1、第七章第七章 光电材料光电材料固体的光性质：固体的光性质：从本质上讲，就是固体和电磁从本质上讲，就是固体和电磁波的相互作用，这涉及晶体对光辐射的反射和波的相互作用，这涉及晶体对光辐射的反射和吸收，晶体在光作用下的发光，光在晶体中的吸收，晶体在光作用下的发光，光在晶体中的传播和作用以及光电作用、光磁作用等。传播和作用以及光电作用、光磁作用等。光电转换材料光电转换材料发光材料发光材料激光材料激光材料7.1 7.1 光电转换材料光电转换材料纯净固体材料中。固体受到光辐射时，纯净固体材料中。固体受到光辐射时，如果辐射光子的能量足以使电子由价如果辐射光子的能量足以使电子由价带跃迁至导带，那么就会发生对光
2、的带跃迁至导带，那么就会发生对光的吸收。吸收。这种吸收过程叫这种吸收过程叫基础吸收或固基础吸收或固有吸收有吸收7.1.1 固体的光吸收固体的光吸收l 基础吸收或固有吸收基础吸收或固有吸收 导带导带价带价带能隙能隙 （禁带（禁带）光辐射光辐射绝缘体和半导体中电子的能带结构如：如：离子晶体离子晶体 能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能量。因此，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。当足够强的辐射（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，发生光吸收。l 激子吸收激子吸收（电子-空穴对）价带中的电子吸收能量小于禁带宽价带中的电子
3、吸收能量小于禁带宽度，但因能量不够还不能跃迁到导带度，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，成为自由电子。这时，电子实际还与电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子一个电中性系统，称为激子。激子作。激子作为一个整体可以在晶格内自由运动。为一个整体可以在晶格内自由运动。能产生激子的光吸收称为能产生激子的光吸收称为激子吸收激子吸收。导带导带价带价带激子能级激子能级光辐射光辐射l缺陷存在时晶体的光吸收缺陷存在时晶体的光吸收 晶体的缺陷：晶体的缺陷：本征缺陷本征缺陷填隙原子和空位，填隙原子和空位，非本征缺陷非本征缺陷杂质等。杂质等。
4、导带导带价带价带杂质能级杂质能级光辐射光辐射这些缺陷的能级在价带和导带之间的能隙之中。当材料受这些缺陷的能级在价带和导带之间的能隙之中。当材料受到光照时，缺陷能级上的电子空穴发生跃迁。这样就使原到光照时，缺陷能级上的电子空穴发生跃迁。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。本不能发生基础吸收的物质由于缺陷存在而发生光吸收。离子晶体的各种吸收光谱离子晶体的各种吸收光谱CCCEDDDDAAVVVVV电子泵抽运造成的电子-空穴对CV过程过程：基础吸收：基础吸收EV过程过程：激子吸收：激子吸收其他：缺陷吸收其他：缺陷吸收DV过程过程 松弛的束缚在中性杂质上的电子和一个价带中的空穴复
5、合，相应跃迁能量是EgED。CA过程过程 半导体导带中的一个电子落在受主杂质原子上，并使受主杂质原子电离化，这个过程的能量为EgEA。CDA过程过程 导带电子向深受主杂质上的跃迁，其能量小于能隙很多，这就是深受主杂质跃迁。DA过程过程 如果同一半导体材料中，施主和受主杂质同时存在，那么可能发生中性施主杂质给出一个电子跃迁到受主杂质上的过程。CCCEDDDDAAVVVVV电 子 泵 抽 运 造 成的 电 子-空 穴 对陶瓷材料陶瓷材料的禁带宽度较大，的禁带宽度较大，一般为一般为3-10电子伏特，相当于紫电子伏特，相当于紫外光区的能量。因此，外光区的能量。因此，当可见光当可见光光辐体晶体时光辐体晶
6、体时，如此的能量不足，如此的能量不足以使其电子越过能隙，由价带跃以使其电子越过能隙，由价带跃迁至导带。所以，晶体不会被激迁至导带。所以，晶体不会被激发，也不会发生光的吸收，发，也不会发生光的吸收，陶瓷陶瓷晶体在可见光区内都应该是透明晶体在可见光区内都应该是透明的的。7.1.2 7.1.2 陶瓷材料的光吸收陶瓷材料的光吸收高压钠灯芯高压钠灯芯的透明氧化的透明氧化铝瓷管铝瓷管陶瓷多晶体一般有两个重要的吸收光谱带。一是电子跃迁产生的吸收带一是电子跃迁产生的吸收带左侧的紫外截止波段，左侧的紫外截止波段，二是光学支格波的晶格振动吸收带二是光学支格波的晶格振动吸收带右侧红外截至波段右侧红外截至波段1 陶瓷
