固体中光的吸收和发射

列举出三种光与物质相互作用的基本过程
1、吸收:
光吸收是指光能量被物质所吸收的过程，这个过程是在物体表面发生的，包括电子、空穴、物质的结构改变、气体分子、溶液或固体中的离子等，都可以吸收光能量，从而发生物理或化学变化。

2、散射:
光散射指的是光在物质上反射、变偏或跃迁时经历的过程，一般分为非散射（漫反射）和散射两种，它们在物质表面发生时会产生不同的效果，由于不同物质表面中拥有不同的晶体结构，光向不同方向反射、变偏和跃迁所产生的效果也不同。

3、透射:
光透射指光穿透物体表面后发生的现象，也称为折射，主要发生在物体表面，由于不同物质表面的结构或晶体结构不同，使得相同的光线经过不同物质时其方向会发生变化，从而实现光穿透物质的效果。

发光分类
根据激发方式的不同，固体发光 可分为光致发光、电致发光、阴 极射线发光、化学发光和生物发 光等。
固体发光物质结构
晶体结构
固体发光物质多为晶体，其内部原子 或分子按一定规律排列，形成周期性 结构。
能级结构
固体发光物质的能级结构包括基态和 激发态，激发态的能量高于基态，当 物质吸收能量后，电子从基态跃迁到 激发态。
生物医学领域应用前景展望
生物成像
01
利用固体发光材料的荧光特性，进行生物标记和成像，可用于
研究细胞、组织等生物样本的结构和功能。
生物传感
02
将固体发光材料与生物分子相结合，构建生物传感器件，用于
检测生物分子、离子等物质的含量和变化。
光动力治疗
03
利用固体发光材料产生的光能，激活光敏剂并产生毒性作用，
材料性能参数及影响因素
发光效率
发光效率是衡量固体发光材料性能的重要指标， 包括量子效率和流明效率。量子效率表示发光的 量子数与吸收的量子数之比，流明效率则表示发 光的亮度与输入的电功率之比。
余辉时间
余辉时间是指发光材料在停止激发后，发光强度 衰减到初始强度的1/e所需的时间。长余辉材料在 夜间或暗环境下具有良好的指示和装饰效果。
发光颜色
发光颜色由材料的能级结构和发光机制决定，可 以通过改变材料的组成、结构或掺杂元素等方式 实现发光颜色的调控。
热稳定性
热稳定性是指固体发光材料在高温环境下的发光 性能保持能力。良好的热稳定性有助于提高材料 的可靠性和使用寿命。
新型固体发光材料研究进展
钙钛矿发光材料
钙钛矿是一类具有优异光电性能的材料，近年来在固体发光领域取得了重要进展。通过调 控钙钛矿的组成和结构，可以实现高效、稳定的固体发光。

Eg E=0 Eg
（自由电子近似）
2 K i 2 2 K 2 Ei ( K i ) * * 2m h 2mh 2 K 2 E f (K f ) Eg Eg * * 2 me 2 me 2 K 2 2 K 2 2 K 2 E E f Ei E g Eg * * 2 me 2mh 2 * 2 K 2 f
金属导体：它最上面的能带或是 未被电子填满，或虽被填满但填 满的能带却与空带相重叠。
电子与空穴 波包-准经典粒子 群速度
vk 0 1 ( k E ) k 0
充满带，外 场不改变电 子的对称分 布，即满带 电子不导电
准动量 d ( k ) F 外力 dt
有效质量 - 能带顶 dv 1 *F dt m 2 E * m ( x , y , z ) 2 k 空穴
相互作用哈密顿量
辐射场(光场) 矢量势 标量势
( it k .r ) i (t k .r ) A A0a[e e ]
A A E t t
哈密顿量 电子动量:在光场作用下为 相互作用哈密顿量
HI H
注释：
(1)
P eA
e指数区
~ 102 cm 1
弱吸收区
102 cm 1
半导体GaAs的吸收光谱
3.2 允许的直接跃迁
直接带结构半导体(GaAs) 能量守恒 E f Ei 动量守恒 Ki + k = Kf 直接跃迁 Ki Kf =K（竖直跃迁） 带边跃迁:取跃迁几率为常数 抛物线能带结构近似
N (E ) N
i i i, f
if
f
( E f ) B( Eg EP )2

吸收系数为ee2温度的影响大多数半导体的禁带宽度随温度的升高而减小少数半导体的禁带宽度随温度的升高而增加从而影响本征吸收限ge不同温度时的光吸收吸收曲线的肩形部分132激子吸收基本吸收中认为被激发电子变成了导带中自由粒子价带中产生的空穴也是自由的
1.3 固体中光的吸收
概述 1.基本吸收区 2.激子吸收 3.自由载流子吸收 4.声子吸 收 5.杂质吸收 6.自旋波量子吸收和回旋共振吸收
h ax E g Eexc E p h ex E g Eexc E p
• 激子吸收谱是一个具有确定下限的带光 谱。单声子过程，还有多声子过程。 • 间接激子的吸收系数 (h Eg Eexc E p )1/ 2
1.3.3 杂质吸收
• 三个方面 1）从杂质中心的基态到激发 态的激发，可引起线状吸收 谱。 2）电子从施主能级到导带或 从价带到受主能级的吸收跃 迁 红外区
3）施主受主对的 辐射跃迁 分立谱线，远间 距的合并为连续 谱线 辐射跃迁几率与 空间间距的关系
W (r ) W0e
2 r / a*
外量子效率高
1.4.3 本征发光
• 导带电子和价带空穴复合发光 • 分为直接跃迁和间接跃迁 • 在较高温度下可以观察到，低温下很弱
1.直接跃迁
• 表现为谱带。自吸收 • 光谱分布 I (h ) 2 (h Eg )1/ 2 e[ ( h E ) / kT ]
g
2.间接跃迁
• 间接带隙半导体，带间复合发光需要声 子参加。发射声子时，光谱分布
1.3.1本征吸收
• 半导体吸收一个能量大于禁带宽度的光 子，电子由价带跃迁到导带，称本征吸 收 • 两种跃迁 直接跃迁：仅涉及一个（或多 个）光子的吸收。 间接跃迁：还包含声子的吸收 • 两种半导体：直接带隙半导体 间接带隙 半导体