色心

色心是指晶體中對可見光產生選擇性吸收的缺陷部位。一些晶體，在缺陷部位電子躍遷所需能量減小到與可見光相當的程度。這些缺陷部位就會產生對可見光的選擇性吸收面使晶體呈色。晶體中對可見光產生選擇性吸收的缺陷部位稱作色心。

基本介紹

• 中文名：色心
• 外文名：colour center
• 特徵：透明晶體由點缺陷捕獲電子或空穴
• 性質：在晶體中形成吸收中心
• 學科：物理學

理論詮釋

20世紀20年代R.坡耳對鹼鹵化合物晶體的色心性質進行實驗研究，逐步發展並完善了測定色心結構的光譜及磁共振等技術，為色心物理學奠定了基礎，開拓了這一領域。對於鹼金屬鹵化物晶體、氧化物晶體以及其他類型晶體中的色心研究正方興未艾，不斷取得新進展。現今色心的研究已擴展到氧化物離子晶體。使晶體著色通常是晶體中引入某些化學雜質，如KCl中加Ca²⁺則可產生相應數量的K⁺離子空位，或晶體在鹼金屬蒸氣加熱，如KCl在K蒸氣中加熱變成品紅色。X射線、γ射線，中子和電子轟擊等也會引起離子空位，從而產生色心。

色心的分類

色心有電子中心和空穴中心兩大類。

鹼鹵化物晶體中，鹵素離子空位帶正電荷，能夠俘獲一個電子，形成一個色心，稱為F心；在(110)晶面若有兩個相鄰的鹵素離子空位可聯合俘獲兩個電子，此缺陷稱為F₂心。晶體中相鄰的一對鹵素離子結合成鹵素分子且帶一個負電荷（如Cl₂^－），這個複合體能夠俘獲一個空穴，達到電中性而穩定。這個複雜的缺陷稱為V_k心，是一個空穴型色心的實例。1957年用電子自旋共振實驗證實了F心、V_k心的結構模型。

晶體中的點缺陷

晶體的主要特徵是其中原子（分子）的規則排列，實際晶體中原子的排列總是或多或少偏離嚴格的周期性。晶體中的原子作微振動時破壞了周期性，因而在晶體中傳播的電子波或光電波會受到散射，晶體的電學性質或光學性質隨即發生變化。在熱起伏過程中，晶體的某些原子振動劇烈，脫離格點跑到表面，在內部留下了空格點，即空位；脫離格點的原子進入晶格的間隙位置，形成填隙原子。外來的原子（雜質）進入晶體後，可以處在間隙位置上，成為填隙式的雜質，也可以占據空位而形成為替位式原子。在一個或幾個晶格常數的線度範圍內引起晶格周期性的破壞，統稱為晶體中的點缺陷。微觀的點缺陷會在晶體中吸收光波，使得晶體呈現各種各樣的顏色，這些“顏色中心”成為色心。點缺陷影響晶體的力學、電學、熱學、光學等方面的性質。

鹼鹵化物中色心的出現方法

鹼鹵化物如果沒有色心，在紫外到紅外的區段是完全透明的。色心的出現可以使晶體著色。通過以下方式使晶體著色：

①摻入化學雜質，在晶體中形成吸收中心；引入過量金屬離子，形成負離子空位，正電性的負離子空位束縛住從金屬原子電離的電子，形成可見光的吸收中心；

②X射線、γ射線、中子或電子轟擊晶體形成損傷，使晶體產生點缺陷，可以束縛電子或空穴形成可見光的吸收中心；

③電解過程。

鹼鹵晶體在鹼金屬蒸氣中加熱，然後驟冷，原來透明的晶體就出現顏色，這個過程稱為增色。在這過程中形成了負離子空位，即F心。如NaCl增色後呈黃色。因為晶體中形成超過化學比的鹼金屬離子，從而形成負離子空位。

套用

通常色心的存在對固體器件是有害的。1974年L.莫勒瑙爾等利用摻Li的KCl晶體的色心獲得近紅外可調雷射輸出，可在光纖通信、頻標、醫學、窄能隙半導體研究方面獲得套用。

帶有色心的鹼金屬鹵化物晶體是製作可調諧雷射器的材料。色心雷射器有可能成為一種有實用價值的雷射技術。色心晶體可做儲存或顯示信息器件等的材料。

大量人為控制的色心材料在諸如半導體、發光、光電導等許多技術領域中有著廣泛的套用。