Trao đổi trực tuyến tại - mientayvn.commientayvn.com/Vat li/Tai_lieu/Khoa_hoc_vat_lieu/Vatlieu8.pdf · ĐẠI CƯƠNG Nguyễn Mạnh ... có những màu sắc khác nhau

Trao đổi trực tuyến tại:http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html

CÔNG NGHỆ vàKHOA HỌC VẬT LiỆU

ĐẠI CƯƠNG

Nguyễn Mạnh Tuấn

Chương VIIICác tính chất quang

802

http://www.mientayvn.com/chat_box_li.htmlC�NG

Issues to Address

Đại học Khoa học Tự nhiênKhoa Khoa học Vật liệu

TP. Hồ Chí Minh 2008 3

Nội dung Nghiên cứu điều gì xảy ra

khi chiếu ánh sáng vàovật liệu

Điều gì làm cho vật liệucó những màu sắc khácnhau

Nguyên nhân nào mà mộtsố vật liệu lại trong suốtvới ánh sáng truyền quacòn một số vật liệu khácthì không như vậy

Ứng dụng của tính chấtquang Ứng dụng tính chất huỳnh

quang (luminescence) Ứng dụng cho cảm biến quang

học (photodetection) Ứng dụng cho cáp quang dùng

làm đường truyền trong thôngtin liên lạc (opticalcommunications fibers)





Nội dung Nghiên cứu bản chất của bức xạ

điện từ và tương tác của nó vớicác vật liệu

Tương tác của ánh sáng với cácvật liệu kim loại và phi kim vềcác đặc trưng hấp thụ, phản xạvà truyền qua

Về Quang học huỳnh quangLuminescence, độ dẫn quangphotoconductivity, sự khuếch đạicủa ánh sáng do phát xạ kíchthích trong bức xạ laser

Ứng dụng của chúng, trong đóchú ý tới thông tin liên lạc dùngcáp quang



Tại sao lại phải nghiên cứuTính chất quang của vật liệu

Truyền qua Mờ, bántruyền qua Đục, không

truyền qua

Khi đặt vật liệu dướitác dụng của bức xạđiện từ, hoặc ánh sángkhả kiến (nhìn thấyđược) - trong nhiềutrường hợp sẽ thấy cósự đáp ứng

Điều này liên quanđến các tính chấtquang của vật liệu vàcác cơ chế đáp ứngvới các bức xạ của nó



Tốc độ ánh sáng truyền qua Tốc độ của tia sáng

truyền qua – sự khúc xạ Tia sáng khi truyền qua

làm méo đám mây điện tử Tốc độ tia sáng đi trong

môi trường vật chất chậmhơn trong chân không

Cường độ tia sáng truyềnqua suy giảm theo chiềudài quang lộ

Vật liệu càng dày ánhsáng truyền qua càng ít



Tốc độ ánh sáng truyền qua Vật liệu có chiết suất khác

nhau có tốc độ truyền ánhsáng khác nhau

Khi pha tạp thêm một lượngchì vào thủy tinh thủy tinhchì có tốc độ truyền ánh sángchậm hơn (làm giảm tốc độ)

Tia sáng bị “bẻ gãy” khi đi từmôi trường này sang môitrường khác

Chiết suất (n)



Phương trình Maxwell




Sóng điện từ - là sóng dao động ngang củađiện trường và từ trường - tự lan truyền trongkhông gian.Giản đồ hình vẽ cho thấy sóngphẳng phân cực tuyến tính lan truyền từ tráisang phải. Trục của điện trường theo trục tung,trục từ trường theo trục hoành




• Luận điểm 1: Bất kỳ một từtrường nào biến đổi theo thời giancũng sinh ra một điện trường xoáy

• Luận điểm 2: Bất kỳ một điệntrường nào biến đổi theo thời giancũng sinh ra một từ trường

