第四讲-激子与发光

合集下载

量子点发光原理

量子点发光原理

量子点发光原理
在介绍量子点发光原理之前,需要先了解一些基础概念。

量子点是一种纳米级的半导体材料,其尺寸通常在几纳米到几十纳米之间。

由于其尺寸小于光的波长,所以量子点显示出与宏观物质截然不同的光学和电子性质。

量子点发光的原理是通过量子尺寸效应来实现的。

当量子点被激发时,电子从价带跃迁到导带,形成激子。

激子是由电子和空穴组成的一对粒子,它们在量子点内部相互绕核转动。

当激子再次重新组合时,会释放出能量,产生发光现象。

量子点的尺寸对其发光性质具有重要影响。

由于量子点的尺寸是可以调控的,这意味着我们可以通过控制量子点的尺寸来调整其发光的波长。

当量子点的尺寸较小时,能带之间的能量差较大,发光波长较短;而当量子点的尺寸较大时,能带之间的能量差较小,发光波长较长。

此外,量子点的发光效率也非常高。

传统的发光材料往往会有一部分能量以热的形式散失,而量子点则能够将大部分能量转化为光,这使得量子点在显示技术和照明领域具有广泛的应用前景。

总的来说,量子点发光原理是通过控制量子点的尺寸和能带结构,以及激子的形成和复合过程来实现的。

这种原理使得量子点能够产生出高效、可调控的发光效果,为光电子学领域提供了一种新的解决方案。

第四讲-激子与发光

第四讲-激子与发光

electric f第ie四ld讲a-n激d子te与nd发t光o ionize excitons.
8
Experimental data for free excitons in GaAs
•Exciton absorption of ultra pure GaAs at 1.2 K. •hydrogen-like energy spectrum of the exciton in the vicinity of the band gap.
•Mort density Nmott: the density at which the exciton-exciton distance is equal to the exciton diameter:
N Mott
1
4 3
rn3
•High density is achievable with a focussed laser beam.
•E1=1.5149 eV, E2=1.5180 eV, E3=1.5187 eV •Eg=l.5191 eV, agree with other measurements.
•The experimental Rx=4.2 meV is in good agreement with the
calculated value.
第四讲-激子与发光
3
The concept of excitons
•In semiconductors and insulators: photon absorption electrons in the conduction band and holes in the valence band. •Exciton: bound electron – hole pair by Coulomb interaction