7、材料的光吸收机理陶瓷材料的光吸收机理电子跃迁产生的吸收电子跃迁产生的吸收紫外区紫外区禁带宽度禁带宽度E Eg g和吸收波长和吸收波长的关系为的关系为 hv E 导带导带价带价带能隙能隙 （禁带（禁带）光辐射光辐射hv h h普朗克常数普朗克常数 c c光速光速gEch gEhc二是光学支格波的晶格振动吸收带二是光学支格波的晶格振动吸收带红外区红外区当入射光的频率和材料内原子当入射光的频率和材料内原子的振动频率一致时会产生对入的振动频率一致时会产生对入射光的强吸收射光的强吸收 晶体材料内原子振动频率采用双原子分子振动模型求得：晶体材料内原子振动频率采用双原子分子振动模型求得：m m1 1 m m
8、2 2 双原子分子振动模型的双原子质量双原子分子振动模型的双原子质量r r 瞬时原子距离，瞬时原子距离，k k原子结合力弹性常数原子结合力弹性常数u u折合质量折合质量2121mmmmukuc2理论上陶瓷在可见光区是透明的，但理论上陶瓷在可见光区是透明的，但陶瓷是微细多晶的烧陶瓷是微细多晶的烧结体，主要由晶粒、晶界、玻璃相、气孔、杂质等组成结体，主要由晶粒、晶界、玻璃相、气孔、杂质等组成。由于存在由于存在光的反射、折射和散射光的反射、折射和散射，使广的透过率下降，陶，使广的透过率下降，陶瓷看起来是不透明的。瓷看起来是不透明的。2 影响陶瓷透明性的因影响陶瓷透明性的因素素入射到材料的光入射到材料
9、的光l一部分表现为表面的反射和内部的吸收和散射，一部分表现为表面的反射和内部的吸收和散射，l另一部分就成为透射光。另一部分就成为透射光。l透明材料希望的反射和吸收的光越少越好透明材料希望的反射和吸收的光越少越好xsaeRII)(20)1(I I透射光强，透射光强，I I0 0入射光强，入射光强，R R反射率，反射率，吸收系数，吸收系数，s s散射系数，散射系数，x x物体的厚度物体的厚度透射光强度：透射光强度：入射入射反射反射散射散射透射透射l应该没有或尽量减少气孔和晶界等这样的吸收中心和散射中心。应该没有或尽量减少气孔和晶界等这样的吸收中心和散射中心。l同时还应是单相的、由均质晶体组成。同时
10、还应是单相的、由均质晶体组成。l并具有较高的光洁度。并具有较高的光洁度。入射入射反射反射散射散射透射透射获得高的透光率方法：获得高的透光率方法：xsaeRII)(20)1(气气孔率孔率 晶晶界结构界结构 原原料与添加剂料与添加剂 烧烧成气氛成气氛 表表面加工光洁度面加工光洁度陶瓷材料的透光性的主要影响因素：陶瓷材料的透光性的主要影响因素：气气孔率孔率普通陶瓷即使有很高的致密度，往往也不透明，普通陶瓷即使有很高的致密度，往往也不透明，这是因为：这是因为：内部有很多封闭的气孔。总气孔率超过内部有很多封闭的气孔。总气孔率超过1%1%的氧化物陶的氧化物陶瓷基本是不透明的，因为气孔的折射率非常低瓷基本是
11、不透明的，因为气孔的折射率非常低(约为约为1.0)1.0)，这些气孔在光线传播的过程中会使光线发生多次反射，从这些气孔在光线传播的过程中会使光线发生多次反射，从而而大大降低材料的透明度。大大降低材料的透明度。晶晶界结构界结构l首先，晶界是破坏陶瓷体光学均匀性、从而引首先，晶界是破坏陶瓷体光学均匀性、从而引起光的散射、致使材料的透光率下降。当单位起光的散射、致使材料的透光率下降。当单位体积晶界数量较多，晶体配置杂乱无序，入射体积晶界数量较多，晶体配置杂乱无序，入射光透过晶界时，必然引起光的连续反射、折射，光透过晶界时，必然引起光的连续反射、折射，这样其透光率也就降低。这样其透光率也就降低。l其次
12、，陶瓷材料的物相组成中通常包含着两相其次，陶瓷材料的物相组成中通常包含着两相或更多相，这种多相结构会导致光在相界表面或更多相，这种多相结构会导致光在相界表面上发生散射。材料的组成差异越大，折射率相上发生散射。材料的组成差异越大，折射率相差越大，整个陶瓷的透光率越低差越大，整个陶瓷的透光率越低。l原料的粉体粒径应小于原料的粉体粒径应小于1um1um以外，尺寸要均匀，不产生以外，尺寸要均匀，不产生团聚。所以有时需加入添加剂。一方面是使烧结过程中团聚。所以有时需加入添加剂。一方面是使烧结过程中出现液相，降低烧结温度，另一方面是抑制晶粒的长大，出现液相，降低烧结温度，另一方面是抑制晶粒的长大，缩短晶内
