材料科学与技术讲义材料的光性质,材料的力学性质资料.ppt

* 三、非金属的光学性质 1、折射 对可见光可能透明或不透明；存在反射、折射、吸收、散射 折射：光从一种介质进入另一种介质时方向改变的现象 折射率： 光在介质中的传播速度 与光波波长有关：棱镜的色散 介质中的光速度： 第四节 材料的光学性质 一、光的属性、光与物质的作用 二、金属的光学特性 组成原子或离子越大，电子极化愈高、折射率越大 大多数非金属 测折射率 相对介电常数： 光电场（高频）下: 介质极化由电子位移极化决定，离子极化、偶极取向极化几乎不起作用 介质的介电性、光速在介质中的减小主要由电子位移极化引起 介质折射率与组成原子或离子的大小有关： 普通玻璃： 掺 Ba 或 Pb 离子玻璃: 材料结构的各相异性导致光学性质的各相异性，立方晶体各向同性 反射率：反射强度与入射强度之比 2、反射 光从一种介质入射到折射率不同的另一种介质时，两介质的界面上产生反射 反射定律、能量守恒定律 垂直入射、反射率 真空或空气： 反射率与波长有关 折射率与波长有关 3、吸收 （1）电子位移极化 对所有材料都存在、只有在色散区 非金属材料光吸收三种机理： 才有显著的吸收 — 共振吸收 （2）本征吸收 价带电子吸收光子越过禁带直接到导带 本征吸收 本征吸收的实现条件： 光子能量： 可见光可激发的最大禁带宽度： 禁带宽度大于 3.1eV 的非金属不可能以这种机理吸收光子 的高纯度材料应无色透明 的材料：对可见光不透明 可见光能量最小的光子： 红光子 禁带宽度小于 1.8eV 的材料可吸收各种可见光子 的材料：部分吸收可见光、带色透明 非金属材料的不透明波长： 红线 金刚石： 红线 杂质能级 （3）杂质吸收（禁带中的吸收） 价电子吸收光子进入禁带中的杂质或缺陷能级；杂质或缺陷能级上的电子吸收光子到导带 杂质或缺陷能级起到从价带向导带转移电子的中转站 禁带中杂质或缺陷能级的存在使价电子能吸收更小能量的光子 禁带中的吸收只有当材料中含有较多杂质时才显著 导带电子可直接跃迁到价带与空穴复合、也可经杂质能级再到价带，产生能量不同的光子 4、绝缘体的半透明和不透明性 绝缘单晶体： 大、光透明 实际陶瓷材料：不仅不是单晶体、而且是多相体 晶相、非晶相、气相（气孔） 组成上：除基本成分外、还有添加剂、填料、杂质 多晶材料(即使仅晶相)：也可能是半透、甚至不透明 多相材料：不仅存在晶界上的散射，晶相、非晶相、气相 多相体： 原因：各微晶取向不同，晶界上的反射和折射引起光线的散射 (晶体折射率各向异性) 间的界面上存在更强的散射 （折射率差异更大) 透光性较多晶材料差 高分子聚合物 纯非晶、均相：透明（折射率各处相同） 结晶性聚合物：半透、甚至不透明 晶相组成：晶区和非晶区 折射率差异大、界面散射强 1、发光现象 四、其它光学现象 光 可见光 发光：产生的电磁辐射光子为可见光子的过程 可见光子的能量： 如：聚乙烯、全同立构聚丙烯、聚四氟乙烯、尼龙等 提供发光体能量 — 电能、热能、电磁辐射能、化学能等 实现持续发光的条件： 可见光 冷光 可见光的发光 冷光发光 冷光发光分为二类：荧光和磷光 荧光的延迟时间： 磷光的延迟时间： 发光延迟时间：材料从受激到发光的延迟时间 荧光发光过程： 导带中的电子直接跃迁到价带、与空穴复合的过程 磷光发光过程： 磷光体中的杂质、在禁带中产生杂质能级 导带电子 杂质能级、被捕获 价带、与空穴复合 逸出捕获阱 发光的延迟时间长 荧光发光 荧光灯 水银和惰性气体的混合气体 辉光放电 紫外线 激发荧光剂 荧光剂的发光弛豫时间越小越好 荧光剂的基质： 卤代磷酸钙， 荧光剂的活化剂： 锑、锰 磷光发光 电视机荧光屏 常用磷光剂基质： （Ca, Sr, Ba, Zn, Cd 等）金属硫化物 活化剂：金属 Ag, Cu, Mn, Al 等 荧光屏的磷光剂的弛豫时间要适当 过短或过长 缺影或重影 2、光电性 光电性：光照到材料上引起材料的电导率的变化 光电材料 半导体材料 光 半导体 价电子激发 或产生电流的现象 导带电子、价带空穴增加 电导率增大 一定范围内： （光强） 光电导： 光电流： 太阳能电池工作原理 PN结内电场 太阳能电池工作原理 太阳光照射 PN 结 P 区和 N 区产生电子和空穴 PN 结内电场的形成 P 区电子和 N 区空穴（少数载流子） 形成光电流 （内电场作用） 太阳能电池工作原理与发光二极管相反 发光二极管 N 区多数载流子 — 电子与P 区多数载流子 — 空穴复合发光 3、激光 普通光源的光： A、激发态电子的辐射跃迁具有随即性、无关性 B、光波由一段段的短波列组成 C、相干性差、相干长度短（子波列的长度）、 （波列的长度，子波的