Upload
zaskovsky
View
261
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
asdcv
Citation preview
13 Optické vlastnosti materiálů
Světlo má povahu vlnovou i částicovou
λν hchE ==∆
m/s) 10 x (3.00rychlost c)sJ10x62.6( konstanta Planckova
frekvence délka vlnová energie
8
34
=
⋅=
===∆
−h
E
νλ
Optické vlastnosti materiálů-vlnové chování světla:
index lomu, optická propustnost
Callister
Index lomu, n
Viz: n = f (λ) Typická skla 1.5 -1.7 Plasty 1.3 -1.6 PbO 2.67 Diamant 2.41
materiálu) v(rychlost vakuu) ve(rychlost
vc
≡
• světlo procházející materiálem deformuje elektronové oblaky atomů.
• světlo je pomalejší v materiálu než ve vakuu.
n = index lomu
+ bez
procházejícího světla
procházející světlo +
deformace elekronového oblaku
Callister 7e.
-- přítomnost velkých, těžkých iontů ve skle (např. olova) snižuje rychlost světla. -- světlo se může ohýbat
Úplný vnitřní odraz
φφ′
=′ sin
sinnn
n’(nízký)
n (vysoký)
n > n’
iφ
cφ
iφ
úhel kritickýodrazu úhel dopadu úhel
==′=
c
i
i
φφφ
odraz úplný90 když nastává
ci
ic
φφφφ
>°=′
Příklad: diamant na vzduchu
Z tohoto důvodu jsou optická vlákna v optických kabelech obalena materiálem s nízkým indexem lomu.
5.2441.21sin
sin1
sin90sin
141.2
sinsin
=φ=φ
φ=
φ=⇒
φφ′
=′
cc
ccnn
• dopadající světlo je buď odráženo, absorbováno nebo propouštěno:
SRATo IIIII +++=
Interakce světla s tuhými látkami
• klasifikace optických materiálů:
Převzato z Callister 6e.
mono-
krystal
polykrystalický neporézní
polykrystalický porézní
propustný průsvitný
neprůh-ledný
dopadající: I0
absorbované: IA
propuštěné: IT
rozptýlené: IS
odražené: IR
Rozptyl světla
v semikrystalických a polykrystalických nekovových materiálech
Semikrystalické materiály
– Hustota krystalů je větší než amorfních materiálů-> rychlost světla je menší – to se projeví rozptylem světla a snížením intenzity propuštěného světla
Polymery (příklad):
– LDPE folie – zakalená – Polystyren – průhledný
Transparentní keramické materiály
Optické vlastnosti materiálů-kvantové chování světla:
barva – pigmenty a drahokamy
Woodward
Elektromagnetické záření a viditelné spektrum
UV 100-400 nm 12.4 - 3.10 eV fialová 400-425 nm 3.10 - 2.92 eV modrá 425-492 nm 2.92 - 2.52 eV zelená 492-575 nm 2.52 - 2.15 eV žlutá 575-585 nm 2.15 - 2.12 eV oranžová 585-647 nm 2.12 - 1.92 eV červená 647-700 nm 1.92 - 1.77 eV blízká IR 10,000-700 nm 1.77 - 0.12 eV Nastává-li adsorpce zážení v jedné oblasti barevného kruhu má materiál barvu opačnou (komplementární barvu). Například:
– materiál absorbuje fialové záření → barva = žlutá – materiál absorbuje zelené záření → barva = červená – materiál absorbuje fialové, modro-zelené → barva = oranžově-červená – materiál absorbuje červené, oranžově-žluté → barva = modrá
E = hc/λ = {(4.1357 x 10-15 eV.s)(2.998 x 108 m/s)}/λ
E (eV) = 1240/λ(nm)
červená
oranžová
žlutá zelená
modrá
fialová
Barva v anorganických tuhých látkách • Interatomové (lokalizované) excitace
– Cr3+ drahokamy (i.e. Cr3+ v rubínu a smaragdu) – Modré a zelené Cu2+ látky (i.e. malachit, tyrkys) – modré Co2+ látky (i.e. Al2CoO4, azurit)
• Excitace s přenosem náboje (kov-kov, aniont-kov) – Fe2+ → Ti4+ v safíru – Fe2+ → Fe3+ v prusské modři – O2- → Cr6+ v BaCrO4
• Přechody mezi valenčním a vodivostním pásem v polovodičích – WO3 (žlutý)
– CdS (žlutý) & CdSe (černý) – HgS (rumělka - červená)/ HgS (metacinobr - černý)
• Intervazebné excitace v kovech – Silná absorpce v částečně zaplněném pásu vede ke kovovému lesku
nebo černému zbarvení
Příčiny barevnosti materiálů
Přechody mezi pásy Optické vlastnosti polovodičů
Vztah mezi vazbou (prostorovým a energetickým překryvem) a optickými vlastnostmi látek se sfaleritovou strukturou, v níž
všechny ionty mají tetraedrickou koordinaci souvisí se šířkou
zakázaného pásu
Protože elektronové přechody z valenčního do zakázaného pásu leží se velmi širokém rozsahu energií, polovodiče se chovají jako určitý filtr (odrážející světlo s energií menší než
zakázané pásmo). To vede pouze k určitým barvám.