13、气孔的扩散路程，从而有利于得到致密的透光缩短晶内气孔的扩散路程，从而有利于得到致密的透光性好的透明陶瓷。性好的透明陶瓷。添加剂用量一般很少，应能均匀分布于材料中，完全添加剂用量一般很少，应能均匀分布于材料中，完全溶于主晶相，不生成第二相物质，也就是不破坏系统的溶于主晶相，不生成第二相物质，也就是不破坏系统的单相性。单相性。原料与添加剂原料与添加剂l例如，例如，在在烧结烧结Al2O3透明陶瓷时，加入透明陶瓷时，加入MgO。但是由于。但是由于MgO局部偏析，局部偏析，在在MgO分布较高的区域超过了固溶极分布较高的区域超过了固溶极限，就会在晶界上析出第二相（限，就会在晶界上析出第二相（MgAl2O3
14、）尖晶石，从）尖晶石，从而成为光的散射中心，使散射率增而成为光的散射中心，使散射率增长，降低了长，降低了Al2O3陶瓷陶瓷的透光性。的透光性。Al2O3透明陶瓷透明陶瓷不透明陶瓷不透明陶瓷在陶瓷晶体中引入杂质离子后，杂质缺陷能级和价带能级之在陶瓷晶体中引入杂质离子后，杂质缺陷能级和价带能级之间会发生电子间会发生电子-空穴复合过程，其相应的能量就会小于间带空穴复合过程，其相应的能量就会小于间带宽度宽度E Eg g，往往落在可见光区，结果发生固体的光吸收。，往往落在可见光区，结果发生固体的光吸收。例如例如:Al2O3晶体晶体,其能隙为其能隙为9ev，不可能吸收可见光，所，不可能吸收可见光，所以是透
15、明的。如果掺入以是透明的。如果掺入1%的的Cr3+时，晶体呈深红色，即时，晶体呈深红色，即红宝石，可以吸收可见光。红宝石，可以吸收可见光。表表面加工光洁度面加工光洁度l透明陶瓷的透光度还受表面加工光洁度的制约。透明陶瓷的透光度还受表面加工光洁度的制约。烧结后未处理面具有较大的粗糙度，即呈现微烧结后未处理面具有较大的粗糙度，即呈现微小的凹凸状，光线入射到这种面上会发生漫反小的凹凸状，光线入射到这种面上会发生漫反射。其表面的粗糙度越大，其透明度就越低。射。其表面的粗糙度越大，其透明度就越低。入射入射反射反射散射散射透射透射7.1.3 7.1.3 半导体的光吸收和光导电现象半导体的光吸收和光导电现象
16、 1.本征半导体的光吸收本征半导体的光吸收 本征半导体的价带和导带之间的能隙较小，约为本征半导体的价带和导带之间的能隙较小，约为1ev1ev。在极低温度下，电气全部处在价带中，不会沿任何方向在极低温度下，电气全部处在价带中，不会沿任何方向运动，是绝缘体，其光学性质也和前述的绝缘体一样。运动，是绝缘体，其光学性质也和前述的绝缘体一样。当温度升高，一些电子可能获得充分的能量而跨过能隙，当温度升高，一些电子可能获得充分的能量而跨过能隙，跃迁到原本空的导带中。这时价带中出现空能级，跃迁到原本空的导带中。这时价带中出现空能级，导带导带中出现电子。中出现电子。l光电性质：光电性质：施主和受主杂质将会使施主
17、和受主杂质将会使半导体的光吸收增强，导电性增加半导体的光吸收增强，导电性增加。l发光性质发光性质：只有当激发态电子越过只有当激发态电子越过能隙与空穴复合时，能隙与空穴复合时，才会发生半导体才会发生半导体的发光。的发光。2.非本征半导体的光吸收非本征半导体的光吸收导带导带价带价带杂质能级杂质能级光辐射光辐射n型半导体可以向导带提供足够的电子，但在价带中如果没型半导体可以向导带提供足够的电子，但在价带中如果没有空穴，因此不会发光。同样，有空穴，因此不会发光。同样，p型半导体价带中有空穴，型半导体价带中有空穴，但其如果导带中却没有电子，因此也不会发光。但其如果导带中却没有电子，因此也不会发光。光吸收
18、结果：光吸收结果：光导电光导电光致发光光致发光l本征半导体的光吸收和发光，一般说来都源于电子跨本征半导体的光吸收和发光，一般说来都源于电子跨越能隙的跃迁，即直接跃迁。价带中的电子吸收一定波越能隙的跃迁，即直接跃迁。价带中的电子吸收一定波长的可见光或近红外光可以相互脱离而自行漂移，并参长的可见光或近红外光可以相互脱离而自行漂移，并参与导电。即产生所谓光导电现象与导电。即产生所谓光导电现象。3 光导电光导电光电流：光辐射激发产生的载流子，一方面在复合中心消失掉，另一方面在电场作用下可以移动一段距离后，这种载流子的迁移产生的电流，称为光电流。如果外电场强度大，则载流子在被复合之前在晶体漂移的距离长、
19、光电流强，但会有一个饱和值，即初级光电流的最大值。AgBr的光导电流随电压的变化 光导电光导电应用：应用：利用半导体的光导电效应，把光的信息转化为电的信息，这在现代技术和日常生活中已得到广泛应用。例如，例如，太阳能电池；太阳能电池；光敏电阻，光敏电阻，CdSCdS用于照相机的自动曝光机；用于照相机的自动曝光机；半导体硒应用在静电复印机上；半导体硒应用在静电复印机上；利用对红外线敏感的利用对红外线敏感的PbSPbS、PbSePbSe、PbTePbTe等制成红外线探测器。等制成红外线探测器。光敏电阻：光敏电阻：是在一块匀质光电导体两端加上电极，贴在硬质是在一块匀质光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃
