半导体材料发光的能带理论课件.ppt

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1、半导体材料发光的能带理论研究方案研究成果“”半导体材料的纳米微粒由于特殊的光电特性，在光学器件的制造与改善，电化学电容电极，氧气传感器，燃料，催化以及新型陶瓷材料等方面有着潜在的应用前景。研究方案研究成果一、固体发光理论基础二、半导体材料发光理论三、纳米氧化锆发光原理四、半导体材料发光模型一、固体发光理论基础研究方案研究成果发光：物体以某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程。光辐射：分为平衡辐射和非平衡辐射两大类。平衡辐射：炽热物体的光辐射，又称为热辐射，起因于炽热物体的温度，其发光光谱至决定于辐射体的温度及其发光本领。非平衡辐

2、射：在某种外界作用的激发下，物体偏离原来的热平衡，此时物体产生的辐射为非平衡辐射。此外，还有摩擦发光、化学发光、生物发光等，区别就在于激发方式不同。各种激发方式下的发光过程：激发→能量传输→发射（本质上是某些能级的跃迁）1.1固体发光理论发光类型激发方式光致发光光的照射阴极射线发光电子束的轰击电致发光气体放电火固体受电的作用放射线发光核辐射的照射X射线发光X射线的照射一、固体发光理论基础研究方案研究成果光的吸收和发射是原子（分子或离子）体系在不同能量状态间的跃迁结果。（1）受激吸收在某种方式的激发下，系统吸收能量，原子（离子）

3、由低能级（基态）跃迁至高能级（激发态），偏离热平衡。1.2光的吸收和发射一、固体发光理论基础研究方案研究成果（2）自发发射跃迁至激发态的原子（或离子）处于不稳定状态，在经过一定的弛豫时间后，会自发地向低能级跃迁。系统的某种变量由暂态趋于某种定态所需要的时间。一、固体发光理论基础研究方案研究成果（3）受激发射过程：这是激光产生的原理。通过光泵浦，系统吸收能量，远离平衡态，吸收一个光子，受激发射两个光子，实现光放大。一、固体发光理论基础研究方案研究成果发光：处于激发态的离子回到基态的过程，如果发射出光子，这就是发光，也叫做发光跃迁

4、或辐射跃迁。猝灭：如果离子再回到基态时不发射光子，而是将激发的能量散发为热（晶格振动），这就称为无辐射跃迁或猝灭。对于半导体材料，由激发产生的电子和空穴，它们也是不稳定的，最终会复合。如果复合后发射出光子，这种中心是发光中心。有些复合中心将电子和空穴复合的能量转变为热而不发射光子，这样的中心是猝灭中心。发光和猝灭相互对立，互相竞争，猝灭占有事，发光就减弱，效率就低；反之，发光就强，效率也高。我们研究发光材料就是要提高它的发光效率，使发光过程占优势，减少猝灭过程。1.3发光和猝灭一、固体发光理论基础研究方案研究成果（1）各类发光

5、材料，不论是单晶，薄膜还是粉末，都是晶体材料。（2）晶体中的缺陷对于发光有非常重要的影响。理想晶体具有严格的周期结构，实际晶体中，由于物理或化学的原因，在某些地方晶体结构周期性遭到破坏，形成缺陷。缺陷的性质与材料的发光有密切的关系。1.4固体发光的物理要求一、固体发光理论基础研究方案研究成果能带：固体由周期排列的原子构成，电子在这样的周期性势场中运动，基于量子力学原理，电子的能量状态不再像在孤立原子中那样，而是表现为分立的能级，称为一系列能带。电子共有化：晶体是由紧密相挨的原子周期性重复排列而成的，原子中各层的电子轨道会发生不

6、同程度的重叠，电子显然不会再局限于一定的原子，而是可以从一个原子转移到相邻的原子上去。这样电子将可以在整个晶体中运动。这一特性称为电子的共有化。1.5能带理论用量子力学的观点来解释：在晶体中，电子处于由原子核产生的周期势场中，在这些原子核附近，原先原子都具有相同的能级。根据量子隧道效应，存在一定几率，电子可穿过势垒，从一个原子核附近转移到另一个原子核附近，发生等能跃迁。晶体中电子共有化的结果使电子在每个原子核附近出现的几率大大减小，因而电子能量不再是单一值，而是可在一定范围变化，能级就转变成能带。一、固体发光理论基础研究方案研

7、究成果满带：原来孤立原子的电子都形成满壳层，当N个原子组成晶体时，能级过度到能带，原有的价电子恰好充满能带中的所有状态，这样的能带称为满带。空带：原来孤立原子的电子未能形成满壳层，过渡到能带后，电子也不能填满能带中的所有状态，这样的能带叫空带。价带：最高的满带。导带：最低的空带。禁带：价带和导带之间的区域。二、半导体材料发光理论研究方案研究成果（1）限于发光中心内部的电子跃迁：发光中心可以从晶体内的其他杂质或从晶格间接获得能量，也可直接受到载流子的碰撞，使发光中心电离或使电子从基态跃迁到激发态。（2）导带电子同价带空穴的复合：

8、当晶体内部形成空位时，电子可由杂质中心转移到空位，并放出一定能量。若这一能量大于形成空位时所需能量，即，形成空位后，通过电子的运动或转移，系统的能量可以降低。如果放出的能量以光的形式表现，就是发光。2.1半导体发光分类二、半导体材料发光理论研究方案研究成果（1）带间复合导带电