Bài giảng Vật liệu - Chương 6: Tính chất quang của vật liệu

Ø Điện tử tiếp nhận năng lượng từ photon và nhảy lên mức năng lượng cao hơn → hấp thụ tự phát Ø Điện tử bức xạ ra năng lượng dưới dạng photon và nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn → bức [r]

LOGO Ánh sáng phát từ các vật liệu (nguồn sáng) như: ü Ánh sáng trắng từ mặt trời ü Ánh sáng phát từ đám cháy ü Ánh sáng phát từ đèn tròn ü Ánh sáng vàng phát từ đèn natri ü Ánh sáng từ phản ứng hóa học ü Ánh sáng từ sinh vật ü Ánh sáng có chất là sóng điện từ (electromagnetic radiation) ü Ánh sáng có các xạ dạng sóng (wave) và các lượng tử (photon) dạng hạt (particle) phát từ vật liệu Các thông số quan trọng ánh sáng là: ü Năng lượng photon E ü Bước sóng (wavelength) λ ü Tần số (frequency) v Mối liên hệ các thông số này: h – số Planck = 6,6262.10-34 J.s c – tốc độ ánh sáng chân không = 3.108 m/s Mắt người thấy được: ü Bước sóng từ 400 – 700 nm (visible light) ü Năng lượng từ 1,8 eV to 3,1 eV ü Tần số từ 4,3x1014 đến 7,5x1014 Hz Tím Xanh dương Xanh lá cây Vàng Cam Đỏ Violet Blue Green Yellow Orange Red Khi chiếu tia ánh sáng vào chất rắn, có thể xảy các tượng sau: ü Phản xạ (reflection) ü Truyền qua (transmission) ü Hấp thụ (absorption) ü Khúc xạ (refraction) Mỗi vật liệu có khả khác với các tượng trên Cường độ (intensity) tia ánh sáng tới (I0) bị tách thành các tia phản xạ (IR), truyền qua (IT) và hấp thụ (IA) Reflected: IR Absorbed: IA Transmitted: IT Incident: I0 I = IT + I R + I A Scattered: IS =T + R+ A Ø Tỉ số IT/I0 = T là hệ số truyền qua (transmissivity) Ø Tỉ số IA/I0 = A là hệ số hấp thu (absorptivity) Ø Tỉ số IR/I0 = R là hệ số phản xạ (reflectivity) Hiện tượng quang học xảy lòng chất rắn bao gồm các tương tác xạđiện từ với các điện tử, ion và nguyên tử Hai các tương tác quan trọng là phân cực điện tử (electronic polarization) và chuyển mức lượng điện tử (electron energy transitions) 10 no transmitted light + transmitted light + electron cloud distorts Ø Bản chất ánh sáng là sóng điện từ, nên có tương tác với đám mây electron bao quanh nguyên tử, tạo nên phân cực điện tử Ø Hệ quả: ü Đám mây electron nguyên tử bị biến dạng, lệch so với hạt nhân ü Một phần lượng ánh sáng bị hấp thụ ü Vận tốc ánh sáng bị chậm lại, tạo nên khúc xạ 11 Electron thuộc lớp vỏ nguyên tử, ion nhận lượng ánh sáng, nhảy từ trạng thái bền (ground state) lên trạng thái kích thích (excited state) Chỉ xạ có lượng thích hợp giúp electron chuyển sang trạng thái kích thích (bước sóng đó bị hấp thụ) 12 Ø Điện tử tiếp nhận lượng từ photon và nhảy lên mức lượng cao → hấp thụ tự phát Ø Điện tử xạ lượng dạng photon và nhảy xuống mức lượng thấp → xạ tự phát q Các đặc trưng quang học chất rắn biểu qua hấp thụ và xạ các sóng điện từ 13 Ánh sáng bị giảm vận tốc (giảm bước sóng, tần số không đổi) và đổi hướng truyền qua vật liệu Chỉ số khúc xạ (chiết suất) n định nghĩa là: 14 Chiết suất phụ thuộc vào chất vật liệu và bước sóng tới (hiện tượng tán sắc) n2 < n1 f2 n2 n1 sin f2 = n2 sin f1 f1 = góc tới n1 f2 = góc khúc xạ fc = góc tới hạn fc f1 f2 = 90° Khi f1 > fc, ánh sáng bị phản xạ bên Sợi quang học (optical fiber) là vật liệu có chiết suất n cao để mà toàn ánh sáng phản xạ bên và không thoát khỏi vật liệu 15 § Kim loại phản xạ toàn ánh sáng (có ánh kim), R = 0,90 – 0,95 Thủy tinh có R ≈ 0,05 § Cu và Au hấp thụ tia blue và green nên có màu vàng æ n - 1ö R =ç ÷ = reflectivity è n + 1ø VD: kim cương có hệ số phản xạ là æ 2.41 - ö