第四章材料的光学性质

光的吸收与透射
金属的光吸收
• 在金属中，因为价带与导带重叠，它们之间没有能隙，因 此不管入射光子的能量多小，电子都可以吸收它而跃迁到 新的能态上去。所以金属能吸收各种波长，是不透明的 （只有金属箔的厚度<0.1μ m时才能透过可见光）。对所 有低频电磁波（从无线电波到紫外光）都是不透明的。只 有对X射线和γ 射线才是透明的。 • 大部分被金属吸收的光又会从表面上以同样的波长的光波 反射出来，其反射系数在0.9～0.95之间。在其他材料的 衬底上镀上金属膜可制作反光镜。金属的颜色是由反射光 的波长决定的。
材料的发光性能• 材Fra bibliotek吸收外界的能量后，其中部分能量以频率在可见光 范围内向外发射（能量为1.8～3.1eV），这称为发光。 与热辐射发光相比，这称为冷发光。 • 对于金属，因为价带与导带重叠没有能隙，光吸收后发 射光子的能量很小，其对应的波长大于可见光的光谱范 围，因而没有发光现象。
材料的发光性能
补充复习题：
1、绝缘体的禁带宽度Eg与透过的光线波长λ 的关系。
2、发光材料所发光的波长与Eg、Ed的关系。
光子的能量
• 光具有波动和微粒两重性 • 考虑光的微粒性时，光的能量就不是均匀连续地分布在它 传播的空间，而是集中在一个个光子上，光子的能量为 c E h h

光的动量为
p h/
式中h为普朗克常数，6.62×10-34J/s，ν 为光的频率，c 为光速，3×108m/s，λ 为波长。可见光子的能量与其波 长成反比，与频率成正比。当电子吸收光子时每次总是吸 收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。
光的全反射和光导纤维
光线从光密介质传播到光疏介质 时，在入射角大于θ c时，不再有 折射光线，入射光能量全部反射， 称为全反射。其临界条件为
sin c n2 v1 sin c n1 v2 sin 90
普通玻璃对空气的临界角为42°
光导纤维的应用
光纤通讯的优点：传输损耗低、频带宽、尺 寸小、能弯曲，可避免辐射干涉、保密性好 等。
• 另一类材料，因含有杂质和缺陷，在能隙中引入了施主能 级，被激发到导带中的电子在返回价带之前先落入施主能 级，并被俘获停留一段较长的时间，电子在逐步逃脱这个 陷阱之后才返回价带中的低能级，这时相应的放出光子， 其波长为 hc