2 luận điểm của Maxwell



Phương trình MaxwellTương tác của ánh sáng với Vật chất

Thônglượng

Pt Mexwell-Ampere

Pt Mexwell-Faraday

2 luận điểm của Maxwell

Định lý O-G




• Định lý O-G cho điện trường• Điện thông qua một mặt kín bằng tổngđại số các điện tích chứa trong mặt kín ấy

• Định lý O-G cho từ trường• Từ thông toàn phần gửi qua một mặt kínbất kỳ thì bằng không (= 0)

2 định lý Oxtrogratxki-Gauss



Phương trình MaxwellKhi tính toán với vectơ, del là toán tử vi phân vectơ ký hiệu bằng nabla :Del là công cụ toán học, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, nó có thể mô tả mộtgradient (slope độ dốc), divergence (mức độ hội tụ hoặc phân kỳ) hoặc curl(chuyển động quay quanh tâm quay ở trong chất lỏng)

i, j, k là các vectơ cơ sở trong không gian 3 chiều




Toán tử Laplace

Gradient

Khi tính toán với vectơ, del là toán tử vi phân vectơ ký hiệu bằng nabla :Del là công cụ toán học, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, nó có thể mô tả mộtgradient (slope độ dốc), divergence (mức độ hội tụ hoặc phân kỳ) hoặc curl(chuyển động quay quanh tâm quay ở trong chất lỏng)



Bức xạ điện từSóng điện từ

: bước sóng

E: cường độ điện trường

H: cường độ từ trường

Sóng điện từ được coi làsóng dao động ngang tựlan truyền của từ trường vàđiện trường

Gồm các thành phầnđiện trường và từ trườngvuông góc với nhau vàvuông góc với hướng lantruyền

H

E




Một số cácdạng của bứcxạ điện từthường gặp




Tốc độ của bức xạ điệntừ trong chân không là3x108 m/s

0: hằng số điện môi ck

0: độ từ thẩm ck

0 0

1c




h

h = 6,63x10-34 J/s

Thể hiện rõcả tính chấtsóng và tínhchất hạt củabức xạ điệntừ nói chungvà của ánhsáng khả kiếnnói riêng



Tương tác củaÁnh sáng với Chất rắn

Ánh sáng đi từ môi trường nàysang môi trường khác – mộtphần đi qua, một phần bị hấpthụ, một phần bị phản xạ tạimặt phân cách

I0 = IT + IA + IR T + A + R = 1

Các kim loại không trong suốtnên các phổ ánh sáng chỉhoặc là hấp thụ, hoặc là phảnxạ

Các vật liệu điện môi có thểtrong suốt

Các chất bán dẫn có thể hoặclà trong suốt hoặc không trongsuốt

Xanh dươngTím

Xanh lá câyVàngCamĐỏ

T độ truyền quaA độ hấp thụR độ phản xạ



Tương tác với Điện tử và Nguyên tử

Hiện tượng quang học xảy ratrong lòng chất rắn bao gồmcác tương tác giữa bức xạ điệntừ với các điện tử, ion vànguyên tử

Hai trong các tương tác quantrọng nhất là sự phân cực điệntử (electronic polarization) vàsự chuyển mức năng lượngđiện tử (electron energytransitions)




E1

E2

E3

E4

E5Điện tử kích thíchE = E4 - E2 = h42

Photon tớicó tần số 42

Năn

g lư

ợng

Các trạng tháinăng lượng củanguyên tử làkhông liên tục

Sự phân cực điện tử

Tia sáng khi truyền qua làm méo đám mây điện tử

Sóng điện từ là trườngđiện từ dao động nhanh

Ở khoảng tần số khảkiến, điện trường tươngtác với đám mây điện tửbao quanh nguyên tử tạonên sự phân cực điện tử,làm dịch chuyển đámmây điện tử một cáchtương đối với hạt nhânnguyên tử làm thay đổihướng của thành phầnđiện trường




