纳米材料的光学性能课件

纳米材料的光学性能米材料的光学性能日日 期：期：2012016 6.9.299.29-纳米材料的光学性能日 期：2016.9.29-1主要内容主要内容1.1.基本概念基本概念2.2.纳米材料的光吸收特性米材料的光吸收特性3.3.纳米材料的光米材料的光发射特性射特性4.4.纳米材料的非米材料的非线性光学效性光学效应5.5.纳米光学材料的米光学材料的应用用-主要内容1.基本概念2.纳米材料的光吸收特性3.纳米材料的光2 （1 1）波矢）波矢1.1.基本概念基本概念波矢是波的矢量表示方法。波矢是一个波矢是波的矢量表示方法。波矢是一个矢量，其方向表示矢量，其方向表示波波传播的方向播的方向，其大，其大小表示小表示-（1）波矢1.基本概念波矢是波的矢量表示方法。波矢是一个3 （2 2）激子）激子1.1.基本概念基本概念 通通过库仑作用作用束束缚的的电子子-空穴空穴对叫做叫做激子激子。电子和空穴子和空穴复合复合时便便发光，以光，以光子光子的形式的形式释放能量放能量。根据根据电子与空穴相互作用的子与空穴相互作用的强弱弱，激子分，激子分为：万尼万尼尔（WannierWannier）激子（松束）激子（松束缚）；）；弗弗仑克克尔（FrenkelFrenkel）激子（）激子（紧束束缚）。）。束束缚半径半径远大于大于原子半原子半径，径，库仑相互作用相互作用较弱弱格点上原子或分子的格点上原子或分子的激激发态，库仑相互作用相互作用较强 图1 半半导体激子及体激子及发光示意光示意图-（2）激子1.基本概念 通过库仑作用束缚的电子-空4 （3 3）光）光谱线及移及移动1.1.基本概念基本概念-（3）光谱线及移动1.基本概念-5 （3 3）光）光谱线及移及移动1.1.基本概念基本概念与体材料相比，与体材料相比，纳米微粒的吸收米微粒的吸收带普遍存在普遍存在向向短波短波方向移方向移动，即，即蓝移移现象。象。图2 不同尺寸CdS的可见光-紫外吸收光谱激子峰激子峰微粒尺寸微粒尺寸变小后：小后：吸收峰吸收峰蓝移移-（3）光谱线及移动1.基本概念与体材料相比，纳米微粒的吸6 （3 3）光）光谱线及移及移动1.1.基本概念基本概念在有些情况下，粒径减小至在有些情况下，粒径减小至纳米米级时可以可以观察到光吸收察到光吸收带相相对粗晶材料向粗晶材料向长波波方向移方向移动，这种种现象被称象被称为红移移。纳米材料的每个光吸收米材料的每个光吸收带的峰位由的峰位由蓝移和移和红移因素移因素共同作用共同作用而确定而确定。图3 抗生蛋白抗生蛋白链菌素修菌素修饰前前1和和修修饰后后2银纳米生物米生物传感器的感器的LSPR激激发光光谱经抗生蛋白抗生蛋白链菌素修菌素修饰后，后，银传感器的吸收峰感器的吸收峰发生了生了红移移。蓝移因素移因素 红移因素移因素 光吸收光吸收带蓝移移 光吸收光吸收带红移移-（3）光谱线及移动1.基本概念在有些情况下，粒径减小至纳7主要内容主要内容1.1.基本概念基本概念2.2.纳米材料的光吸收特性米材料的光吸收特性3.3.纳米材料的光米材料的光发射特性射特性4.4.纳米材料的非米材料的非线性光学效性光学效应5.5.纳米光学材料的米光学材料的应用用-主要内容1.基本概念2.纳米材料的光吸收特性3.纳米材料的光82.2.纳米材料的光吸收特性米材料的光吸收特性（1 1）固体中的光吸收）固体中的光吸收光在固体中光在固体中传播播时，其，其强度一般要度一般要发生生衰减衰减，出，出现光的吸收光的吸收现象。光的吸收与象。光的吸收与光光强有关。有关。