E g Ed
• 由于这种发光能持续一段较长时间，便称为磷光。
材料的发光性能
• 磷光与荧光的大致分界是激发源去除后， 发光时间短于10-8s称为荧光，时间更长的 称为磷光。在彩色电视机中使用了三种磷 光材料，人为地设计出不同的能隙，使它 们分别产生红绿蓝三种磷光。 • 公路交通中应用的夜间路标都用长余辉的 磷光体。
• 例题 ZnS的能隙为3.54eV，要激发ZnS的电子需要光子的波长使多少？如在 ZnS中加入杂质，使之在导带下的1.38eV处产生一能量陷阱，试问发光 时的波长是多少？ 解：（1）激发电子进入导带的最大波长为
• 对一些陶瓷与半导体材料，就可能产生发光。 • 外界激发源使电子跃迁到导带，但电子在高能级的导带 中是不稳定的，停留的时间很短，只有10-8s左右，就又 自发的返回低能级的价带中，并相应的放出光子，其波 长为 hc/ Eg 。当外界激发源去除后，发光现象随即 很快消失，这称为荧光。
材料的发光性能
本征半导体的光吸收
• 对半导体来说，其能隙小于绝缘体。如为本征半 导体，当光子的能量大于能隙，价带中的电子就 被激发到导带中去，这称为本征吸收。对于Si和 Ge，其能隙分别为1.1eV和0.7eV。可从公式
hc Eg
算得能通过的最短波长。因而得知Si和Ge对较短 的波长（如可见光）是不透过的，产生吸收。而 对于波长较长的红外线则是透过的。
此相当于红外线谱，不可见。 （3）当电子逃脱陷阱再返回价带，发射光子的波长为
hc (6.62 1034 )(3 108 ) m 5747A 19 E g Ed (3.54 1.38)(1.6 10 )
此为可见光，呈黄色。
热辐射
• 当材料开始加热时，电子被热激发到较高 能态。当它们跳回正常能级时就会发射出 低能长波光子（红外线），波长位于可见 光之外。温度增加发射有短波光子，材料 开始显示红、橙、黄的混合颜色。在高温 下材料辐射所有可见光的光子，所以成为 白光辐射，即看到材料呈白亮色。 • 白炽灯就是热辐射发光的应用。 • 红外夜视仪的应用。
绝缘体的光吸收
• 对多数绝缘体材料，在价带与导带间有较大的能隙，电子 不能获得足够大的能量逃逸出价带，因此也就不发生吸收。 如果光子不与材料中的缺陷有交互作用，绝缘材料就是透 明的，如玻璃、高纯度的结晶陶瓷和无定形聚合物都是这 种情况。 • 显然，只有光子的能量hν（或hc/λ）大于禁带宽度Eg时， 才能产生这种吸收机制。可以算出，Eg>3.1eV时，不可 能吸收可见光，因而对可见光是透明的。Eg<1.8eV时， 能吸收所有可见光，是不透明的。1.8eV<Eg<3.1eV时， 能吸收部分可见光，这类材料常常是带色透明的。
根据惠更斯原理推导出 光的反射定律和折射定律
光的反射率、透过率和吸收率
•光照射到某种材料上时将产生光的反射与折射、光的吸 收与透射。 •设入射光的能量为W，反射光的能量为W’，根据能量守 恒，可得出w=w’+w吸收+w透射
光的反射率、透过率
W n21 1 • 光的反射率m为 n 1 m W 21 2 W n2 1 n 1 m • 如介质1为空气，n21=n2，则有 W 2
hc (6.62 1034 )(3 108 ) 7 m 3.506 10 m 3506A 19 Eg (3.54)(1.6 10 )
这个波长相当于紫外线。 （2）在电子返回价带之前首先落入了陷阱，其发射光子的波长为
hc (6.62 1034 )(3 108 ) m 8895A 19 Ed (1.38)(1.6 10 )
第四章 材料的光学性质
光的波粒二象性
• 人们通常所说的光是是一种能引起视觉的电磁辐 射，波长范围0.39～0.77μ m，只在电磁波谱中占 很窄的一部分。可见光的颜色取决于光的波长。 白光是各种带色光的混合光。 • 无线电波和微波、红外光是由原子振动或晶格结 构改变引起的低能、长波辐射。X射线、紫外光和 可见光都是与原子的电子结构改变相关的。γ 射 线是改变原子结构产生的，具有很高的能量。它 们本质上都属于电磁辐射。 • 紫外光和X射线的波长没有明确的分界，X射线和 γ 射线也没有明确的波长界线，人们是根据它们 产生的方法来区分的。
• 入射角、反射角和折射角 • 折射定律 sin 1 n2 v1 n21 • 相对折射率 sin 2 n1 v2 称为第二介质相当于第一介质的相对折射率 • 绝对折射率－第一介质为真空时
sin 1 c n2 sin 2 v
n2 为第二介质的绝对折射率，简称折射率 两种介质相比，光的传播速度较大者称为光疏介质，其折射率 较小。光的传播速度较小者称为光密介质，其折射率较大。
透明材料的颜色
电子受激从高能态回到低能态又会重新反射出光子，其波长 不一定与吸收光的波长相同。因此，透射光的波长分布是非 吸收光光波与重新发射光波的混合波，透明材料的颜色由混 合波的颜色决定。 蓝宝石是Al2O3单晶，无色。红宝石是在Al2O3单晶禁带中引 入Cr3+的杂质能级，造成了对光波的选择性吸收（对约0.4μ m 的蓝紫色的光和对约0.6μm 的黄绿光的强烈选择性吸收）。 非吸收光和重新发射的光波决定其呈红色。
材料的不透明性与半透明性
一般说，由折射率各向异性的微晶组成的多晶体是半透明 的，或不透明的，光线在相邻微晶的界面处发生反射和折 射，变得十分弥散。 当光线通过分散的很细的两相体系时，也因折射率不同发 生散射。如非晶均相高聚物是透明的。而结晶高聚物是晶 区和非晶区的混合体系，是半透明或不透明的。 陶瓷材料如是单晶体，一般是透明的。当大多数陶瓷由晶 相、玻璃体和气孔组成，一般是不透明的。
光的速度
• 电磁波在真空中的传播速度为c=3×108m/s
c 1
0 0
式中ε0、μ 0分别为真空中的介电常数和磁导率 • 当光在介质中传播时，其速度v由下式决定 c v
r r
式中εr、μ r分别为介质的介电常数和磁导率 • c与v的比值称为介质的折射率n
c n v
光的反射与折射
掺杂半导体的光吸收
• 如果是掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和 受主能级，（Ed和Ea），就会产生吸收。
• 根据能隙标准判断时，绝缘体和多数半导 体，其对于长波长的光子是能透过的，因 而是透明的。然而一些杂质会产生施主和 受主能级，另一些缺陷象气孔和晶界可使 光子被散射，使材料变得不透明。结晶的 聚合物就比无定形聚合物更容易吸收光子。
2
• 1-m为透射率。如n1=n2(即v1=v2，或n21=1)，则m=0，光 线全部透过。 • 光线由空气入射到玻璃时，n2=1.5，可算得光线在第一界 面的反射率m=0.04，透过率为（1-m）=0.96。光线透过 第二界面的比例为（1-m）2=0.922。透过两片玻璃时透 过率为0.85，透过四片玻璃时透过率为0.722。 • 要减小反射率，可在玻璃表面镀增透膜，或将多片玻璃用 胶粘合（胶的折射率与玻璃相近），消除空气隙。