固体的光学性质和光电现象

固体材料发光的过程固体材料发光是指一种特殊的物理过程，通过该过程使一些物质在受到外界激发后，从基态的低能级跃迁到激发态的高能级，随后再退回到基态而释放出能量。

这种能量释放就被称为发光。

在科学研究中，固体材料发光的过程又被称为发光效应。

发光效应除了在物理学中有着广泛应用外，也在许多现代高科技领域中发挥着重要作用，例如发光二极管（LED）、激光、荧光探测等。

因此，我们有必要更加深入地了解这种特殊的物理现象。

1. 固体材料发光的原理在固体材料中，原子与原子之间会相互作用，这种相互作用被称为晶格振动。

当固体材料受到能量激发时，晶格振动也会加强。

在这种情况下，一部分电子会从基态跃迁到激发态，形成一个高能电子空穴对。

在跃迁过程中，能量被吸收，电子将占据更高的能级。

接着，高能电子会以自旋转移过程或释放光子的形式退回到基态能级，此时它会释放出能量，使光子被激发并发出光线。

发出的光的颜色和物质交互的能量有关。

2. 固体材料发光的分类固体材料发光根据其发光机理的不同，可以分为热光发射、荧光发射、磷光发射三类。

（1）热光发射热光发射是指当物质被激发时，由于物质自身迁移、俩常相互碰撞、杂质等因素导致激发态电子从一个能级到达另一个能级，从而产生较为连续的光谱。

热发射通常重点考虑于固体，例如，金属的金属氧化物复合物（MOSFET）器件中，金属掺杂杂质随热上升转移时会发射光谱。

（2）荧光发射荧光发射是指物质在光子激发下产生荧光现象。

当物质受到较短的光辐射时，它的电子会从基态跃迁到激发态，它们会留在高级位置，直至它们的能量低于最初吸收的激发光子的能量。

此时，电子就会返回到基态位置，发散一个与吸收的激发光子的波长不相同、色散谱具有特定势能和外激发电子几何形状的新光子。

荧光相机、光发光材料、光伏器件都是荧光效应的应用物。

（3）磷光发射磷光发射是指物质激发到亚稳态和稳态后，再向低能级跃迁发射光谱。

它又被分为自激发发光、导致发光、化学发光三个部分。

一、概述自然界中存在着众多物质，其中的电子是构成物质的最基本组成部分之一。

而电子的能量状态则决定了物质的性质和行为。

在固体物质中，电子的能量状态由费米能级来描述。

费米能级是指在零温度下能量最高的电子能级，也即费米分布函数在零温度下为阶梯函数的分布函数，这个能级称为费米能级。

在费米能级以下的能态被填满，而在费米能级以上的能态则为空。

这种分布方式导致了固体物质的许多特性，如导电性和热传导性。

二、零电点时的平带电位1. 平带电位的概念平带电位是指在固体中，没有外界电场的情况下，能量最高的电子能级对应的电势。

在这种情况下，费米能级对应的能量即为零电点时的平带电位。

2. 零电点时的平带电位的意义零电点时的平带电位是固体物质中一个非常重要的参量，它决定了固体的电子能级分布情况。

这对于理解固体的导电性、热传导性和其他电子行为具有重要意义。

三、费米能级和平带电位1. 费米能级和平带电位的关系在固体物质中，费米能级可以通过平带电位来描述。

在没有外界电场的情况下，费米能级对应的能量即为零电点时的平带电位。

2. 平带电位对费米能级的影响平带电位的变化会导致费米能级的移动，这对固体的性质会产生重要的影响。

在外界电场的作用下，平带电位会发生变化，从而影响费米能级的位置。

四、平带电位的测量方法1. Hall效应Hall效应是一种常用的测量平带电位的方法。

利用外加磁场使载流子发生侧向偏转，从而测量出载流子浓度和载流子迁移率，进而得出平带电位的数值。

2. 光电子发射光电子发射是另一种测量平带电位的方法。

利用光激发固体中的电子，测量出电子的动能和入射光子的能量，从而可以得到平带电位的数值。

五、结论本文介绍了零电点时的平带电位的概念和意义，并阐述了费米能级和平带电位的关系以及平带电位的测量方法。

零电点时的平带电位在固体物质中具有重要的意义，它决定了固体的电子能级分布情况，对于理解固体的导电性、热传导性和其他电子行为具有重要意义。

平带电位的测量对于研究固体的电学性质具有重要的意义。

第六章固体中的光吸收和光发射光通过固体后，其强度或多或少地会减弱，实际上就是一部分光能量被固体吸收。

而固体施加外界作用，如加电磁场等激发，固体有时会产生发光现象。

这里涉及两个相反的过程：光吸收和光发射。

光吸收：光通过固体时，与固体中存在的电子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用而产生光的吸收。

光发射：固体吸收外界能量，其中一部分能量以可见光或近于可见光的形式发射出来。

研究目的：研究固体中的光吸收和光发射，可直接地获得有关固体中的电子状态，即电子的能带结构及其它各种激发态的信息。

本章首先引出描述固体光学性质的若干参数及相互间的关系，主要用到电动力学知识；然后将陆续介绍几种主要的光吸收过程；最后还有固体发光的一些基本知识，其中用到固体物理和半导体物理一些知识。

1． 固体光学常数间的基本关系 （1） 吸收系数我们知道，当光透射（射向）固体时，光的强度或多或少地被削弱，这一衰减现象为光的吸收。

从宏观上讲，固体的光学性质可由折射率n 和消光系数κ来描述。

实际上，它们分别是复数折射率n c 的实部和虚部。

κi n n c +=.（1）当角频率为ω的平面电磁波射入一固体并沿固体中某一方向（x 轴）传播时，电场强度E ：E ＝)](exp[0t vxi E -ω.（2）其中，v 为波在固体中的波速，而v 与复数折射率有如下关系：c n c v /=，c 为光速.（3）结合（1）、（2）和（3）式可得到，)exp()exp()exp(0cx cni t i E E κωκωω--=. （4）上式最后为衰减因子。

光强：I *2EE E =∝，于是，)exp()0()(x I x I α-=. （5）其中42λπκωκα==c . （6）为吸收系数。

而20)0(E I =（注：自由空间中022λππωcf ==。

）（2） 介电常数与电导率当电磁波在一种磁导率系数为μ，介电系数为ε和电导率σ为的各向同性介质中传播时，Maxwelll 方程组可写为：tH E ∂∂-=⨯∇μμtE E H ∂∂+=⨯∇0εεσ0=⋅∇H0=⋅∇E.求解波动方程，其中用到矢量运算法则，F F F 2)(∇-⋅∇∇=⨯∇⨯∇。