物质的吸收，它与吸收系数的的关系为：关系为： 0 0为真空中光的波长，为真空中光的波长，为入射光的频率，为入射光的频率，c c为光速。为光速。 吸收系数吸收系数的倒数叫作光在固体中的的倒数叫作光在固体中的穿透深度穿透深度： 消光系数消光系数k k大的介质，其光的穿透深度浅，表明物质大的介质，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。的吸收强，而长波光比短波光的穿透深度大。0/4/2c410d2.2.纳米材料的光吸收特性纳米材料的光吸收特
8、性（2 2）金属纳米颗粒的光吸收）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。光范围各种波长光的反射和吸收能力不同。如：如：金、金、银、铜等。银、铜等。 但是，小粒子对可见光具有但是，小粒子对可见光具有低反射率、强吸收率低反射率、强吸收率。如：如：当当金金(Au)(Au)粒子尺寸粒子尺寸小于小于光波波长时，会失去原有光波波长时，会失去原有的光泽而呈现的光泽而呈现黑色黑色。金纳米粒子的反射率小于。金纳米粒子的反射率小于1010。2.2.纳米材料的光吸收特性纳米材料的光吸收特性（2 2）金属纳米颗粒
9、的光吸收）金属纳米颗粒的光吸收 实际上，实际上，金属超微粒对光的反射率很低，金属超微粒对光的反射率很低，一般低于一般低于1 1。大约几。大约几nmnm厚度的微粒即可消光，显示为黑色，尺厚度的微粒即可消光，显示为黑色，尺寸越小，色彩越黑。寸越小，色彩越黑。如：如：银白色的铂（白金）变为铂黑，铬变为铬黑等。银白色的铂（白金）变为铂黑，铬变为铬黑等。2.2.纳米材料的光吸收特性纳米材料的光吸收特性（3 3）半导体纳米颗粒的光吸收）半导体纳米颗粒的光吸收由于由于量子尺寸效应量子尺寸效应导致能隙增大导致能隙增大, , 半导体纳米半导体纳米材料的吸收光谱向高能方向移动材料的吸收光谱向高能方向移动, , 即
10、吸收即吸收蓝移蓝移。同时同时, ,由于电子和空穴的运动受限由于电子和空穴的运动受限, , 他们之间他们之间的波函数重叠的波函数重叠增大增大, , 激子态振子强度激子态振子强度增大增大, , 导导致激子吸收致激子吸收增强增强, ,因此很容易观察到激子吸收因此很容易观察到激子吸收峰峰, , 导致吸收光谱导致吸收光谱结构化结构化。)()(2gEhBh2.2.纳米材料的光吸收特性纳米材料的光吸收特性（3 3）半导体纳米颗粒的光吸收）半导体纳米颗粒的光吸收2.2.纳米材料的光吸收特性纳米材料的光吸收特性（3 3）半导体纳米颗粒的光吸收）半导体纳米颗粒的光吸收 图图4 TiO4 TiO2 2纳米薄膜光吸收
11、曲线纳米薄膜光吸收曲线主要内容主要内容1.1.基本概念基本概念2.2.纳米材料的光吸收特性纳米材料的光吸收特性3.3.纳米材料的光发射特性纳米材料的光发射特性4.4.纳米材料的非线性光学效应纳米材料的非线性光学效应5.5.纳米光学材料的应用纳米光学材料的应用3 3. .纳米材料的光发射特性纳米材料的光发射特性 光致发光：光致发光：指在一定波长光照射下被激发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。捕获而发光的微观过程。 荧光：荧光：仅在激发过程中发射的光。仅在激发过程中发射的光。 磷光：磷光：在激发停止后还继
12、续发射一定时间在激发停止后还继续发射一定时间的光。的光。3 3. .纳米材料的光发射特性纳米材料的光发射特性 从从物理机制物理机制来分析，电子跃迁可分为两类：来分析，电子跃迁可分为两类：非辐射跃迁非辐射跃迁和和辐射跃迁辐射跃迁。 图图5 5 激发和衰变过程示意图激发和衰变过程示意图当能级间距当能级间距很小很小时，时，电子跃迁可通过非电子跃迁可通过非辐射性级联过程发辐射性级联过程发射声子，在这种情射声子，在这种情况下况下不发光不发光；只有；只有当能级间距当能级间距较大较大时，时，才有可能发射光子，才有可能发射光子，实现辐射跃迁，产实现辐射跃迁，产生生发光发光现象。现象。 3 3. .纳米材料的光
13、发射特性纳米材料的光发射特性 纳米结构材料中由于纳米结构材料中由于平移周期性平移周期性被破坏，被破坏，选择定则选择定则对纳米材料很可能对纳米材料很可能不适用。不适用。在光激发在光激发下纳米态所产生的下纳米态所产生的发光带发光带是常规材料中受选择是常规材料中受选择定则限制而不可能出现的发光。定则限制而不可能出现的发光。（1 1）纳米微粒的发光机制）纳米微粒的发光机制选择定则不适用：选择定则不适用：3 3. .纳米材料的光发射特性纳米材料的光发射特性 图图6 CdSCdS纳米微粒的可能发光机制纳米微粒的可能发光机制 3 3. .纳米材料的光发射特性纳米材料的光发射特性（2 2）纳米发光材料举例）纳
14、米发光材料举例 有些原来不发光的材料，当其粒子有些原来不发光的材料，当其粒子小到纳米尺小到纳米尺寸寸后出现后出现发光发光现象。现象。 a.a.硅纳米材料的发光硅纳米材料的发光 19901990年，日本佳能公司的年，日本佳能公司的TabagiTabagi首次在室温观首次在室温观察到硅颗粒（察到硅颗粒（6nm6nm）在）在800nm800nm波长附近有强的发光带。波长附近有强的发光带。随着粒径减小到随着粒径减小到4nm4nm，发光强度增大，短波侧已延伸，发光强度增大，短波侧已延伸到可见光范围。因此，硅纳米材料可能成为有重要到可见光范围。因此，硅纳米材料可能成为有重要应用前景的光电子材料。应用前景的光电子材料。 b. b.银纳米微粒的发光银纳米微粒的发光 2000 2000年，北京大学报道了埋藏于年，北京大学报道了埋藏于BaOBaO介质中的介质中的AgAg纳米微粒在可见光波段光致荧光增强现象。作纳米微粒在可见光波段光致荧光增强现象。作为比较，为比较，AgAg薄膜和薄膜和Ag-BaOAg-BaO薄膜中的薄膜中的AgAg含量相同，含量相同，两种薄膜中的两种薄膜中的AgAg微粒平均直径都是微粒平均直径都是20nm20nm，在室温，在室温下采用紫外光激发。下采用紫外光激发。