发光的定义基本物理过程及现象

发光的定义基本物理过程及现象

发光的定义基本物理过程及现象发光是指物体在受到能量激发后,产生光的现象。

光的发射主要通过两个基本物理过程实现,即激发和辐射。

在物体中,原子和分子都存在能级结构。

当物体受到能量激发时,能级会发生变化,电子从一个低能级跃迁到一个高能级。

这个过程被称为激发。

激发过程中吸收的能量很快被转化为电子的激发能和内能,因此在物体中产生了热。

当电子由高能级跃迁回低能级时,多余的能量以光子的形式辐射出来,这个过程被称为辐射。

激发和辐射过程的能量差决定了光子的频率和波长。

根据光的频率和波长,可以将发光现象分为不同的类别。

例如,当电子在原子或分子的束缚态上发生跃迁时,产生的发光谱称为吸收谱。

而当电子由游离态跃迁回到束缚态时,产生的发光谱称为发射谱。

由于每个化学元素都有独特的能级结构,它们的发射谱可以用于元素的鉴定。

此外,当物体被激发后,发射出的光会产生连续的谱线,这被称为连续谱。

而当电子跃迁距离很大时,发出的光会以线状分布,形成线状光谱。

发光现象还可以通过不同机制进行分类。

其中一个是荧光和磷光,它们都是在外部施加的光源消失后仍然发光的现象。

荧光是指物体在激发后立即发光,并且在激发光源移除后迅速停止发光。

而磷光是指物体在激发后可以持续辐射出光,即使激发光源被移除。

这是因为物体中的电子在从高能级跃迁到低能级时需要经过一个产生能级的过程,这个过程需要一定的时间。

因此,在磷光物体中,电子可以在停止激发后继续发射光子,直到电子全部跃迁到低能级。

此外,发光现象还可以通过激发方式进行分类。

在常见的发光体中,激发方式可以是电子激发、能量转移和离子束激发。

电子激发是指通过电子的能量来激发物体发光,例如荧光灯和LED灯。

能量转移是指通过能量的传递来激发物体发光,例如磷光体。

离子束激发是指通过高能离子束轰击物体,使得物体中的电子激发并发射光,例如离子束发光器。

总的来说,发光是物体受到能量激发后产生光的现象。

通过基本的激发和辐射过程,不同的发光体可以产生各种不同的光谱和发光效应。

发光物理答案

发光物理答案
二十二、会分析上转换发光和量子剪裁的电子跃迁过程
上转换发光:1、激发态吸收 ——激发过程为:第一个光子激发3F2的声子边带,由于3F2、3F 3和3H4相距很近,电子很快弛豫到3H4。在这里,电子可能吸收第二个光子跃迁到1D2,也可 以跃迁到基态发出红外光,或者跃迁到3F4。这个能级上的电子吸收第二个光子跃迁到1G4。1G 4 上的电子吸收第三个光子跃迁到3P1,然后弛豫到1I6 2、上转换发光中的吸收雪崩现象 ——基态(|0>)上的电子吸收一个光子跃迁到能级|1>,然后
低能→高能发光 上转换机理包括激发态吸收、吸收雪崩、能量传递。 激发光谱:(excitation spectrum ),给出发光功率与波长、频率或者辐射量子的能量的关系的曲线称 为激发光谱。(发光光谱、发射光谱) 余辉:当发光材料激发停止后,发光有一个较长的延续时间,这个过程称为余辉。就是在激发即外界作 用停止后发光不是马上消失而是逐渐变弱。(长的可达几十小时,短的甚至有 10-12 秒) Stokes 位移:光致发光的光谱一般出现在比吸收光能量更低(长波长)处,这种现象称为斯托克斯效应。 被光激发后物质的电子在从激发态回到基态发光之前,会与周围的原子发生作用使其激发能的一部分以 热等其他形式发生不是辐射的能量移动而引起失活,因此产生能量差。这种激发光与发光之间的能量差 称为斯托克斯位移。由于荧光物质分子吸收的光能经过无辐射去激的消耗后,降至 S1 态的最低振荡能级, 因而所发射的荧光的波长比激发光长,能量比激发光小,这种现象称为 stokes 位移. 能量传递:两个中心间相互作用引起的一种跃迁,这种跃迁的结果是激发(能量)由一个中心转移到另 一个中心。 交叉弛豫:可以发生在相同或不同类型的离子之间,同时位于激发态上的两种类型离子,其中一个离子 将能量传递给另外一个不同类型的离子使其跃迁至更高能级,而本身则无辐射驰豫至能量更低的能级。只 有一部分激发能参与能量传递。