如果如果强度度为I I0 0的入射光，通的入射光，通过固体内位移固体内位移x x后其后其强度将衰减度将衰减为其中其中为吸收系数吸收系数，它表示光在固体中，它表示光在固体中传播的指数播的指数衰减衰减规律。律。-2.纳米材料的光吸收特性（1）固体中的光吸收光在固体中传播时92.2.纳米材料的光吸收特性米材料的光吸收特性（1 1）固体中的光吸收）固体中的光吸收 某物某物质的相的相对介介电常数和折射率的复数形式：常数和折射率的复数形式：其中其中1 1和和2 2 分分别为相相对介介电常数常数rr的的实部和虚部；复部和虚部；复数折射率数折射率N N的虚部的虚部叫叫消光系数消光系数，实部部 n n 就是通常所就是通常所说的的折射率折射率。由于折射率与介由于折射率与介电常数的关系常数的关系 ，因此有：，因此有：人人们通常用通常用 n n 和和这对光学常数来表征光学常数来表征固体的光学性固体的光学性质。，-2.纳米材料的光吸收特性（1）固体中的光吸收 某物质的相对102.2.纳米材料的光吸收特性米材料的光吸收特性（1 1）固体中的光吸收）固体中的光吸收消光系数消光系数也表示物也表示物质的吸收，它与吸收系数的吸收，它与吸收系数的关的关系系为：0 0为真空中光的波真空中光的波长，为入射光的入射光的频率，率，c c为光速。光速。吸收系数吸收系数的倒数叫作光在固体中的的倒数叫作光在固体中的穿透深度穿透深度：消光系数消光系数k k大的介大的介质，其光的穿透深度浅，表明物，其光的穿透深度浅，表明物质的吸收的吸收强，而，而长波光比短波光的穿透深度大。波光比短波光的穿透深度大。-2.纳米材料的光吸收特性（1）固体中的光吸收消光系数也表示112.2.纳米材料的光吸收特性米材料的光吸收特性（2 2）金属）金属纳米米颗粒的光吸收粒的光吸收 大大块金属具有不同金属具有不同颜色的光色的光泽，表明它，表明它们对可可见光光范范围各种波各种波长光的反射和吸收能力不同。光的反射和吸收能力不同。如：如：金、金、银、铜等。等。但是，小粒子但是，小粒子对可可见光具有光具有低反射率、低反射率、强吸收率吸收率。如：如：当当金金(Au)(Au)粒子尺寸粒子尺寸小于小于光波波光波波长时，会失去原有的，会失去原有的光光泽而呈而呈现黑色黑色。金。金纳米粒子的反射率小于米粒子的反射率小于1010。-2.纳米材料的光吸收特性（2）金属纳米颗粒的光吸收 大122.2.纳米材料的光吸收特性米材料的光吸收特性（2 2）金属）金属纳米米颗粒的光吸收粒的光吸收 实际上，上，金属超微粒金属超微粒对光的反射率很低，光的反射率很低，一般低于一般低于1 1。大。大约几几nmnm厚度的微粒即可消光，厚度的微粒即可消光，显示示为黑色，尺黑色，尺寸越小，色彩越黑。寸越小，色彩越黑。如：如：银白色的白色的铂（白金）（白金）变为铂黑，黑，铬变为铬黑等。黑等。-2.纳米材料的光吸收特性（2）金属纳米颗粒的光吸收 实132.2.纳米材料的光吸收特性米材料的光吸收特性（3 3）半）半导体体纳米米颗粒的光吸收粒的光吸收由于由于量子尺寸效量子尺寸效应导致能隙增大致能隙增大,半半导体体纳米米材料的吸收光材料的吸收光谱向高能方向移向高能方向移动,即吸收即吸收蓝移移。同同时,由于由于电子和空穴的运子和空穴的运动受限受限,他他们之之间的波函数重叠的波函数重叠增大增大,激子激子态振子振子强度度增大增大,导致激子吸收致激子吸收增增强,因此很容易因此很容易观察到激子吸收察到激子吸收峰峰,导致吸收光致吸收光谱结构化构化。-2.