81 第5 章 固体的光性质和光功能材料 固体的光性质,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。基于这些性质,可以开发出光学晶体材料、光电材料、发光材料、激光材料以及各种光功能转化材料等。在本章中,我们从固体对光的吸收的本质开始,然后介绍光电材料、发光材料和激光材料等。 §5.1 固体对光的吸收与光电转换材料 5.1.1 固体光吸收的本质 我们先讨论纯净物质对光的吸收。 在第1 章里我们已讨论了固体中电子的能带结构,绝缘体和半导体的能带结构如图5.1 所示,其中价带相当于阴离子的价电子层,完全被电子填满。导带和价带之间存在一定宽度的能隙(禁带),在能隙中不能存在电子的能级。这样,在固体受到光辐射时,如果辐射光子的能量不足以使电子由价带跃迁至导带,那么晶体就不会激发,也不会发生对光的吸收。例如,离子晶体的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。碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由~25μm 到250nm,相当于0.05~5ev 的能量。当有足够强的辐射(如紫外光)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,这样就发生了光吸收。这种与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收,称作基础吸收或固有吸收。例如,CaF2的基础吸收带在 200nm(约 6ev)附近,NaCl 的基础吸收约为8ev,Al2O3的基础吸收约在9ev。 图51 绝缘体和半导体的能带结构 图5.2 离子晶体的激子能级 导带 价带 能隙 (禁带) 导带 价带 能隙(禁带) 激子能级 82 除了基础吸收以外,还有一类吸收,其能量低于能隙宽度,它对应于电子由价带向稍低于导带底处的的能级的跃迁有关。这些能级可以看作是一些电子-空穴(或叫做激子,excition)的激发能级(图5.2)。处于这种能级上的电子,不同于被激发到导带上的电子,不显示光导电现象,它们和价带中的空穴偶合成电子-空穴对,作为整体在晶体中存在着或运动着,可以在晶体中运动一段距离(~1μm)后再复合湮灭。 我们现在接着讨论缺陷存在时晶体的光吸收。 我们在第3 章已经讲过,晶体的缺陷有本征的,如填隙原子和空位,也有非本征的,如替代杂质等。这些缺陷的能级定于在价带和导带之间的能隙之中。当材料受到光照时,受主缺陷能级接 图5.3 跨...