Có 2 hệ quả của quátrình phân cực là1) Một phần của năng lượng

bức xạ có thể bị hấp thụ2) Vận tốc của sóng ánh sáng

bị chậm lại khi đi qua vậtchất – có biểu hiện là sựkhúc xạ trong vật chất đó

Sự hấp thụ và bức xạcủa bức xạ điện từ làmxảy ra hiện tượng chuyểnmức điện tử (electrontransitions) từ trạng tháinăng lượng này tới trạngthái năng lượng khác

E1

E2

E3

E4

E5Điện tử kích thíchE = E4 - E2 = h42

Photon tớicó tần số 42

Năn

g lư

ợng

Các trạng tháinăng lượng củanguyên tử làkhông liên tục

Chỉ có những photon có tầnsố phù hợp với E củanguyên tử mới bị hấp thụbời sự chuyển mức điện tử

Sự phân cực điện tử



Chuyển mức điện tử

Photon chiếu tới Photon bức xạ

Nguyên tử ở trạng thái bị kích thích Nguyên tử ở trạng thái nền

Trước phát xạ Phát xạ Sau phát xạ



Chuyển mức điện tử Sự hấp thụ và bức xạ

sóng điện từ có thể tạonên sự chuyển mứccủa các điện tử từtrạng thái năng lượngnày sang trạng tháinăng lượng khác

Một điện tử có thểđược kích thích để từmột trạng thái bị chiếmcó năng lượng E2chuyển sang trạng tháiđang còn trống ở mứcnăng lượng cao hơn ởE4 bằng cách hấp thụmột photon nănglượng E = h42

ΔE = h 42



Chuyển mức điện tử Sự chuyển mức

điện tử trong môhình Bohr củanguyên tử Hydro

Khi điện tử nhảyđến quỹ đạo n=2,nó phát ra photoncó tần số nhìnthấy trên quangphổ vạchΔE = h 42



Chuyển mức điện tử Điện tử tiếp nhận năng lượng từ photon và nhảy lên mức

năng lượng cao hơn hấp thụ tự phát Điện tử bức xạ ra năng lượng dưới dạng photon và nhảy

xuống mức năng lượng thấp hơn bức xạ tự phát

Hấp thụ tự phát Bức xạ tự phát Bức xạ bị kích thíchΔE = h



Chuyển mức điện tử

Hấp thụ tự phát Bức xạ tự phát Bức xạ bị kích thíchΔE = h

Sự thay đổi mức năng lượng điện tử của chuyển mức phụ thuộcvào tần số của bức xạ ΔE = h

Do các trạng thái năng lượng của nguyên tử là rời rạc chỉ có mứcΔE = h xác định riêng biệt của nguyên tử là được hấp thụ bởi việcchuyển mức điện tử



Chuyển mức điện tử Điện tử ở trang thái bị kích

thích không thể duy trì trạngthái bị kích thích lâu dài sau một khoảng thời giannó lại rơi trở lại về trạng tháinền (ground state – là mứckhông bị kích thích)

Các đặc trưng quang họccủa chất rắn biểu hiện quasự hấp thụ và bức xạ cácsóng điện từ - được giảithích thông qua cấu trúc dảinăng lượng điện tử của vậtliệu và nguyên lý chuyểnmức của điện tử

Cân bằng Kích thích Tái hợp Tái cân bằng



Tính chất Quang của Kim loại Tất cả các tần số khả kiến

đều bị kim loại hấp thụ dosự liên tục của các trạngthái điện tử còn trống, chophép các điện tử đó chuyểntrạng thái

Kim loại không trong suốt do các bức xạ tới có tầnsố trong khoảng nhìn thấylàm kích thích các điện tửlên các trạng thái nănglượng chưa bị chiếm ở phíatrên mức Fermi, bức xạ tớiđược hấp thụ

Hấp thụ chủ yếu chỉ ở lớpmỏng bên ngoài khoảng0,1 m chỉ lớp này là cóthể cho ánh sáng đi qua

Fermi energy

Kim loại không cóvùng cấm năng lượngPhi kim loại có vùngcấm năng lượng



Tính chất Quang của Kim loại Hầu hết ánh sáng được

hấp thụ bởi kim loại làdo các trạng thái điện tửcòn trống cho phépcó sự chuyển mức điệntử