R=ç ÷ = 0.17 = 17% è 2.41 + ø 16 Kim loại hấp phụ photon quá trình chuyển mức electron Energy of electron unfilled states DE = hn required! Io Planck’s constant (6.63 x 10-34 J/s) freq of incident light filled states ü Kim loại có dãy trạng thái lượng nhau, nên có thể hấp thụ nhiều bước sóng khác ü Electron ngoài bề mặt kim loại hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và xạ lại sóng ánh sáng cùng tần số 17 Với vật liệu phi kim loại, lượng photon giúp kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn với điều kiện: Với bước sóng vùng khả kiến (400 – 700 nm); 1,8 eV < Eg < 3,1 eV hay 18 Quá trình hấp thụ photon xảy hv > Eg Energy of electron violet light: hn = 3.1 eV unfilled states red light: hn = 1.8 eV incident photon energy hn Io Egap filled states Nếu Eg < 1,8 eV, vật liệu hấp thụ toàn bộ, màu đen (C, Si, GaAs) Nếu Eg > 3.1 eV, vật liệu hoàn toàn không hấp thụ, không màu (kim cương) Nếu Eg giữa, vật liệu hấp thụ chọn lọc, có màu cụ thể 19 Phần ánh sáng truyền qua là phần còn lại sau hấp thụ và phản xạ, → Cường độ tia ló bị giảm và phụ thuộc vào bước sóng Tỉ lệ các tượng theo bước sóng tới trên thủy tinh xanh dương 20 Ø Màu vật liệu suốt là kết quá trình hấp thụ chọn lọc ánh sáng, là kết hợp bước sóng truyền qua Ø Nếu hấp thụ là đồng cho tất các bước sóng, vật liệu là không màu VD: thủy tinh tinh khiết, kim cương tinh khiết, đá sapphire Ø Dựa vào Eg, vật liệu hấp phụ phần bước sóng ánh sáng, màu khác VD: CdS có Eg = 2,4 eV, hấp thụ bước sóng lượng cao (blue, violet), nên tia đỏ, vàng, vàng cam truyền qua tạo màu cho nó 21 Khi có tạp chất, Eg thay đổi, vật liệu thay đổi màu VD: sapphire không màu, thêm phụ gia Cr2O3 (0.5 to 2%) có màu đỏ ruby 22 q Mức độ truyền qua và mức độ đục vật liệu điện môi suốt phụ thuộc vào đặc trưng phản xạ và truyền qua nội vật liệu ü Tia sáng truyền qua bị làm lệch hướng các vị trí biên các đa tinh thể và lan truyền nhiều lần vật liệu ü Độ đục vật liệu là tia sáng tới bị va chạm tán xạ (scattering) trên bề mặt vật liệu, tia sáng không truyền qua được, bị lệch hướng VD: Tính mờ đục Al2O3 đơn tinh thể, đa tinh thể và bị khuyết tật (chứa mao quản) 23 Ø Sự phát quang (luminescence) là phát ánh sáng từ vật liệu ü Vật liệu có thể hấp thụ ánh sáng với tần số định và phát tần số khác thấp (ngoài còn có phát nhiệt) Conduction band ü Ngoài ánh sáng, có thể sử dụng các dạng lượng khác nhiệt năng, năng, hóa năng, điện tử Eg trapped states lượng cao,… Eemission ü Phân activator level Valence band loại: (fluorescence) huỳnh và (phosphorescence) lân quang quang 24 Ø Dựa trên khoảng thời gian trễ hấp thụ và tái phát xạ, phân loại: ü Thời gian tái phát xạ nhỏ giây nhiều («1s) - huỳnh quang ü Thời gian tái phát xạ lớn - lân quang 25 Ø Hiện tượng hồ quang điện điện cực âm giúp phóng e, e di chuyển cực dương, ion hóa khí trơ (tạo môi trường plasma) và kích thích Hg phát tia cực tím, tia này kích thích phosphor (P) phát huỳnh quang ánh sáng trắng 26 Ø Sử dụng màn hình tivi CRT (Cathode Ray Tube) ü Sử dụng tia cathod để phát dòng electron ü Electron kích thích phosphor (P) ü P phát ánh sáng nhìn thấy với màu sắc tùy phụ gia Phụ gia tạo màu: ZnS (Ag+ & Cl-): Blue (Zn, Cd) S + (Cu++Al3+): Green Y2O2S + 3% Eu: Red 27 cấu tạo từ khối bán dẫn loại p ghép với khối bán dẫn loại n ü Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, số điện tử bị lỗ trống thu hút và chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với tạo thành các