納米材料的光學(xué)性能分析課件

納米材料的光學(xué)性能日期：2016.9.29納米材料的光學(xué)性能日期：2016.9.29主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光發(fā)射特性4.納米材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.納米光學(xué)材料的應(yīng)用主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光

（1）波矢1.基本概念波矢是波的矢量表示方法。波矢是一個(gè)矢量，其方向表示波傳播的方向，其大小表示（1）波矢1.基本概念波矢是波的矢量表示方法。波矢是一個(gè)

（2）激子1.基本概念

通過庫(kù)侖作用束縛的電子-空穴對(duì)叫做激子。電子和空穴復(fù)合時(shí)便發(fā)光，以光子的形式釋放能量。根據(jù)電子與空穴相互作用的強(qiáng)弱，激子分為：萬(wàn)尼爾（Wannier）激子（松束縛）；弗侖克爾（Frenkel）激子（緊束縛）。束縛半徑遠(yuǎn)大于原子半徑，庫(kù)侖相互作用較弱格點(diǎn)上原子或分子的激發(fā)態(tài)，庫(kù)侖相互作用較強(qiáng)

圖1半導(dǎo)體激子及發(fā)光示意圖（2）激子1.基本概念通過庫(kù)侖作用束縛的電子-空

（3）光譜線及移動(dòng)1.基本概念（3）光譜線及移動(dòng)1.基本概念

（3）光譜線及移動(dòng)1.基本概念與體材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在向短波方向移動(dòng)，即藍(lán)移現(xiàn)象。圖2不同尺寸CdS的可見光-紫外吸收光譜激子峰微粒尺寸變小后：吸收峰藍(lán)移（3）光譜線及移動(dòng)1.基本概念與體材料相比，納米微粒的吸

（3）光譜線及移動(dòng)1.基本概念在有些情況下，粒徑減小至納米級(jí)時(shí)可以觀察到光吸收帶相對(duì)粗晶材料向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為紅移。納米材料的每個(gè)光吸收帶的峰位由藍(lán)移和紅移因素共同作用而確定。圖3抗生蛋白鏈菌素修飾前1和修飾后2銀納米生物傳感器的LSPR激發(fā)光譜經(jīng)抗生蛋白鏈菌素修飾后，銀傳感器的吸收峰發(fā)生了紅移。藍(lán)移因素

紅移因素

光吸收帶藍(lán)移

光吸收帶紅移（3）光譜線及移動(dòng)1.基本概念在有些情況下，粒徑減小至納主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光發(fā)射特性4.納米材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.納米光學(xué)材料的應(yīng)用主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光2.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收光在固體中傳播時(shí)，其強(qiáng)度一般要發(fā)生衰減，出現(xiàn)光的吸收現(xiàn)象。光的吸收與光強(qiáng)有關(guān)。如果強(qiáng)度為I0的入射光，通過固體內(nèi)位移x后其強(qiáng)度將衰減為其中α為吸收系數(shù)，它表示光在固體中傳播的指數(shù)衰減規(guī)律。2.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收光在固體中傳播時(shí)2.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收

某物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和折射率的復(fù)數(shù)形式：

其中ε1和ε2分別為相對(duì)介電常數(shù)εr的實(shí)部和虛部；復(fù)數(shù)折射率N的虛部κ叫消光系數(shù)，實(shí)部n

就是通常所說的折射率。由于折射率與介電常數(shù)的關(guān)系，因此有：

人們通常用n和κ這對(duì)光學(xué)常數(shù)來(lái)表征固體的光學(xué)性質(zhì)。

，2.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收某物質(zhì)的相對(duì)2.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收消光系數(shù)κ也表示物質(zhì)的吸收，它與吸收系數(shù)α的關(guān)系為：

λ0為真空中光的波長(zhǎng)，ω為入射光的頻率，c為光速。

吸收系數(shù)α的倒數(shù)叫作光在固體中的穿透深度：

消光系數(shù)k大的介質(zhì)，其光的穿透深度淺，表明物質(zhì)的吸收強(qiáng)，而長(zhǎng)波光比短波光的穿透深度大。2.納米材料的光吸收特性（1）固體中的光吸收消光系數(shù)κ也表示2.納米材料的光吸收特性（2）金屬納米顆粒的光吸收

大塊金屬具有不同顏色的光澤，表明它們對(duì)可見光范圍各種波長(zhǎng)光的反射和吸收能力不同。如：金、銀、銅等。但是，小粒子對(duì)可見光具有低反射率、強(qiáng)吸收率。如：當(dāng)金(Au)粒子尺寸小于光波波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)失去原有的光澤而呈現(xiàn)黑色。金納米粒子的反射率小于10％。2.納米材料的光吸收特性（2）金屬納米顆粒的光吸收大2.納米材料的光吸收特性（2）金屬納米顆粒的光吸收