量子点发光原理详解

量子点发光原理详解

量子点发光原理详解
量子点是一种纳米级别的半导体材料,因其尺寸很小,可以展现出独特的物理和化学特性。

其中最主要的特性之一就是量子点发光。

量子点发光原理涉及到半导体物理中的两个基本原理:激子和能带。

激子是由一个电子与一个空穴结合形成的一种复合粒子。

当半导体物质受到外部能量激发时,电子从价带跃迁到导带,留下了一个空穴在价带中。

这将导致电子和空穴在晶体中重组,产生激子。

而激子陷阱是半导体导带和价带的中间能级,这是半导体材料的一种性质。

在半导体中,电子可以从价带跃迁到导带,同时释放出能量。

当电子从导带跃迁回该半导体的价带时,会释放出能量并发射出光子。

这就是半导体内在的发光机制。

然而,量子点与其他半导体不同,量子点粒子大小与电子波长处于相同大小的尺度上,因此其能级结构变得连续,从而表现出了独特的物理和光学特性。

当外部能量激发它们时,它们可以产生不同波长的发光。

通过调整粒子大小及其所在的半导体类型,可以精确地控制发光的波长。

总之,量子点发光原理是基于半导体物理中的能带理论和激子陷阱理论。

它们是目前最热门的纳米发光材料之一,已经在许多领域应用,如生物成像,LED显示,太阳能电池等。

有机光电材料的发光机理及应用探讨

有机光电材料的发光机理及应用探讨

有机光电材料的发光机理及应用探讨有机光电材料是一种新兴的材料,它在发光、电子传输等方面具有优良的性能,得到了广泛的关注。

本文将介绍有机光电材料的发光机理及其在实际应用中的探讨。

一、有机光电材料的发光机理有机光电材料主要是指有机小分子和聚合物,其中许多物质可用于制备发光材料。

有机发光材料的发光机理主要是通过激子的生成和解离完成的。

1. 激子的生成激子是一种加电子的正电荷孔(hole)和带负电子的电子(negative electron)所组成的轨道。

当有机分子受到激发时,电子会被激发到高能态,形成激子。

2. 激子的解离当激子处于高能态时,由于其能量状态的不稳定性,会很快解离。

为了保持能量平衡,激子释放出微小的光量子,能量退降到稳定状态。

3. 发光机理有机光电材料的发光机理是基于激子的生成和解离。

当电子处于第一激发态时,它处于一种半导体状态,能够传导电子,但发射光子的能量被吸收,进而造成激子的重新形成。

其中,光的波长与能量相对应,能量越高,波长就越短,而发射的波长就被称为荧光发射峰。

二、有机光电材料的应用探讨1. 有机光电材料在显示技术中的应用有机光电材料在显示技术中应用很广泛,可用于OLED显示器、LED照明、显示屏和手机屏幕等。

这些发光材料可以根据需要调节其宽度,使其具有不同的发射光谱和颜色。

2. 有机光电材料在荧光生物成像中的应用有机小分子和聚合物是生物成像中主要的发光染料,其荧光发射峰与生物大分子的吸收波长相对应,其化学结构也可进行改变,使其适用于不同的生物成像应用。

可以使用不同的成像技术,例如点扫描成像技术和全息成像技术,以获取生物标记的荧光图像。

3. 有机光电材料在能够发光难以测量的环境中的应用有机光电材料是一种用于监测环境中微量气体的有效方法。

例如,烟雾探测器是一种将有机物与化学物质氧化以产生光的振荡方法,以进行检测。

此外,有机光电材料可以在化学反应中监测特定荧光偏振和荧光发射波长的变化,以识别不同的化学物质、分子和元素。

第四章-激子光谱讲课教案

第四章-激子光谱讲课教案

Ge
GaAs
❖ 典型半导体
GaP
Eb
14.7
3.8-4.1
4.2 21.5
材料 Eb
ZnSe 17 ZnTe 12 InP 4.0 InSb 0.4
m* 小,

m*0.1, 10,
Eb(n=1) 10 meV, rex(n=1) 50 Å,
GaSb 1.6 ZnO 59 GaN 28*
AgBr 20 Cu2O 21 TiBr 6.0
n+2I2
n+2I1
n-2I2
n-2I1
一维单原子链F激子
一维双原子链F激子
Frenkel激子的吸收光谱
Kr晶体Frenkel激子吸收双 线, E=0.6eV
NaBr晶体Frenkel激子吸收双 线, E=0.5eV
NaBr上的F激子基态:1S0(由Br- 或Kr原子组态4s24p6决定), 激发态:2P3/2, 2P1/2, E=0.5eV, (由第一激发态 4p55s1决定)

临界点上波包的群速度
VK0
1 h[KE(K)]K0
相等
❖束缚,激子结合能
图4.1允许的激子跃迁:1.5195-1.5155 0.004 eV(4meV)
图4.2禁戒的激子跃迁: 2.172-2.148 0.024 eV(24meV) 室温kBT 26meV
❖分类:
➢ 紧束缚,Frenkel激子:绝缘体,分子晶体 ➢ 弱束缚,Wannier激子:半导体
临界点的作用
➢ KEc(K) = KEv(K) = 0 ,KEc(K)KEv(K) = 0
➢ 临界点上波包的群速度
1 VK0 h[KE(K)]K0
相等

自由激子与束缚激子的复合发光-PL

自由激子与束缚激子的复合发光-PL

ZnSe晶体 晶体10K下自由和束缚激子的发 晶体 下自由和束缚激子的发 材料系用MOVPE (metal organic 光。材料系用 vapor phase epitaxy)方法,原材料为 方法, 方法 二甲基锌( 二甲基锌(DMZn)和二甲基硒,上 )和二甲基硒, 普通DMZn ;下图:纯化 DMZn 下图: 图:普通
8
激子光谱分析
带隙E 带隙 g L EbFE = R* = E g E FE 自由激子结合能 L EbBX = E g R * E BX 束缚激子结合能 杂质能激级E 见下文) 杂质能激级 D, EA (见下文) 见下文
9
束缚激子的双电子跃迁(DBE) 束缚激子的双电子跃迁
束缚激子的电子与空穴复合所释放的能量一部分用于发光, 束缚激子的电子与空穴复合所释放的能量一部分用于发光, 另一部分用于对中性施主中另一电子的激发, 另一部分用于对中性施主中另一电子的激发,该过程被称 为束缚激子的双电子跃迁
4.4 自由激子与束缚激子的复合发光 自由激子与束缚激子的复合发光-PL
自由激子( ) 自由激子(FE)复合
直接与间接复合 声子伴线
h 2 K ex 2 m* Eex = E g E1 + 13.6(eV ) ≈ Eg * * 2 2( me + mh ) mε K ex ≈ ± ∑ qn , n = 1, 2, ..., N
自由激子发射与带边发射PL谱 自由激子发射与带边发射 谱
自由激子PL谱 谱线,精细结构;材料纯度高, 自由激子 谱:谱线,精细结构;材料纯度高,结晶质量好 带边发射:谱带,无精细结构;升温,掺杂,改变维度 带边发射:谱带,无精细结构;升温,掺杂,
(a) (b)
GaN的(a)低温下激子发光和 的 低温下激子发光和 低温下激子发光和(b) 室温下带边紫外发光
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