Các kim loại không chohầu hết các bức xạ phổtần số thấp (từ bướcsóng vô tuyến, hồngngoại, ánh sáng nhìnthấy cho đến các sóngtrung và bức xạ tửngoại) đi ngang qua

Kim loại là trong suốt vớicác bức xạ tần số cao(tia X và tia )

Fermi energy




Tính chất Quang của Kim loại Hầu hết các bức xạ đã

hấp thụ sẽ tái phát xạ(re-emitted) từ bề mặtdưới dạng ánh sángnhìn thấy ở cùng bướcsóng - thể hiện là các tiaphản xạ

Sự chuyển mức điện tửtạo nên sự tái bức xạ(re-radiation)

Hệ số phản xạ của hầuhết kim loại ở trongkhoảng 0,90 và 0,95

Tần số phản xạ bằng tầnsố tới. Một phần nhỏ củanăng lượng điện tử bịmất mát dưới dạng nhiệtCó bề mặt sáng

ánh kim



Tính chất Quang của Phi kim loại Đặc trưng cấu trúc vùng

năng lượng của điện tử,các vật liệu phi kim có thểtrong suốt với ánh sángkhả kiến

Chú trọng đến các hiệntượng phản xạ, hấp thụ,khúc xạ, truyền qua

Khúc xạ là khi ánh sáng đivào vật liệu bị gãy ở bềmặt và thay đổi vận tốctrong vật liệu chỉ sốkhúc xạ (chiết suất n)

c: vận tốc ánh sáng trong chân khôngv: vận tốc ánh sáng trong vật liệu

- Hằng số điện môi - Độ từ thẩm




Tính chất Quang của Phi kim loại Phản xạ là khi ánh sáng đi

vào vật liệu có một phần bịphản xạ trở lại ở mặt phâncách (thậm chí khi cả 2 vậtliệu là trong suốt) độphản xạ R là tỷ số cho bởi(với I0 và IR là cường độchùm tia tới và chùm tiaphản xạ)

Khi chùm sáng chiếu tới làbình thường (trực giao)

n1 và n2 là chiết suấtcủa 2 môi trường




Tính chất Quang của Phi kim loại Phản xạ là khi ánh sáng đi

vào vật liệu có một phần bịphản xạ trở lại ở mặt phâncách (thậm chí khi cả 2 vậtliệu là trong suốt) độphản xạ R là tỷ số cho bởi(với I0 và IR là cường độchùm tia tới và chùm tiaphản xạ)

Khi chùm sáng chiếu tới làkhông bình thường, R sẽphụ thuộc vào góc chiếutới. Khi ánh sáng chiếuvào môi trường s

n1 và n2 là chiết suấtcủa 2 môi trường




Tính chất Quang của Phi kim loại Hấp thụ - các vật liệu phi

kim có thể ở dạng đụckhông cho ánh sáng đi qua.Nếu trong suốt, chúngthường có màu sắc

Bức xạ ánh sáng được hấpthụ theo 2 cơ chế1) Hấp thụ do phân cực điện

tử đóng vai trò quan trọngở tấn số ánh sáng lân cậntần số hồi phục (relaxation)của nguyên tử

2) Hấp thụ do sự chuyển mứcđiện tử từ dải hóa trị và dảidẫn - phụ thuộc vào cấutrúc dải năng lượng củavật liệu




Tính chất Quang của Phi kim loại Hấp thụ của photon ánh

sáng có thể xảy ra khi tạosự kích thích điện tử ở gầndải hóa trị được điền đầy điqua vùng cấm lên tới trạngthái trống ở dải dẫn tạothành điện tử tự do ở dảidẫn và lỗ trống ở dải hóa trị

Năng lượng kích thích Eliên quan tới tần số photonhấp thụ E = h. Sự kíchthích hấp thụ chỉ xảy ra khinăng lượng photon lớn hơnnăng lượng vùng cấm Eg




