色心（詞語(yǔ)）

應(yīng)用

通常色心的存在對(duì)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(diào)激光輸出，可在光纖通信、頻標(biāo)、醫(yī)學(xué)、窄能隙半導(dǎo)體研究方面獲得應(yīng)用。

帶有色心的堿金屬鹵化物晶體是制作可調(diào)諧激光器的材料。色心激光器有可能成為一種有實(shí)用價(jià)值的激光技術(shù)。色心晶體可做儲(chǔ)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(dǎo)體、發(fā)光、光電導(dǎo)等許多技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。

出現(xiàn)方法

堿鹵化物如果沒(méi)有色心，在紫外到紅外的區(qū)段是完全透明的。色心的出現(xiàn)可以使晶體著色。通過(guò)以下方式使晶體著色：

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

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

③電解過(guò)程??。

堿鹵晶體在堿金屬蒸氣中加熱，然后驟冷，原來(lái)透明的晶體就出現(xiàn)顏色，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為增色。在這過(guò)程中形成了負(fù)離子空位，即F心。如NaCl增色后呈黃色。因?yàn)榫w中形成超過(guò)化學(xué)比的堿金屬離子，從而形成負(fù)離子空位。

缺陷

晶體的主要特征是其中原子（分子）的規(guī)則排列，實(shí)際晶體中原子的排列總是或多或少偏離嚴(yán)格的周期性。晶體中的原子作微振動(dòng)時(shí)破壞了周期性，因而在晶體中傳播的電子波或光電波會(huì)受到散射，晶體的電學(xué)性質(zhì)或光學(xué)性質(zhì)隨即發(fā)生變化。在熱起伏過(guò)程中，晶體的某些原子振動(dòng)劇烈，脫離格點(diǎn)跑到表面，在內(nèi)部留下了空格點(diǎn)，即空位；脫離格點(diǎn)的原子進(jìn)入晶格的間隙位置，形成填隙原子。在一個(gè)或幾個(gè)晶格常數(shù)的線(xiàn)度范圍內(nèi)引起晶格周期性的破壞，統(tǒng)稱(chēng)為晶體中的點(diǎn)缺陷。微觀的點(diǎn)缺陷會(huì)在晶體中吸收光波，使得晶體呈現(xiàn)各種各樣的顏色，這些“顏色中心”成為色心。點(diǎn)缺陷影響晶體的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等方面的性質(zhì)。

分類(lèi)

色心有電子中心和空穴中心兩大類(lèi)。

堿鹵化物晶體中，鹵素離子空位帶正電荷，能夠俘獲一個(gè)電子，形成一個(gè)色心，稱(chēng)為F心；在(110)晶面若有兩個(gè)相鄰的鹵素離子空位可聯(lián)合俘獲兩個(gè)電子，此缺陷稱(chēng)為F2心。晶體中相鄰的一對(duì)鹵素離子結(jié)合成鹵素分子且?guī)б粋€(gè)負(fù)電荷（如Cl2），這個(gè)復(fù)合體能夠俘獲一個(gè)空穴，達(dá)到電中性而穩(wěn)定。這個(gè)復(fù)雜的缺陷稱(chēng)為Vk心，是一個(gè)空穴型色心的實(shí)例。1957年用電子自旋共振實(shí)驗(yàn)證實(shí)了F心、Vk心的結(jié)構(gòu)模型。

理論詮釋

20世紀(jì)20年代R.坡耳對(duì)堿鹵化合物晶體的色心性質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，逐步發(fā)展并完善了測(cè)定色心結(jié)構(gòu)的光譜及磁共振等技術(shù)，為色心物理學(xué)奠定了基礎(chǔ)，開(kāi)拓了這一領(lǐng)域。對(duì)于堿金屬鹵化物晶體、氧化物晶體以及其他類(lèi)型晶體中的色心研究正方興未艾，不斷取得新進(jìn)展?，F(xiàn)今色心的研究已擴(kuò)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(xué)雜質(zhì)，如KCl中加Ca則可產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的K離子空位，或晶體在堿金屬蒸氣加熱，如KCl在K蒸氣中加熱變成品紅色。X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)，中子和電子轟擊等也會(huì)引起離子空位，從而產(chǎn)生色心。

定義

色心(color?center)是指透明晶體中由點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷對(duì)或點(diǎn)缺陷群捕獲電子或空穴而構(gòu)成的一種可導(dǎo)致可見(jiàn)光譜區(qū)的光吸收的缺陷。