20、或者云母等绝缘材料基板上，电极上加装引线，用带玻璃或者云母等绝缘材料基板上，电极上加装引线，用带有入射窗口的金属或塑料封装而成的。有入射窗口的金属或塑料封装而成的。光敏电阻光敏电阻光敏电阻光谱特性：光敏电阻光谱特性：光敏电阻只对一定范围内的光波才有响应，对有的波长光敏电阻只对一定范围内的光波才有响应，对有的波长响应度较大，有的波长响应度小，甚至为零。响应度较大，有的波长响应度小，甚至为零。光敏电阻响应时间：光敏电阻响应时间：463%rfrftttt、响应速度上升响应时间：光生载流子从零上升到稳定值的所需要的时间。下降响应时间：光照停止后，光生载流子下降到稳定值的37%所需要的时间。上升响应时间
21、上升响应时间t tr r ：光生载流子从零上升到稳定值的光生载流子从零上升到稳定值的63%63%所需所需 的时间。的时间。下降响应时间下降响应时间t tf f：光照停止后，光生载流子从零下降到稳光照停止后，光生载流子从零下降到稳 定值的定值的37%37%所需的时间。所需的时间。光敏电阻响应时间光敏电阻响应时间当光线较弱时，当光线较弱时，光敏电阻光敏电阻CdS阻值很大，与光敏电阻值很大，与光敏电阻并联的路灯电阻很小，阻并联的路灯电阻很小，所以电流主要从路灯流过，所以电流主要从路灯流过，流经继电器的电流很小，流经继电器的电流很小，处于关闭状态。路灯点亮。处于关闭状态。路灯点亮。光敏电阻应用：光敏电
22、阻应用：照相机自动曝光照相机自动曝光 路灯自动控制路灯自动控制当照射到当照射到CdS的光逐渐的光逐渐增大时，增大时，光敏电阻的电光敏电阻的电阻变小，使流经继电器阻变小，使流经继电器的电流不断增大，达到的电流不断增大，达到一定值时，继电器由关一定值时，继电器由关闭状态变为打开状态，闭状态变为打开状态，路灯与电源断开。路灯路灯与电源断开。路灯熄灭。熄灭。激光打印机和复印机激光打印机和复印机1 1 对应图中对应图中1 1的位置，的位置，在感光鼓也称吸鼓上用电极在感光鼓也称吸鼓上用电极对感光体表面高压电晕放电，使感光层表面带电荷。对感光体表面高压电晕放电，使感光层表面带电荷。感感光鼓是在导电基体表面上
23、涂有硒或其它光电导材料层光鼓是在导电基体表面上涂有硒或其它光电导材料层。2 2 对应图中对应图中2 2的位置，的位置，用受被打印内容调制的激光束用受被打印内容调制的激光束对感对感光层扫描曝光，光层扫描曝光，受光照区域的电阻率下降（光导电）受光照区域的电阻率下降（光导电），在，在感光层上形成由静电荷分布构成的潜像（电荷图象）。感光层上形成由静电荷分布构成的潜像（电荷图象）。3 3 对应图中对应图中3 3的位置的位置，用含有炭精粉粒的显像剂与感光层接，用含有炭精粉粒的显像剂与感光层接触，在静电场的作用下，炭精粉粒附在感光层的曝光区域上，触，在静电场的作用下，炭精粉粒附在感光层的曝光区域上，形成可见
24、的炭精粉图象，这过程也称形成可见的炭精粉图象，这过程也称显像过程显像过程。4 4 对应图中对应图中4 4的位置，的位置，打印纸与已经显像的感光体接打印纸与已经显像的感光体接触，同时采用电晕带电体从纸的反面加电场，这时感光触，同时采用电晕带电体从纸的反面加电场，这时感光体表面的显像剂转移到打印纸上完成转印。体表面的显像剂转移到打印纸上完成转印。5.5.对应图中对应图中5 5的位置的位置，用热压器加热加压使着色剂牢固，用热压器加热加压使着色剂牢固粘结在打印纸上，完成了静电打印。粘结在打印纸上，完成了静电打印。6 6 对应图中对应图中6 6的位置的位置，将感光体用清洗器清除残留的色，将感光体用清洗器
25、清除残留的色粉，准备下一张打印。粉，准备下一张打印。同激光打印机相同，复印机也是利用光电技术和电子照同激光打印机相同，复印机也是利用光电技术和电子照相技术相结合的一种印字方式。复印机与激光打印机的主要相技术相结合的一种印字方式。复印机与激光打印机的主要区别是图象信息产生的方式不同。区别是图象信息产生的方式不同。复印机是实物文件被反射复印机是实物文件被反射照明后由成像镜头成像曝光在感光体上；照明后由成像镜头成像曝光在感光体上；而激光打印机则是而激光打印机则是由主计算机产生的图象数据经控制电路控制激光束的偏转和由主计算机产生的图象数据经控制电路控制激光束的偏转和光强度扫描曝光完成打印的。光强度扫描