實(shí)際上，金屬超微粒對(duì)光的反射率很低，一般低于1％。大約幾nm厚度的微粒即可消光，顯示為黑色，尺寸越小，色彩越黑。如：銀白色的鉑（白金）變?yōu)殂K黑，鉻變?yōu)殂t黑等。2.納米材料的光吸收特性（2）金屬納米顆粒的光吸收實(shí)2.納米材料的光吸收特性（3）半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收由于量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致能隙增大,半導(dǎo)體納米材料的吸收光譜向高能方向移動(dòng),即吸收藍(lán)移。同時(shí),由于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)受限,他們之間的波函數(shù)重疊增大,激子態(tài)振子強(qiáng)度增大,導(dǎo)致激子吸收增強(qiáng),因此很容易觀察到激子吸收峰,導(dǎo)致吸收光譜結(jié)構(gòu)化。2.納米材料的光吸收特性（3）半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收由于量子例：常規(guī)塊體TiO2是一種過渡金屬氧化物，帶隙寬度為3.2eV，為間接允許躍遷帶隙，在低溫下可由雜質(zhì)或束縛態(tài)發(fā)光。但是用硬脂酸包敷TiO2超微?？删鶆蚍稚⒌郊妆较嘀?，直到2400nm仍有很強(qiáng)的光吸收，其吸收譜滿足直接躍遷半導(dǎo)體小粒子的Urbach關(guān)系：

式中hν為光子能量，α為吸收系數(shù)，Eg為帶隙，B為材料特征常數(shù)。

2.納米材料的光吸收特性（3）半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收例：常規(guī)塊體TiO2是一種過渡金屬氧化物，帶隙寬度為3.2e與塊體TiO2不同的是，TiO2微粒在室溫下，由380～510nm波長(zhǎng)的光激發(fā)下可產(chǎn)生540nm附近的寬帶發(fā)射峰，且隨粒子尺寸減小而出現(xiàn)吸收的紅移。另一方面，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到TiO2納米薄膜隨著溫度的降低，薄膜吸收邊位置又向短波方向移動(dòng)，即發(fā)生了藍(lán)移，如圖所示。2.納米材料的光吸收特性（3）半導(dǎo)體納米顆粒的光吸收

圖4TiO2納米薄膜光吸收曲線與塊體TiO2不同的是，TiO2微粒在室溫下，由38主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光發(fā)射特性4.納米材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.納米光學(xué)材料的應(yīng)用主要內(nèi)容1.基本概念2.納米材料的光吸收特性3.納米材料的光3.納米材料的光發(fā)射特性

光致發(fā)光：指在一定波長(zhǎng)光照射下被激發(fā)到高能級(jí)激發(fā)態(tài)的電子重新躍入低能級(jí)被空穴捕獲而發(fā)光的微觀過程。熒光：僅在激發(fā)過程中發(fā)射的光。磷光：在激發(fā)停止后還繼續(xù)發(fā)射一定時(shí)間的光。3.納米材料的光發(fā)射特性光致發(fā)光：指在一定波長(zhǎng)光照射3.納米材料的光發(fā)射特性

從物理機(jī)制來(lái)分析，電子躍遷可分為兩類：非輻射躍遷和輻射躍遷。

圖5激發(fā)和衰變過程示意圖當(dāng)能級(jí)間距很小時(shí)，電子躍遷可通過非輻射性級(jí)聯(lián)過程發(fā)射聲子，在這種情況下不發(fā)光；只有當(dāng)能級(jí)間距較大時(shí)，才有可能發(fā)射光子，實(shí)現(xiàn)輻射躍遷，產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。

3.納米材料的光發(fā)射特性從物理機(jī)制來(lái)分析，電子躍遷可分3.納米材料的光發(fā)射特性

納米結(jié)構(gòu)材料中由于平移周期性被破壞，選擇定則對(duì)納米材料很可能不適用。在光激發(fā)下納米態(tài)所產(chǎn)生的發(fā)光帶是常規(guī)材料中受選擇定則限制而不可能出現(xiàn)的發(fā)光。（1）納米微粒的發(fā)光機(jī)制選擇定則不適用：3.納米材料的光發(fā)射特性納米結(jié)構(gòu)材料中由于平移周期性3.納米材料的光發(fā)射特性

圖6CdS納米微粒的可能發(fā)光機(jī)制

半導(dǎo)體納米微粒受光激發(fā)后產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子與空穴復(fù)合發(fā)光的途徑有三種情況：

a.電子和空穴直接復(fù)合，產(chǎn)生激子態(tài)發(fā)光。

b.通過表面缺陷態(tài)間接復(fù)合發(fā)光。

c.通過雜質(zhì)能級(jí)復(fù)合發(fā)光上述三種情況相互競(jìng)爭(zhēng)。3.納米材料的光發(fā)射特性圖6CdS納米微粒的可能發(fā)光機(jī)3.納米材料的光發(fā)射特性（2）納米發(fā)光材料舉例

有些原來(lái)不發(fā)光的材料，當(dāng)其粒子小到納米尺寸后出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象。

a.硅納米材料的發(fā)光

1990年，日本佳能公司的Tabagi首次在室溫觀察到硅顆粒（6nm）在800nm波長(zhǎng)附近有強(qiáng)的發(fā)光帶。隨著粒徑減小到4