Tính chất Quang của Phi kim loại Với bước sóng khả

kiến cực tiểu (min)khoảng 0.4m, biết cvà h xác định nănglượng vùng cấm cựcđại Eg(max) có thểhấp thụ ánh sáng khảkiến là

Với bước sóng khả kiến cực đại (max) khoảng0.7m, biết c và h xác định năng lượng vùngcấm cực tiểu Eg(min) có thể hấp thụ ánh sáng



Tính chất Quang của Phi kim loại

Hấp thụ photon do kích thích điện tử từ dải hóa trị lên dải dẫn với mức tạpchất nằm trong vùng cấm (a), Sự phát xạ của 2 photon với điện tử đầu tiênnhảy xuống mức tạp chất và sau đó mới nhảy xuống mức trạng thái nền (b)và sự sinh cặp photon khi điện tử nhảy xuống mức năng lượng tạp chất vàsau đó nhảy xuống mức trạng thái nền (c)




Năng lượng điện từ hấp thụ bởi điện tử kích thích do 2 cơ chế Tái hợp trực tiếp điện tử lỗ trống Sự phát sinh 2 photon

Cường độ bức xạ bị hấp thụ phụ thuộc vào môi trường và quang lộI’T cường độ bức xạ không bị hấp thụ (truyền qua)I’0 cường độ bức xạ tới không bị phản xạ hệ số hấp thụ



Tính chất Quang của Phi kim loại Truyền qua, khi chùm

sáng tới có cường độ I0chiếu tới bề mặt mẫu cóchiều dày ℓ và hệ số hấpthụ , cường độ của tiatruyền qua ờ mặt sau IT là

Các môi trường ở phíatrước và sau là như nhau

Ánh sáng chiếu tới truyềnqua vật liệu trong suốt -phụ thuộc vào sự mất mátdo hấp thụ và phản xạ

với R – độ phản xạ


ℓ

T độ truyền quaA độ hấp thụR độ phản xạ




Nếu Egap < 1,8 eV hấp thụ toànphần có màu đen

Nếu Egap > 3,1 eV không hấp thụ không có màu (kimcương)

Nếu Egap ở khoảnggiữa hấp thụ mộtphần có màu sắc




Tính chất Quang của Phi kim loại Các vật liệu trong suốt có

màu sắc là kết quả của dãycác bước sóng ánh sángmà nó hấp thụ

Màu sắc là kết quả của sựkết hợp các bước sóng Ánh sáng truyền qua Ánh sáng tái phát xạ do sự

chuyển mức điện tử

Nếu hấp thụ đồng đều tấtcả các bước sóng khả kiến vật liệu không có màusắc (thủy tinh hữu cơ, kimcương, ngọc saphire)



Tính chất Quang của Phi kim loại Ví dụ:

Sapphire không màu Khi thêm Cr2O3 làm

cho vùng cấm bị thayđổi, hấp thụ màu xanh,vàng, xanh lá, cho màuđỏ đi qua Ruby cómàu đỏ đậm



Độ đục và Độ truyền quatrong Điện môi Mức độ truyền qua và mức độ đục của

vật liệu điện môi trong suốt phụ thuộcvào đặc trưng phản xạ và truyền quanội tại của vật liệu

Tia sáng truyền qua bị làm lệch hướngvà lan truyền nhiều lần trong vật liệu

Độ đục của vật liệu là khi tia sáng tới bịva chạm tán xạ trên bề mặt vật liệu, tiasáng không truyền qua được, không bịlệch hướng

Hình bên minh họa đặc tính truyền quacho đơn tinh thể, mờ đục cho đa tinhthể và đục của vật liệu xốp



Một số Ứng dụng Hiện tượng Huỳnh quang

Luminescence: một số vật liệucó khả năng hấp thụ nănglượng và sau đó tái phát xạdưới dạng ánh sáng nhìn thấy

Các photon của tia sáng phátxạ phát sinh do chuyển mứcđiện tử trong chất rắn

Năng lượng sẽ bị hấp thụ khiđiện tử được đưa lên trạngthái năng lượng bị kích thích