nguyên tử trung hòa ü Quá trình này có thể giải phóng lượng dạng ánh sáng (hay các xạ điện từ có bước sóng gần đó) ü Một số trường hợp khác phát nhiệt và không phát sáng (Si, Ge) 28 Màu sắc Hồng ngoại Đỏ Cam Vàng Xanh lá Xanh da trời Tím Đỏ tía Bước sóng [nm] Điện áp [ΔV] λ > 760 ΔV < 1.63 610 < λ < 760 1.63 < ΔV < 2.03 590 < λ < 610 2.03 < ΔV < 2.10 570 < λ < 590 2.10 < ΔV < 2.18 500 < λ < 570 1.9 < ΔV < 4.0 450 < λ < 500 2.48 < ΔV < 3.7 400 < λ < 450 2.76 < ΔV < 4.0 Nhiều loại 2.48 < ΔV < 3.7 Tia cực tím λ < 400 3.1 < ΔV < 4.4 Hồng Nhiều loại ΔV ~ 3.3 Trắng Phổ rộng ΔV = 3.5 Vật liệu GaAs, AlGaAs AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP GaAsP, AlGaInP, GaP GaAsP, AlGaInP, GaP InGaN, GaN, GaP, AlGaInP, AlGaP ZnSe, InGaN, SiC InGaN red phosphor, purple plastic Kim cương (235 nm), BN (215 nm) AlN (210 nm), AlGaInN (210 nm) Vàng với lớp phosphor đỏ Trắng với thuốc nhuộm/pigment hồng Kết hợp nhiều loại diode 29 Ø OLED: đèn LED từ polimer dẫn điện hữu ü Ưu điểm: nhẹ, suốt, phát sáng chiều, uốn cong được, ứng dụng làm màn hình tivi, điện thoại,… 30 P-doped Si conductance electron Si Si P Si Si n-type Si p-n junction P-type Si Si hole Ø Hiệu ứng quang điện (photoelectric effect) là tượng điện tử thoát khỏi vật chất sau hấp thụ lượng từ các xạ điện từ Si B Si B-doped Si Si 31 Pin quang hóa (solar cell) hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện 32 Ø Khi chiếu photon tới vật liệu trạng thái kích thích, vật liệu phát photon, cường độ photon chiếu tăng lên 33 Ø Một số vật liệu có tồn trạng thái chuyển tiếp siêu bền, electron bị kích thích nằm trạng thái siêu bền (trong khoảng thời gian microsecond đến milisecond) Rất nhanh và phát nhiệt Trạng thái siêu bền X XXX XX X Chậm hơn, phát quang và xảy lượt 34 ü Sử dụng nguồn lượng (ánh sáng, nhiệt, dòng e từ nguồn điện,…) để trì e trạng thái kích thích (siêu bền) ü Mật độ electron trạng thái kích thích nhiều trạng thái 35 Ø Photon phát xạ kích thích làm tăng cường độ tia ló, tia ló lại phát xạ kích thích chế dây chuyền làm tăng cường độ tia laser phát nhiều lần 36 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích) Ứng dụng tia laser: hàn, khoan, cắt, y học, khắc lên vật liệu gốm, in ấn, ghi đĩa DVD, đo khoảng cách không gian, vũ khí quân sự, v.v… 37 Sợi quang học là loại cáp viễn thông làm thủy tinh nhựa, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu 38 Core: sợi quang nơi ánh sáng (có chiết suất cao) Cladding: bao bọc lõi và phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi (có chiết suất thấp hơn) Buffer coating: lớp phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi không bị hỏng và ẩm ướt Jacket: hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang đặt bó gọi là cáp quang, bó này bảo vệ lớp phủ bên ngoài gọi là jacket 39 Ø Phát: Một điốt phát sáng (LED) laser truyền liệu xung ánh sáng vào cáp quang Ø Nhận: sử dụng cảm ứng quang chuyển xung ánh sáng ngược thành data Ø Đặc điểm: truyền ánh sáng nên nhanh, độ suy yếu thấp, mỏng, dung lượng truyền tải cao, không bị nhiễu, ảnh hưởng thời tiết, không sợ hỏa hoạn, v.v… 40 Ứng dụng: 41 Vật liệu nhận lượng ánh sáng mặt trời, giúp electron bị kích thích lên vùng dẫn: UV + MO → MO (h + e−) h+ + H2O → H+ + •OH h+ + H2O → H+ + H2O2 H2O2→ HO• + •OH e− + O2 → •O2 •O2− + HO•2 + H+ → H2O2 + O2 HOOH → HO• + •OH Các gốc tự tạo có hoạt tính oxi hóa mạnh Ứng dụng: tổng hợp hydrogen, oxi hóa xử lý môi trường, tổng hợp hữ cơ, diệt khuẩn,…