energy ~ 0.01 eV
binding energy ~ 0.1 -1 eV.
4
第四讲 Excitons
•The concept of excitons •Free excitons •Free excitons at high density •Frenkel excitons
5
Binding energy and radius of free excitons
•The experimental Rx=4.2 meV is in good agreement with the calculated value.
9
第四讲 Excitons
•The concept of excitons •Free excitons •Free excitons at high density •Frenkel excitons
14
Rare gas crystals
•Crystallize at cryogenic temperatures. •Large band gap, Neon has the largest band gap in nature. •Exciton transitions all occur in the vacuum ultraviolet spectral range • Binding energies are very large.
•Frenkel激子 (束缚激子):
Observed in semiconductors; Observed in insulators and molecular
large radius; delocalized crystals; smaller radius; localized
states; move freely; binding states; less mobile and hoping;
•narrow gap semiconductors: RH is so small that exciton effects is hard to observe.
(Eg=1-3eV, free excitons behavior is best observed)
7
Exciton absorption
11
Density Effects:
1. electron-hole plasma
weakening and broadening of the exciton absorption line is observed (absorption saturation, nonlinear effects).
observe in the absorption spectra of indirect semiconductor)
•At the Brillouim zone centre of direct semiconductor: k=0 and zero gradient.
Eectron-hole pairs created by direct transition and have the same velocities.
Frenkel excitons
•occurring in large band gap materials with small dielectric constants and large effective masses. •small radii and large binding energies, 0.1 eV to several eV, stable at room temperature. •propagating through the crystal by hopping .
Two types of excitons:
Wannier激子(自由激子)
•Stable excitons will only be formed if the attractive energy >>kBT (0.026eV at room temperature) •Free excitons are stable at cryogenic temperature. •Tight bound excitons are stable at room temperature.
•Exciton creation: electron-hole pairs and same velocities. •The group velocity of an electron or hole in a band is given by:
g
1 E k
•Free excitons are typically observed in direct gap semiconductors. (hard to
•The radius of the electron-hole orbit:
rn

m0

r n2aH
n2aX
aX
aH
r m0
aH is the Bohr radius of the hydrogen atom (5.29 10-11m) and ax is the exciton
Bohr radius.
•ground state with n = 1 has the largest binding energy and smallest radius.
n>1: less strong binding energy and larger radius.
•Biding energy tends to decrease and ax to increase as r increase.
2. Biexcitons (exciton molecules)
equivalent process to the formation of an H2 molecule; new feature line can be found.
3. electron- hole droplets
Broad feature line at lower energy than the free exciton
electric field and tend to ionize excitons.
8
Experimental data for free excitons in GaAs
•Exciton absorption of ultra pure GaAs at 1.2 K. •hydrogen-like energy spectrum of the exciton in the vicinity of the band gap. •E1=1.5149 eV, E2=1.5180 eV, E3=1.5187 eV •Eg=l.5191 eV, agree with other measurements.
•The energy of the nth level relative to the ionization limit
En


m0 r 2
RH n2
RX n2
RX

(
/
m0
2
r
)
RH
RH is the Rydberg constant of the hydrogen atom (13.6 eV). RX: exciton Rydberg constant.
3
The concept of excitons
•In semiconductors and insulators: photon absorption electrons in the conduction band and holes in the valence band. •Exciton: bound electron – hole pair by Coulomb interaction
•Free excitons can only be observed in very pure samples.
Impurities: screening the Coulomb interaction in the exciton
and thereby strongly reduce the binding forces; generating
•Free excitons: weakly bound electron-hole pair; a hydrogenic system
•Applying the Bohr model to the exciton, considering dielectric constant r of the medium and the reduced mass of electron and hole.
Therefore, strong excitons occur in the spectral region close to the fundamental
band gap.
• The energy of exciton absorption is:
En

Eg

RX n2
•Band edge absorption spectrum for a direct gap semiconductor with excitonic effects included. The dashed line shows the expected absorption when the excitonic effects are ignored.
6
•Rx tends to increase and ax to decrease as Eg increases.
相关文档
最新文档