色心

色心是指晶体中对可见光产生选择性吸收的缺陷部位1。一些晶体，在缺陷部位电子跃迁所需能量减小到与可见光相当的程度。这些缺陷部位就会产生对可见光的选择性吸收面使晶体呈色。晶体中对可见光产生选择性吸收的缺陷部位称作色心。

理论诠释20世纪20年代R.坡耳对碱卤化合物晶体的色心性质进行实验研究，逐步发展并完善了测定色心结构的光谱及磁共振等技术，为色心物理学奠定了基础，开拓了这一领域。对于碱金属卤化物晶体、氧化物晶体以及其他类型晶体中的色心研究正方兴未艾，不断取得新进展。现今色心的研究已扩展到氧化物离子晶体。使晶体着色通常是晶体中引入某些化学杂质，如KCl中加Ca2+则可产生相应数量的K+离子空位，或晶体在碱金属蒸气加热，如KCl在K蒸气中加热变成品红色。X射线、γ射线，中子和电子轰击等也会引起离子空位，从而产生色心23。

色心的分类色心有电子中心和空穴中心两大类。

碱卤化物晶体中，卤素离子空位带正电荷，能够俘获一个电子，形成一个色心，称为F心；在(110)晶面若有两个相邻的卤素离子空位可联合俘获两个电子，此缺陷称为F2心。晶体中相邻的一对卤素离子结合成卤素分子且带一个负电荷（如Cl2－），这个复合体能够俘获一个空穴，达到电中性而稳定。这个复杂的缺陷称为Vk心，是一个空穴型色心的实例。1957年用电子自旋共振实验证实了F心、Vk心的结构模型。2

晶体中的点缺陷晶体的主要特征是其中原子（分子）的规则排列，实际晶体中原子的排列总是或多或少偏离严格的周期性。晶体中的原子作微振动时破坏了周期性，因而在晶体中传播的电子波或光电波会受到散射，晶体的电学性质或光学性质随即发生变化。在热起伏过程中，晶体的某些原子振动剧烈，脱离格点跑到表面，在内部留下了空格点，即空位；脱离格点的原子进入晶格的间隙位置，形成填隙原子。外来的原子（杂质）进入晶体后，可以处在间隙位置上，成为填隙式的杂质，也可以占据空位而形成为替位式原子。在一个或几个晶格常数的线度范围内引起晶格周期性的破坏，统称为晶体中的点缺陷。微观的点缺陷会在晶体中吸收光波，使得晶体呈现各种各样的颜色，这些“颜色中心”成为色心。点缺陷影响晶体的力学、电学、热学、光学等方面的性质4。

碱卤化物中色心的出现方法碱卤化物如果没有色心，在紫外到红外的区段是完全透明的。色心的出现可以使晶体着色。通过以下方式使晶体着色：

①掺入化学杂质，在晶体中形成吸收中心；引入过量金属离子，形成负离子空位，正电性的负离子空位束缚住从金属原子电离的电子，形成可见光的吸收中心；

②X射线、γ射线、中子或电子轰击晶体形成损伤，使晶体产生点缺陷，可以束缚电子或空穴形成可见光的吸收中心；

③电解过程4。

碱卤晶体在碱金属蒸气中加热，然后骤冷，原来透明的晶体就出现颜色，这个过程称为增色。在这过程中形成了负离子空位，即F心。如NaCl增色后呈黄色。因为晶体中形成超过化学比的碱金属离子，从而形成负离子空位4。

应用通常色心的存在对固体器件是有害的。1974年L.莫勒瑙尔等利用掺Li的KCl晶体的色心获得近红外可调激光输出，可在光纤通信、频标、医学、窄能隙半导体研究方面获得应用2。

带有色心的碱金属卤化物晶体是制作可调谐激光器的材料。色心激光器有可能成为一种有实用价值的激光技术。色心晶体可做储存或显示信息器件等的材料。5

大量人为控制的色心材料在诸如半导体、发光、光电导等许多技术领域中有着广泛的应用。3

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学