26、曝光完成打印的。l 半导体吸收光子后。导带中出现自由电子，价带中有空穴。半导体吸收光子后。导带中出现自由电子，价带中有空穴。当导带中的一个电子与价带中的一个空穴复合时，就会发射当导带中的一个电子与价带中的一个空穴复合时，就会发射出可见光的光子，这就是光致发光现象。出可见光的光子，这就是光致发光现象。2 光致发光光致发光如果将如果将n n型半导体和型半导体和p p型半导体结合在一起形成一个型半导体结合在一起形成一个pnpn结，结，在在pnpn结处施加一个正偏向压，可以将结处施加一个正偏向压，可以将n n区的导带电子注入到区的导带电子注入到p p区的价带中，在那里与空穴复合，从而产生光子辐射。这区
27、的价带中，在那里与空穴复合，从而产生光子辐射。这是一种电致发光。是一种电致发光。（a）未加正偏压的）未加正偏压的pn结结 （b）加正偏压的）加正偏压的pn结结3 电致发光电致发光 pn结光辐射过程的结光辐射过程的应用应用发光二极管利用半导体材料材料的可调成分来改变能隙，可制作出从发红光到发绿光的各种颜色的发光二极管。发光二极管发光二极管电致发光的典型结构图电致发光的典型结构图其他电致发光的应用其他电致发光的应用显示屏显示屏广告牌广告牌7.2 7.2 发光材料发光材料7.2.1 发光概论发光概论1激发源和发光材料分类激发源和发光材料分类发光发光:材料吸收了一定能量后，就会发生电子从低能态向高材料
28、吸收了一定能量后，就会发生电子从低能态向高能态的跃迁，即分子从基态被激发到激发态。随后，分子又能态的跃迁，即分子从基态被激发到激发态。随后，分子又会从激发态再跃迁回到稳定的低能基态，在这一过程中会伴会从激发态再跃迁回到稳定的低能基态，在这一过程中会伴随着能量的释放。若能量以光能形式释放，就是发光。随着能量的释放。若能量以光能形式释放，就是发光。根据激发光源类型的不同划分发光机理：根据激发光源类型的不同划分发光机理：光致发光光致发光：以光子或光为激发光源，常用的有紫外光作激以光子或光为激发光源，常用的有紫外光作激 发源。发源。电致发光电致发光：以电能作激发源。以电能作激发源。阴极致发光阴极致发光
29、：使用阴极射线或电子束为激发源使用阴极射线或电子束为激发源。2发光材料的特性发光材料的特性l（1）发光材料的发光颜色）发光材料的发光颜色 发光材料的颜色可通过不同方法来表征。发光材料的颜色可通过不同方法来表征。发射光谱和吸收光谱是研究中应用比较多的方法。发射光谱和吸收光谱是研究中应用比较多的方法。吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸收峰的波吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸收峰的波长就是激发时能量对应波长。长就是激发时能量对应波长。发射光谱反映发光材料辐发射光谱反映发光材料辐射光的情况，对应谱峰的波长就是发光的颜色，射光的情况，对应谱峰的波长就是发光的颜色，物质颜色和吸收光的关系物质
30、颜色和吸收光的关系物质颜色物质颜色吸收光吸收光颜色颜色波长波长/nm黄绿黄绿紫紫400450黄黄蓝蓝450480橙橙绿蓝绿蓝480490红红蓝绿蓝绿490500红紫红紫绿绿500560紫紫黄绿黄绿560580蓝蓝黄黄580610绿蓝绿蓝橙橙610650蓝绿蓝绿红红650780光致发光材料的吸收光谱光致发光材料的吸收光谱发光材料的发射光谱和吸收光谱发光材料的发射光谱和吸收光谱从材料的发射光谱来看，发射谱峰的宽窄也是发光材料的从材料的发射光谱来看，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。重要特性，谱峰越窄，发光材料的单色性越好，反之亦然。我们将谱峰我们将谱峰
31、1/21/2高度时缝的宽度称作半宽度高度时缝的宽度称作半宽度。发射峰的半宽度发射峰的半宽度半宽度半宽度l(2)颜色的单色性颜色的单色性 l (3)发光效率发光效率 发光材料的另一个重要特性是其发光强度，发光强发光材料的另一个重要特性是其发光强度，发光强度也随激发强度而改变。通常用发光效率来表征材料的度也随激发强度而改变。通常用发光效率来表征材料的发光本领。发光本领。(4)余辉余辉发光材料的一个重要特性是它的发光持续时间。发光材料的一个重要特性是它的发光持续时间。依发光持续时间，我们可应将发光区分为依发光持续时间，我们可应将发光区分为荧光和磷光：荧光和磷光：荧光：荧光：激发和发射两个过程之间的间