Khi điện tử rơi xuống trạng tháinăng lượng thấp hơn phátra ánh sáng nhìn thấy



Một số Ứng dụng Năng lượng hấp thụ có thể

được cung cấp từ bức xạ điệntừ năng lượng cao như là tiatử ngoại, các điện tử nănglượng cao, nhiệt năng, cơnăng hoặc hóa năng …

Huỳnh quang được phân loạidựa trên khoảng thời gian trễgiữa khi hấp thụ và tái phát xạ Nếu thời gian tái phát xạ nhỏ

hơn 1 giây nhiều («1s) -fluorescence

Nếu thời gian tái phát xạ lớnhơn - phosphorescence



Một số Ứng dụng Một số chuyển tiếp chỉnh lưu

p-n cũng được dùng để tạonguồn phát sinh ánh sáng nhìnthấy – được gọi là điện tửhuỳnh quangelectroluminescence – điệnthế qua linh kiện tạo nên cácđiện tử lỗ trống hủy lẫn nhautrong vùng tái hợp tạo raánh sáng nhìn thấy – gọi làLight-Emitting Diodes (LED)

Màu ánh sáng của LED phát raphụ thuộc vào vật liệu bán dẫnđược sử dụng

Khi phân cực thuận có sự tiêm điện tử từ n vàop (a) và phát xạ ra các photon ánh sáng khi cósự tái hợp với lỗ trống (hủy các điện tử) (b)



Một số Ứng dụng Độ quang dẫn (Photoconductivity):

độ dẫn điện của vật liệu bán dẫnphụ thuộc vào số lượng của cácđiện tử tự do ở dải dẫn và của các lỗtrống ở dải hóa trị khi chiếu sáng

Thêm vào đó, năng lượng nhiệt vàdao động mạng tinh thể cũng làmkích thích các điện tử tạo nên cácđiện tử và lỗ trống tự do

Sự phát sinh các hạt mang điện khicó sự chuyển mức điện tử do cácphoton tạo ra khi hấp thụ ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu:Độ quang dẫn

Khi chiếu sáng vật liệu quang dẫn sẽ làm tăng độ dẫn điện vật liệu



Một số Ứng dụng Lasers – sự chuyển mức điện

tử tạo nên bức xạ là sóng ánhsáng không đồng pha

Ánh sáng LASER được phátsinh do sự chuyển mức điện tửdo tác nhân kích thích từ bênngoài – là viết tắt của cụm từLight Amplication by StimulatedEmission of Radiation – sựkhuếch đại ánh sáng do phátxạ của bức xạ được kích thích

Với vật liệu bán dẫn, bướcsóng của laser

Phân rã tự phát (không cóbức xạ, phát xạ phonon)

Điện tửđượckíchthích

Trạng thái bị kích thích

Trạng tháigiả bền

Bức xạ kíchthích tự phát

GaAs

Eg độ rộngvùng cấmnăng lượng



Một số Ứng dụng - Fiber Optics Lĩnh vực viễn thông ngày nay chủ

yếu dùng cáp quang thay vì dùngdây đồng để dẫn truyền tín hiệu

Tín hiệu truyền đi sẽ là photonicthay vì electronic

Làm gia tăng tốc độ truyền dữliệu, mật độ thông tin và khoảngcách đường truyền và giảm sai lạcthông tin Lượng thông tin truyền qua cáp

quang trong 1 giây tương đươngvới 3 chương trình show trên TV

Cần khoảng 30000 kg đồngnguyên chất để truyền lượngthông tin tương đương khi dùngchỉ có 0,1 kg vật liệu cáp quang

KẾT THÚCCảm ơn đã theo dõi



Documents

Trao đổi trực tuyến tại - mientayvn.commientayvn.com/Vat li/Tai_lieu/Khoa_hoc_vat_lieu/Vatlieu8.pdf · ĐẠI CƯƠNG Nguyễn Mạnh ... có những màu sắc khác nhau