纳米材料的光吸收特性（3）半导体纳米颗粒的光吸收由于量子14例：例：例：例：常常常常规块规块体体体体TiOTiOTiOTiO2 2 2 2是一种是一种是一种是一种过过渡金属氧化物，渡金属氧化物，渡金属氧化物，渡金属氧化物，带带隙隙隙隙宽宽度度度度为为3.2eV3.2eV3.2eV3.2eV，为间为间接允接允接允接允许跃许跃迁迁迁迁带带隙，在低温下可由隙，在低温下可由隙，在低温下可由隙，在低温下可由杂质杂质或束或束或束或束缚态发缚态发光。光。光。光。但是用硬脂酸包敷但是用硬脂酸包敷但是用硬脂酸包敷但是用硬脂酸包敷TiOTiOTiOTiO2 2 2 2超微粒可均匀分散到甲苯超微粒可均匀分散到甲苯超微粒可均匀分散到甲苯超微粒可均匀分散到甲苯相中，直到相中，直到相中，直到相中，直到2400nm2400nm2400nm2400nm仍有很仍有很仍有很仍有很强强的光吸收，其吸收的光吸收，其吸收的光吸收，其吸收的光吸收，其吸收谱满谱满足足足足直接直接直接直接跃跃迁半迁半迁半迁半导导体小粒子的体小粒子的体小粒子的体小粒子的UrbachUrbachUrbachUrbach关系关系关系关系：式中式中式中式中h h h h为为光子能量，光子能量，光子能量，光子能量，为为吸收系数，吸收系数，吸收系数，吸收系数，E E E Eg g g g为带为带隙，隙，隙，隙，B B为为材料特征常数。材料特征常数。材料特征常数。材料特征常数。2.2.纳米材料的光吸收特性米材料的光吸收特性（3 3）半）半导体体纳米米颗粒的光吸收粒的光吸收-例：常规块体TiO2是一种过渡金属氧化物，带隙宽度为3.2e15 与与与与块块体体体体TiOTiOTiOTiO2 2 2 2不同的是，不同的是，不同的是，不同的是，TiOTiOTiOTiO2 2 2 2微粒在室温下，由微粒在室温下，由微粒在室温下，由微粒在室温下，由380380380380510nm510nm510nm510nm波波波波长长的光激的光激的光激的光激发发下可下可下可下可产产生生生生540nm540nm540nm540nm附近的附近的附近的附近的宽带发宽带发射峰，且射峰，且射峰，且射峰，且随粒子尺寸减小而出随粒子尺寸减小而出随粒子尺寸减小而出随粒子尺寸减小而出现现吸收吸收吸收吸收的的的的红红移移移移。另一方面，另一方面，另一方面，另一方面，实验观测实验观测到到到到TiOTiOTiOTiO2 2 2 2纳纳米薄膜随着温度的降米薄膜随着温度的降米薄膜随着温度的降米薄膜随着温度的降低，薄膜吸收低，薄膜吸收低，薄膜吸收低，薄膜吸收边边位置又向短位置又向短位置又向短位置又向短波方向移波方向移波方向移波方向移动动，即，即，即，即发发生了生了生了生了蓝蓝移移移移，如如如如图图所示。所示。所示。所示。2.2.纳米材料的光吸收特性米材料的光吸收特性（3 3）半）半导体体纳米米颗粒的光吸收粒的光吸收 图4 TiO4 TiO2 2纳米薄膜光吸收曲米薄膜光吸收曲线-与块体TiO2不同的是，TiO2微粒在室温下，由3816主要内容主要内容1.1.基本概念基本概念2.2.纳米材料的光吸收特性米材料的光吸收特性3.3.纳米材料的光米材料的光发射特性射特性4.4.纳米材料的非米材料的非线性光学效性光学效应5.5.纳米光学材料的米光学材料的应用用-主要内容1.基本概念2.纳米材料的光吸收特性3.纳米材料的光173 3.纳米材料的光米材料的光发射特性射特性 光致光致发光：光：指在一定波指在一定波长光照射下被激光照射下被激发到高能到高能级激激发态的的电子重新子重新跃入低能入低能级被空穴被空穴捕捕获而而发光的微光的微观过程。程。荧光：光：仅在激在激发过程中程中发射的光。射的光。