Microsoft PowerPoint MSE5513 Ch4 Váº�t liá»⁄u có tÃ�nh chất quang ĂẠc biá»⁄t 1 Tính chất và vật liệu quang VẬT LIỆU CHỨC NĂNG Nội dung 1 Tính chất điện từ của sóng 2 Tương tác sóng với vật chất.
Nội dung VẬT LIỆU CHỨC NĂNG Tính chất điện từ sóng Tương tác sóng với vật chất Tính chất quang kim loại Tính chất quang vật liệu phi kim Ứng dụng Tính chất vật liệu quang Tính chất điện từ sóng • Ánh sáng có tính chất sóng • Ánh sáng có tính chất hạt Christiaan Huygens Einstein: sóng có tính chất sóng hạt Isaac Newton Sóng điện từ ánh sáng Color & Energy Violet ~ 3.17eV Blue ~ 2.73eV Green ~ 2.52eV Yellow ~ 2.15eV Orange ~ 2.08eV Red ~ 1.62eV Tốc độ truyền song c E = h Tính sóng – hạt (hạt) (sóng) • Photon – đơn vị lượng nhỏ sóng Sóng thực chất phát xạ nhiều photon • Năng lượng sóng khơng trải rộng mà lan truyền theo dạng hạt Năng lượng photon xác định theo tần số , hay bước sóng , Eph = h = (hc)/ • Trong chân khơng: c = o v v = c/n = n hệ số khúc xạ môi trường n rr bước sóng mơi trường r độ từ thấm tương đối môi trường r số điện mơi mơi trường • Trong mơi trường khác, Tốc độ ánh sáng môi trường phụ thuộc vào tính chất điện, từ mơi trường Tốc độ truyền sóng chân khơng: Ánh sáng nhìn thấy Mắt thường nhận ánh sang với bước sóng Tương tác ánh sáng vật chất anh sáng khoảng λ ~ 450nm to 650nm 1.8eV 3.1eV Spectral Response of Human Eyes Efficiency, 100% • Cường độ Io chùm tia tới bề mặt chất rắn phải tổng cường độ môi trường truyền qua, hấp thụ, phản xạ, ký hiệu IT, IA IR: 400nm 500nm 600nm 700nm Tương tác ánh sáng vật chất I o = IT + I A + I R T+ A+R=1 T, A R độ truyền qua (IT/I0), độ hấp thụ (IA/Io), độ phản xạ (IR/Io) Tương tác ánh sáng vật chất Vật liệu có khả cho ánh sáng truyền qua với độ hấp thụ phản chiếu tương đối thấp gọi suốt (có thể nhìn xun qua) Vật liệu mờ vật liệu mà ánh sáng truyền qua cách khuếch tán; nghĩa là, ánh sáng bị phân tán bên bên trong, phân biệt vật thể Cường độ Io chùm tia tới bề mặt chất rắn phải tổng cường độ môi trường truyền qua, hấp thụ, phản xạ, ký hiệu IT, IA IR: I o = I T + I A + IR T+ A+R=1 T, A R độ truyền qua (IT/I0), độ hấp thụ (IA/Io), độ phản xạ (IR/Io) nhìn vào Vật liệu cho ánh sáng nhìn thấy truyền qua gọi mờ đục (vd kim loại) Tương tác sóng – nguyên tử Tính chất quang kim loại Phân cực Điện trường sóng tương tác với đám mây điện tử nén đám mây điện tử phía Phân cực Có khả xảy ra: - Sóng điện từ bị hấp thụ - Sóng xuyên qua đám mây điện tử bị đẩy lệch hướng khúc xạ Chuyển đổi lượng điện tử/Điện tử kích thích Điện hấp thụ lượng sóng chuyển lên mức lượng cao Ánh sáng khơng truyền qua kim loại với dải tần số ánh sáng photon điện tử bị hấp thụ chuyển lên vùng dẫn Các photon bị hấp thụ lớp bề mặt có chiều dày 0.1μm; ánh sáng truyền qua kim loại có chiều dày 2.26 eV (xanh cây, xanh da trời, tím) bị hấp thụ • Photons với E = h < 2.26eV (vàng cam đỏ) truyền qua Điện tử bị kích thích chuyển lên vùng dẫn Năng lượng photon bị hấp thụ DE>Eg Điện tử trở chỗ trống phát xạ photon Tính chất quang vật liệu phi kim Hấp thụ Bước song nhỏ ánh sáng nhìn thấy λ=0.4 μm, c=3.18^8 m/s, h=4.13^10-15e eV.s Hấp thụ thơng qua q trình phân cực điện tử gây sóng điện từ Hấp thụ thơng qua chuyển tiếp điện tử vùng hóa trị vùng dẫn, phụ thuộc vào cấu trúc vùng lượng Năng lượng lớn vùng trống Eg mà ánh sáng nhìn thấy bị hấp thụ 3.1 eV Khơng có ánh sáng nhìn thấy bị hấp thụ vật liệu phi kim loại có lượng vùng cấm lớn khoảng 3,1 eV; vật liệu này, có độ tinh khiết cao, xuất suốt không màu Bán dẫn Hệ số khúc xạ số hợp chất phi kim Phát xạ photon phụ thuộc vào mức độ lượng tạp chất Khúc xạ Phản xạ Khi ánh sáng từ môi trường sang 2, mức độ phản xạ bền mặt phụ thuộc vào chiết suất môi trường Khúc xạ tính chất quan trọng vật liệu tương tác với ánh sáng Hiện tượng xảy ánh sáng truyền từ môi trường sang môi trường khác Ví dụ từ khơng khí vào thủy tinh Nếu ánh sáng chiếu vng góc với bề mặt