Zakázané pásmo (eV) Barva Příklad > 3.0 bílá ZnO 3.0-2.5 žlutá CdS 2.3-2.5 oranžová GaP 1.8-2.3 červená HgS < 1.8 černá CdSe
Eg
Zbarvené polovodiče
CdS (Eg=2.42 eV) CdTe (Eg=1.50 eV)
ZnSe (Eg=2.58 eV) ZnS (Eg=3.6 eV)
Látky jsou zbarvené mají-li šířku zakázaného pásu
1.8<Eg<3.0.
Je-li šířka větší látky jsou bílé nebo průhledné, je-li menší jsou
látky černé.
Typy keramických pigmentů
Pomocí tuhých roztoků různých polovodičů je možné připravit materiály se specifickou šířkou zakázaného pásu. Tento přístup často nazývaný inženýrství zakázaného pásu se užívá při výrobě mnoha zařízení, jako jsou LED (světlo emitující diody), polovodičové lasery, fotodetektory,
sluneční články, apod.
Obrázek převzat z “Semiconductor Optoelectronic Devices”, P. Bhattacharya
GaAs (Eg=1.4 eV, a=5.65A) a AlAs (Eg=2.1 eV, a=5.66A) patří mezi nejdůležitější materiály pro optoelektronická zařízení, protože mají výhodné mřížkové parametry.
„Inženýrství“ zakázaného pásu
Cr3+ drahokamy Excitace elektronu z jednoho d-orbitalu do jiného d-orbitalu téhož atomu často vede k absorpci ve viditelné oblasti spektra. Cr3+ iont s oktaedrickou koordinací je velmi zajímavým příkladem. Malé změny v jeho okolí vedou ke
změnám ve štěpení t2g a eg orbitalů, které se projeví barevnou změnou materiálu. Proto jsou Cr3+ příměsi důležité u mnoha drahokamů.
Rubín Al2O3:Cr3+
Smaragd Be2Al2Si6O18:Cr3+
Sluneční světlo Světlo ohně Alexandrit
BeAl2O4:Cr3+
Štěpení d-orbitalů ligandovém poli
Cr3+ drahokamy
Rubín Alexandrit Smaragd Hostitelská struktura
Korund Al2O3
Chrysoberyl BeAl2O4
Beryl Be3Al2Si6O18
t2g–eg štěpení
2.23 eV 2.17 eV 2.05 eV
Barva červená modro-zelená (denní světlo)
červená (svíčka)
zelená
Cr3+ drahokamy-hostitelské struktury V obou těchto drahokamech Cr3+ příměsi nahrazují Al3+ v oktaedrické
poloze.
Korund Al2O3
Beryl Be3Al2Si6O18
Efekt alexandritu
Alexandrit (BeAl2O4:Cr3+) má štěpení krystalového pole, 2.17 eV, což je mezi rubínem (Al2O3 - 2.23 eV) a berylem (Be3Al2Si6O18 - 2.07 eV). Má proto menší propustnost v červené a větší propustnost v
modro-zelené oblasti spektra. To vede k velmi zajímavým barevným a optickým vlastnostem.
V přítomnosti načervenalého světla, jako je světlo svíčky nebo
plamene, je alexandrit temně červený. Podobá se rubínu.
V přítomnosti záření s významnou složkou v modro/UV oblasti spektra, jako je sluneční světlo nebo fluorescenční záření,
odrazivost v modro-zelené oblasti spektra dominuje a alexandrit se podobá smaragdu.