32、隙极短，约为激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为10-8秒。秒。只要光源一离开，荧光就会消失。只要光源一离开，荧光就会消失。磷光：磷光：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。HHHHHHHHHHHHAHHHHHHHHHHHHHHHHHHHASHHHHHHhh hh h（a）荧光体荧光体 （b）磷光体磷光体发光机制发光机制还可以用还可以用余辉余辉来表示物质发光的持续时间。余辉的定义为：来表示物质发光的持续时间。余辉的定义为：当激发光停止时的发光亮度（或强度）当激发光停止时的发光亮度（或强度）J J0 0衰减到衰减到J J0 0的的10%10%时，时，所
33、经历的时间称为余辉时间，简称余辉。所经历的时间称为余辉时间，简称余辉。根据余辉可将发光根据余辉可将发光材料分为六个范围：材料分为六个范围：极短余辉极短余辉 1s电视用荧光粉：中余辉电视用荧光粉：中余辉雷达用荧光粉：长或极长余辉雷达用荧光粉：长或极长余辉飞点扫描管：超短余辉飞点扫描管：超短余辉(摄象记录、示波显示、摄象记录、示波显示、激光手术）激光手术）光致发光材料一般由光致发光材料一般由基质材料基质材料和和激活剂激活剂构成构成基质材料：基质材料：硫化物、硒化物、含氧化合物如硫化物、硒化物、含氧化合物如磷酸盐、硅酸磷酸盐、硅酸 盐，硫酸盐、等。盐，硫酸盐、等。激活剂：激活剂：稀土离子、过渡金属离
34、子稀土离子、过渡金属离子等阳离子。等阳离子。这些阳离子往往是发光活性中心，称作激活剂。这些阳离子往往是发光活性中心，称作激活剂。敏化剂：敏化剂：在基质中掺入第在基质中掺入第2 2类型的杂质使发光亮度增类型的杂质使发光亮度增 加，称作加，称作敏活剂敏活剂。7.2.2 荧光和磷光荧光和磷光1光致发光材料的基本组成光致发光材料的基本组成光致发光材料按激活剂的不同主要分为以下几种类型光致发光材料按激活剂的不同主要分为以下几种类型（1 1）稀土金属离子）稀土金属离子 原子序数原子序数57一一71的镧系元素，加上钪和钇共的镧系元素，加上钪和钇共17个稀土元素个稀土元素稀土金属离子的电子层结构比较特殊稀土金
35、属离子的电子层结构比较特殊;价电子在价电子在4f4f层，而外层，而外面被填满的面被填满的5s5p5s5p壳层包围。壳层包围。4f4f电子在基态能级和激发态能电子在基态能级和激发态能级之间跃迁就能产生光子，而且由于有级之间跃迁就能产生光子，而且由于有5s5s，5P5P壳层的屏蔽，壳层的屏蔽，4f4f电子在跃迁时受温度、晶体场和基体材料的影响很小。电子在跃迁时受温度、晶体场和基体材料的影响很小。稀土金属离子是最常用的发光材料激活剂。稀土金属离子是最常用的发光材料激活剂。（2 2）过渡金属离子）过渡金属离子过渡金属离子具有不完全充满的过渡金属离子具有不完全充满的d d电子壳层，具有复杂电子壳层，具有
36、复杂的的d d一一d d光转换。光转换。（3 3）其它离子）其它离子除过渡及稀土金属离子外，许多金属离子都可以作除过渡及稀土金属离子外，许多金属离子都可以作为掺杂离子，如为掺杂离子，如Pb2+Pb2+、Bi3+Bi3+等，具有等，具有6S6S2 2电子构型，电子构型，它们的发光来源于，它们的发光来源于，S-PS-P转换，这种转换易受基质材转换，这种转换易受基质材料的影响。料的影响。斯托克位移：斯托克位移：一般说来，发光固体吸收了激活辐射的能量一般说来，发光固体吸收了激活辐射的能量h，发射出能量为发射出能量为h的光，而的光，而总小于总小于，即发射光波长，即发射光波长比激活光的波长要增大比激活光的
37、波长要增大。这种效应称作斯托克位。这种效应称作斯托克位移（移（Stokes shift）。）。Eu掺杂掺杂Al2O3激发光谱激发光谱Eu掺杂掺杂Al2O3发射光谱发射光谱（1 1）日光灯）日光灯日光灯是磷光材料的最重要应用之一。日光灯是磷光材料的最重要应用之一。激发源是汞放电产生激发源是汞放电产生的紫外光的紫外光，磷光材料吸收这种紫外光，发出，磷光材料吸收这种紫外光，发出“白色光白色光”。日光灯的构造示意图日光灯的构造示意图 2.2.典型荧光和磷光材料典型荧光和磷光材料Hg白光玻璃壳磷光体料涂层185nm254nm日光灯的构造示意图：日光灯的构造示意图：它由一个内壁涂有磷光体的玻璃管它由一个内