簡(jiǎn)介

晶體的主要特征是其中原子（分子）的規(guī)則排列，但實(shí)際晶體中原子的排列總是或多或少地偏離了嚴(yán)格的周期性。晶體中的原子作微振動(dòng)時(shí)破壞了周期性，因而在晶體中傳播的電子波或光電波會(huì)受到散射，這就意味著晶體的電學(xué)性質(zhì)或光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。在熱起伏過(guò)程中，晶體的某些原子振動(dòng)劇烈，脫離了格點(diǎn)而跑到表面上，在內(nèi)部留下了空格點(diǎn)，即空位；或者那脫離格點(diǎn)的原子進(jìn)入了晶格中的間隙位置，形成填隙原子。另一方面，外來(lái)的原子（雜質(zhì)）進(jìn)入晶體后，可以處在間隙位置上，成為填隙式的雜質(zhì)，也可以占據(jù)空位而形成為替位式原子。這些在一個(gè)或幾個(gè)晶格常數(shù)的線(xiàn)度范圍內(nèi)引起晶格周期性的破壞，統(tǒng)稱(chēng)為晶體中的點(diǎn)缺陷。這些微觀的缺陷會(huì)在晶體中引起一定的吸收，使得晶體呈現(xiàn)各種各樣的顏色，人們又把這些“顏色中心”成為色心。晶體中的缺陷影響著晶體的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等等方面的性質(zhì)。

在特定的條件下，很多材料中都可觀察到色心。容易產(chǎn)生色心的材料有堿金屬鹵化物、堿土金屬氟化物和部分金屬氧化物。色心可以在電離輻射的照射下產(chǎn)生，也可以在一定的氧化或還原性氣氛中加熱晶體得到，還可以用電化學(xué)方法產(chǎn)生出一些特定的色心。最常見(jiàn)并研究的最充分的是堿金屬或堿土金屬鹵化物中的F色心，F(xiàn)色心是俘獲了電子的負(fù)離子空位。正離子空位缺陷俘獲空穴形成的色心稱(chēng)做V色心。另外，還有其他類(lèi)型的色心，如H色心、M色心和R色心等。M心由兩個(gè)相鄰的F心構(gòu)成；R心由三個(gè)相鄰的F心構(gòu)成。BaFBr：Eu中的F色心有F（F）和F（Br）兩種，分別對(duì)應(yīng)于材料中俘獲了電子的兩種陰離子空位。這種材料中的色心可以被用來(lái)存儲(chǔ)X射線(xiàn)的圖像，當(dāng)由BaF-Br:Eu材料制成的屏在X射線(xiàn)照射下，X射線(xiàn)的圖像在存儲(chǔ)屏內(nèi)產(chǎn)生由F色心構(gòu)成的潛像，在紅色激光的激勵(lì)下，F(xiàn)色光中的電子被釋放出來(lái)，與Eu2+離子復(fù)合并發(fā)出的特征光，利用光接收設(shè)備和計(jì)算機(jī)處理可以得到X射線(xiàn)衍射圖像儀中，這種圖像儀可以提高醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)的效率和圖像的質(zhì)量。

堿鹵化物如果沒(méi)有色心，在紫外到紅外的區(qū)段是完全透明的。色心的出現(xiàn)可以使晶體明顯著色?？梢酝ㄟ^(guò)以下方式使晶體著色：摻入化學(xué)雜質(zhì)，在晶體中形成吸收中心；引入過(guò)量金屬離子，形成負(fù)離子空位，正電性的負(fù)離子空位束縛住從金屬原子中電離的電子，從而形成可見(jiàn)光的吸收中心；X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)、中子或電子轟擊晶體形成損傷，使晶體產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，可以束縛電子或空穴形成可見(jiàn)光的吸收中心；電解過(guò)程。

堿鹵晶體在堿金屬蒸氣中加熱，然后驟冷，原來(lái)透明的晶體就出現(xiàn)了顏色，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為增色。原因是在這過(guò)程中形成了負(fù)離子空位，即F心。NaCl增色后呈黃色，KCl增色后呈品紅色，因?yàn)榫w中形成超過(guò)化學(xué)比的堿金屬離子，從而形成負(fù)離子空位。

離子在可見(jiàn)光區(qū)各有一個(gè)吸收帶稱(chēng)為F帶。吸收帶與溫度有關(guān)，溫度越低，吸收帶越窄。這個(gè)吸收帶實(shí)際對(duì)應(yīng)一根吸收譜線(xiàn)，該譜線(xiàn)變成吸收帶是由于晶格振動(dòng)引起的，所以溫度越高，晶格振動(dòng)越劇烈，吸收帶越寬。

色心