n1 n2 chiết suất môi trường Khi truyền từ chân khơng hay khơng khí vào chất rắn Hệ số khúc xạ n = c/v Với c vận tốc ánh sáng chân không v vận tốc ánh vật liệu (phụ thuộc vào bước sóng) Độ lớn n phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng - Mức độ phản xạ ánh sáng thủy tinh khoảng 0,05 - Dụng cụ quang học thấu kính loại bỏ tia phản xạ cách phủ lớp cách điện MgF2 Truyền qua Cho chùm sáng có cường độ I0 truyền tới bề mặt trước mẫu vật có độ dày l hệ số hấp thụ 𝛽, cường độ truyền qua mặt sau IT Với R + A + T = (PT 21.5) Ngoài ra, R, A T phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng Màn hình LED Ví dụ, ánh sáng 𝜆= 0,4 𝜇m, phần Huỳnh quang có số ứng dụng thương mại truyền đi, hấp thụ phản xạ khoảng Đèn huỳnh quang bao gồm vỏ thủy tinh, phủ bên 0,90, 0,05 0,05 R độ phản xạ 𝛽: hệ số hấp thụ Bảng quảng cáo đèn LED Tuy nhiên, 𝜆 = 0,55 𝜇m, phân số tương ứng chuyển sang khoảng 0,50, 0,48 0,02 Một số ứng dụng: Led huỳnh quang, lân quang (luminescence, Phosphorescence) vonfram điều chế đặc biệt silicat Tia cực tím (UV) tạo ống từ chất phát sáng thủy ngân phóng điện, làm cho lớp phủ phát huỳnh quang phát ánh sáng trắng Hình ảnh xem hình tivi sản phẩm tượng huỳnh quang Nguyên lý hoạt động LED Phát xạ: Đi ốt phát xạ ánh sáng(LED) & Lase ốt(LD) Hấp thụ: Tấm lục: kính râm, Bộ lọc Si filters ( chặn tia hồng ngoại ánh sáng nhìn thấy) Quang dẫn Hạt mang điện (điện tử hay lỗ trống hình thành hấp thụ ánh sáng tạo nâng cao khả dẫn điện vật liệu Hiệu ứng Quang dẫn Kiểm soát độ dẫn điện ánh sáng Khi muốn hấp thụ ánh sáng chuyển thành điện tử quang → Vùng cấm bán dẫn: Chất quang dẫn Quang dẫn xảy ? • Khi ánh sáng có bước sóng thích hợp chiếu vào chất bán dẫn cấp lượng giải phóng electron liên kết trở thành electron dẫn để lại lỗ trống mang điện dương • Các lỗ trống (holes) chuyển động chất bán dẫn tham gia vào trình dẫn điện với electron tác dụng điện trường có lượng nhỏ lượng photons bị hấp thụ Hiện tượng quang dẫn (quang điện trong) Quang dẫn ? Quang dẫn tượng quang điện vật liệu bán dẫn trở nên dẫn điện hấp thụ xạ điện từ ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng tử ngoại, ánh sáng hồng ngoại xạ gamma Quang dẫn xảy ? • Giới hạn Quang dẫn: Năng lượng ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (hv) phải lớn cơng A (giúp electron bứt khỏi liên kết trở thành electron dẫn) xảy Quang dẫn ≥A→λ≤ →λ≤λ Giới hạn quang dẫn • Năng lượng cung cấp cho electron phải đủ lớn để giúp qua vùng cấm để lên vùng dẫn • hv ≥ E Sợi thủy tinh Cách mạng truyền tải liệu: Đặc điểm Hiện tượng quang dẫn • Khả dẫn điện chất bán dẫn xảy Quang dẫn phụ thuộc vào: = e.(n 𝜇 + p 𝜇 ) Vận tốc di chuyển điện tử lỗ trống: v = 𝜇 Tương đương thông tin hrs TV s 24,000 gọi Độ dẫn điện: 𝜎 ( ) E • Các electron liên kết trở thành electron dẫn di chuyển khối bán dẫn không bị bật hiên tượng quang điện 0.1kg sợi thủy tinh truyền liệu tương đương 30,000kg sợi Cu • Khi xảy Quang dẫn vật liệu, điện trở vật liệu bị giảm, độ dẫn tăng optical optical • Do lượng để bứt electron khỏi liên kết để thành electron dẫn không cao, nên lượng photon chiếu vào nhỏ Từ cho thấy giới hạn quang dẫn nằm vùng ánh sáng hồng ngoại encoder conversion to optical repeater detection decoder Cảm biến quang Nguyên lý hoạt động 10 ... (IR/Io) Tương tác ánh sáng vật chất Vật liệu có khả cho ánh sáng truyền qua với độ hấp thụ phản chiếu tương đối thấp gọi suốt (có thể nhìn xun qua) Vật liệu mờ vật liệu mà ánh sáng truyền qua... tượng quang dẫn (quang điện trong) Quang dẫn ? Quang dẫn tượng quang điện vật liệu bán dẫn trở nên dẫn điện hấp thụ xạ điện từ ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng tử ngoại, ánh sáng hồng ngoại xạ gamma Quang. .. cao khả dẫn điện vật liệu Hiệu ứng Quang dẫn Kiểm soát độ dẫn điện ánh sáng Khi muốn hấp thụ ánh sáng chuyển thành điện tử quang → Vùng cấm bán dẫn: Chất quang dẫn Quang dẫn xảy ? •