38、壁涂有磷光体的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。通电后，汞原子受到灯丝发出内充有汞蒸气和氩气构成。通电后，汞原子受到灯丝发出电子的轰击，壳层电子被激发到较高能态。当它返回到基电子的轰击，壳层电子被激发到较高能态。当它返回到基态时便发出波长为态时便发出波长为254和和185nm的紫外光，涂在灯管内壁的紫外光，涂在灯管内壁的磷光体受到这种光辐照，就随之发出白光。的磷光体受到这种光辐照，就随之发出白光。Hg白光玻璃壳磷光体料涂层185nm254nm (1)1)离子键的绝缘材料。离子键的绝缘材料。如如Cd2B2O5、Zn2SiO4、3Ca(PO4)2Ca(Cl,F)2等。在这等。在这些材料中，相应激活离子
39、有一套不连续的能级。些材料中，相应激活离子有一套不连续的能级。灯用磷光材料的组成灯用磷光材料的组成 常用的基质晶体有两类常用的基质晶体有两类(2)共价性的半导体化合物共价性的半导体化合物ZnS等。等。对这类材料，基质的能对这类材料，基质的能带结构会由于加入激活剂离子伴随的能级而有所改变。例带结构会由于加入激活剂离子伴随的能级而有所改变。例如，分别掺杂如，分别掺杂Ag+、Sb3+和和Eu2+离子的离子的ZnS磷光体由于激活磷光体由于激活剂不同，而产生特征的光谱和颜色。剂不同，而产生特征的光谱和颜色。日光灯磷光体构成日光灯磷光体构成：双重掺杂了：双重掺杂了Sb3+和和Eu2+的磷灰石。的磷灰石。基
40、质：基质：Ca5(PO4)3F激活剂：激活剂：Sb3+，发蓝光；发蓝光；Mn2+，发桔黄色光，发桔黄色光，Sb3+，Mn2+都加：发出近似白色光。都加：发出近似白色光。用用氯离子部分取代氟磷灰石中氟离子氯离子部分取代氟磷灰石中氟离子，可以改变发射光，可以改变发射光谱的波长分布。这是由于基质变化改变了激活剂离子的能级，谱的波长分布。这是由于基质变化改变了激活剂离子的能级，也就改变了其发射光谱波长。以这种方式小心控制组成比例，也就改变了其发射光谱波长。以这种方式小心控制组成比例，可以获得较佳的荧光颜色。可以获得较佳的荧光颜色。灯用稀土光致发光材料灯用稀土光致发光材料 组成组成 颜色颜色 用途用途
41、Y2O3:Eu 红红 节能灯节能灯 Y(V,P)O4:Eu 红红 高压汞灯高压汞灯 MgAl11O19:Ce,Tb 绿绿 节能灯节能灯 LaPO4:Ce,Tb 绿绿 节能灯节能灯 GdMgB5O10:Ce,Tb 绿绿 节能灯节能灯 BaMgAl10O17:Eu,Mn 兰绿兰绿 节能灯节能灯 BaMgAl10O17:Eu 兰兰 节能灯节能灯 Sr5(PO4)3Cl:Eu 兰兰 节能灯节能灯 Sr3(PO4)2:Eu 兰兰 复印灯复印灯 电视机和计算机显示器等使用的荧光材料电视机和计算机显示器等使用的荧光材料阴极射线致发光材料，阴极射线致发光材料，电子束为激发源。电子束为激发源。显象管用荧光材料要
42、求显象管用荧光材料要求足够高的发光亮度，足够高的发光亮度，余辉时间要求短，余辉时间要求短，这类材料又依黑白和彩色显像管分为：这类材料又依黑白和彩色显像管分为：“白色白色”发光材料和彩色发光材料。发光材料和彩色发光材料。（2）显示用荧光材料）显示用荧光材料阴极射线发光阴极射线发光国产国产y7材料材料 （Zn,Cd）S:Ag 发黄色光发黄色光 国产国产y8材料材料 ZnS:Ag 发蓝色光发蓝色光 国产国产y26 材料材料 y7+y8 发白色光发白色光 （Zn,Be）2SiO4:Mn 发黄色光发黄色光 （Ca,Mg）SiO3:Ti 发蓝色光发蓝色光(1)“白色白色”发光材料发光材料最早研究最早研究“
43、白色白色”发光材料是一类单一组分的材料，发光材料是一类单一组分的材料，主要有主要有ZnSCdS:Ag,Au和和ZnSCdS:P,As，但其效率低，但其效率低，没有得到实际的应用，后来又研制了硫氧化合物材料。没有得到实际的应用，后来又研制了硫氧化合物材料。目前广泛使用的是复合成分材料，例如：目前广泛使用的是复合成分材料，例如：（2）彩色发光材料）彩色发光材料彩色电视机显像管用发光材料有红、绿、蓝三种成分组彩色电视机显像管用发光材料有红、绿、蓝三种成分组成。为了最佳传送颜色。成。为了最佳传送颜色。在阴极射线发光材料中，几年来发展极快、具有前途的在阴极射线发光材料中，几年来发展极快、具有前途的一类材