磷光：磷光：在激在激发停止后停止后还继续发射一定射一定时间的光。的光。-3.纳米材料的光发射特性 光致发光：指在一定波长光照射183 3.纳米材料的光米材料的光发射特性射特性 从从物理机制物理机制来分析，来分析，电子子跃迁可分迁可分为两两类：非非辐射射跃迁迁和和辐射射跃迁迁。图5 5 激激发和衰和衰变过程示意程示意图当能当能级间距距很小很小时，电子子跃迁可通迁可通过非非辐射性射性级联过程程发射声子，在射声子，在这种情种情况下况下不不发光光；只有；只有当能当能级间距距较大大时，才有可能才有可能发射光子，射光子，实现辐射射跃迁，迁，产生生发光光现象。象。-3.纳米材料的光发射特性 从物理机制来分析，电子跃迁可分193 3.纳米材料的光米材料的光发射特性射特性 纳米米结构材料中由于构材料中由于平移周期性平移周期性被破坏，被破坏，选择定定则对纳米材料很可能米材料很可能不适用。不适用。在光激在光激发下下纳米米态所所产生的生的发光光带是常是常规材料中受材料中受选择定定则限制而不可能出限制而不可能出现的的发光。光。（1 1）纳米微粒的米微粒的发光机制光机制选择定定则不适用：不适用：-3.纳米材料的光发射特性 纳米结构材料中由于平移周期性203 3.纳米材料的光米材料的光发射特性射特性 图6 CdSCdS纳米微粒的可能米微粒的可能发光机制光机制 半半半半导导体体体体纳纳米微粒受光激米微粒受光激米微粒受光激米微粒受光激发发后后后后产产生生生生电电子子子子-空穴空穴空穴空穴对对，电电子与子与子与子与空穴复合空穴复合空穴复合空穴复合发发光的途径有三种情光的途径有三种情光的途径有三种情光的途径有三种情况：况：况：况：a.a.a.a.电电子和空穴直接复合，子和空穴直接复合，子和空穴直接复合，子和空穴直接复合，产产生生生生激子激子激子激子态态发发光。光。光。光。b.b.b.b.通通通通过过表面表面表面表面缺陷缺陷缺陷缺陷态态间间接复接复接复接复合合合合发发光。光。光。光。c.c.c.c.通通通通过过杂质杂质能能能能级级复合复合复合复合发发光光光光 上述三种情况相互上述三种情况相互上述三种情况相互上述三种情况相互竞竞争。争。争。争。-3.纳米材料的光发射特性 图6 CdS纳米微粒的可能发光机213 3.纳米材料的光米材料的光发射特性射特性（2 2）纳米米发光材料光材料举例例 有些原来不有些原来不发光的材料，当其粒子光的材料，当其粒子小到小到纳米尺米尺寸寸后出后出现发光光现象。象。a.a.硅硅纳米材料的米材料的发光光 19901990年，日本佳能公司的年，日本佳能公司的TabagiTabagi首次在室温首次在室温观察到硅察到硅颗粒（粒（6nm6nm）在）在800nm800nm波波长附近有附近有强的的发光光带。随着粒径减小到随着粒径减小到4nm4nm，发光光强度增大，短波度增大，短波侧已延伸已延伸到可到可见光范光范围。因此，硅。因此，硅纳米材料可能成米材料可能成为有重要有重要应用前景的光用前景的光电子材料。子材料。b.b.银纳米微粒的米微粒的发光光 2000 2000年，北京大学年，北京大学报道了埋藏于道了埋藏于BaOBaO介介质中的中的AgAg纳米微粒在可米微粒在可见光波段光致光波段光致荧光增光增强现象。作象。作为比比较，AgAg薄膜和薄膜和Ag-BaOAg-BaO薄膜中的薄膜中的AgAg含量相同，含量相同，两种薄膜中的两种薄膜中的AgAg微粒平均直径都是微粒平均直径都是20nm20nm，在室温，在室温下采用紫外光激下采用紫外光激发。-3.纳米材料的光发射特性（2）纳米发光材料举例 有些原22-谢谢！-23