44、料是稀土型发光材料一类材料是稀土型发光材料。稀土型材料既能承担激活剂的。稀土型材料既能承担激活剂的作用，也能作为发光材料的基质，而且具有极短余辉、颜色作用，也能作为发光材料的基质，而且具有极短余辉、颜色饱和度和性能稳定的特点，并且能够在高密度电子流激发下饱和度和性能稳定的特点，并且能够在高密度电子流激发下使用，因此在彩电显像管中得到广泛使用。使用，因此在彩电显像管中得到广泛使用。发光机理：发光机理：当一束高能电子束打在发光体上，部分穿透到当一束高能电子束打在发光体上，部分穿透到固体中并在其中失去能量，处于基态固体中并在其中失去能量，处于基态E1E1位置的电子吸收外位置的电子吸收外界高能量子而跃
45、迁到微发态界高能量子而跃迁到微发态E2E2。由于电子在高能级不稳定，。由于电子在高能级不稳定，因而电子从激发态跃迁到基点时，便发生发光现象。因而电子从激发态跃迁到基点时，便发生发光现象。彩色显像管用发光材料示例彩色显像管用发光材料示例颜色颜色 组组 成成 色色 度度 主峰波长（主峰波长（nm）能量效率（）能量效率（%）10%余辉余辉 x y红红 Zn3(PO4)2:Mn 0.665 0.335 663 6.7 27ms （Zn,Cd）S:Ag 0.665 0.336 670 16.0 YVO4：Eu 0.664 0.330 620 7.1 1-3ms Y2O3:Eu 0.640 0.352 6
46、10 8.7 1-3ms Y2O3S:Eu 0.648 0.344 626 13.0 0.5-2ms绿绿 Zn2SiO4:Mn 0.218 0.712 525 7.4 25ms （Zn,Cd）S:Ag 0.300 0.600 535 19.8 0.05-2ms （Zn,Cd）S:Al 0.357 0.596 535 18.4 15-30s ZnS:Cu,Al 0.243 0.633 530 21.8 15-30s ZnS:Cu,Au,Al 0.332 0.602 535 15-30s蓝蓝 ZnS:,Ag 0.146 0.057 450 20.4 5-15s品字型电子枪品字型电子枪 一字型电子枪
47、一字型电子枪颜色混合模式颜色混合模式一、激光与激光器7.3 激光材料激光材料l20世纪四大发明：原子能原子能 计算机计算机 半导体半导体 激光器激光器l激光应用通信：通信：激光武器激光武器医学医学l英文名：英文名：LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)“受激辐射的光放大受激辐射的光放大”l中文名：中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激光受激辐射辐射”改称改称“激光激光”“最快的刀最快的刀”“最准的尺最准的尺”“最亮的光最亮的光”激光激光1、激光及激光器概述、激
48、光及激光器概述2 2、激光原理、激光原理电光是如何转换的？电光是如何转换的？(a)：自发辐射：自发辐射 处于高能级态的原子处于高能级态的原子自发自发跃迁到低能级态，并同时向外跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子；辐射出一个光子；宏观表现：发光宏观表现：发光1221EEh光子能量：(b)：受激吸收：受激吸收 处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子，收一个光子，跃迁到高能级态；跃迁到高能级态；宏观表现：光被吸收宏观表现：光被吸收(c)：受激辐射：受激辐射 处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，处于高能级态的原子在一定条
49、件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。的光子。宏观表现：光被放大宏观表现：光被放大p自发辐射与受激辐射的区别自发辐射与受激辐射的区别自发辐射：自发辐射：完全是一种随机过程，各发光原子的发光过完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一由于激发能级有一个宽度，所以发射
50、光的频率也不是单一的，而有一个范围。的，而有一个范围。受激辐射：受激辐射：原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。位都完全一样。p结论：受激辐射是产生激光的唯一渠道。结论：受激辐射是产生激光的唯一渠道。受激辐射占主导的必要条件；受激辐射受激辐射占主导的必要条件；受激辐射受激吸收受激吸收p实现受激辐射实现受激辐射受激吸收的方法：受激吸收的方法：使处在高能级的原子数目比处在低能级的多使处在高能级的原子数目比处在低能级的多 粒子数反转粒子数反转如何从技
