材料科學(xué)與技術(shù)講義 材料的光性質(zhì),材料的力學(xué)性質(zhì)

三、非金屬的光學(xué)性質(zhì)1、折射對可見光可能透明或不透明；存在反射、折射、吸收、散射折射：光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時方向改變的現(xiàn)象折射率：光在介質(zhì)中的傳播速度與光波波長有關(guān)：棱鏡的色散介質(zhì)中的光速度：第四節(jié)材料的光學(xué)性質(zhì)一、光的屬性、光與物質(zhì)的作用二、金屬的光學(xué)特性組成原子或離子越大，電子極化愈高、折射率越大大多數(shù)非金屬測折射率相對介電常數(shù)：光電場（高頻）下:介質(zhì)極化由電子位移極化決定，離子極化、偶極取向極化幾乎不起作用介質(zhì)的介電性、光速在介質(zhì)中的減小主要由電子位移極化引起介質(zhì)折射率與組成原子或離子的大小有關(guān)：普通玻璃：摻Ba或Pb離子玻璃:材料結(jié)構(gòu)的各相異性導(dǎo)致光學(xué)性質(zhì)的各相異性，立方晶體各向同性反射率：反射強度與入射強度之比2、反射光從一種介質(zhì)入射到折射率不同的另一種介質(zhì)時，兩介質(zhì)的界面上產(chǎn)生反射反射定律、能量守恒定律垂直入射、反射率真空或空氣：反射率與波長有關(guān)折射率與波長有關(guān)3、吸收（1）電子位移極化對所有材料都存在、只有在色散區(qū)非金屬材料光吸收三種機理：才有顯著的吸收—共振吸收（2）本征吸收價帶電子吸收光子越過禁帶直接到導(dǎo)帶本征吸收本征吸收的實現(xiàn)條件：光子能量：可見光可激發(fā)的最大禁帶寬度：禁帶寬度大于3.1eV的非金屬不可能以這種機理吸收光子的高純度材料應(yīng)無色透明的材料：對可見光不透明可見光能量最小的光子：紅光子禁帶寬度小于1.8eV的材料可吸收各種可見光子的材料：部分吸收可見光、帶色透明非金屬材料的不透明波長：紅線金剛石：紅線雜質(zhì)能級（3）雜質(zhì)吸收（禁帶中的吸收）價電子吸收光子進入禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級；雜質(zhì)或缺陷能級上的電子吸收光子到導(dǎo)帶雜質(zhì)或缺陷能級起到從價帶向?qū)мD(zhuǎn)移電子的中轉(zhuǎn)站

禁帶中雜質(zhì)或缺陷能級的存在使價電子能吸收更小能量的光子禁帶中的吸收只有當材料中含有較多雜質(zhì)時才顯著導(dǎo)帶電子可直接躍遷到價帶與空穴復(fù)合、也可經(jīng)雜質(zhì)能級再到價帶，產(chǎn)生能量不同的光子4、絕緣體的半透明和不透明性絕緣單晶體：大、光透明實際陶瓷材料：不僅不是單晶體、而且是多相體晶相、非晶相、氣相（氣孔）組成上：除基本成分外、還有添加劑、填料、雜質(zhì)多晶材料(即使僅晶相)：也可能是半透、甚至不透明多相材料：不僅存在晶界上的散射，晶相、非晶相、氣相多相體：原因：各微晶取向不同，晶界上的反射和折射引起光線的散射(晶體折射率各向異性)間的界面上存在更強的散射（折射率差異更大)透光性較多晶材料差高分子聚合物純非晶、均相：透明（折射率各處相同）結(jié)晶性聚合物：半透、甚至不透明晶相組成：晶區(qū)和非晶區(qū)折射率差異大、界面散射強1、發(fā)光現(xiàn)象四、其它光學(xué)現(xiàn)象光可見光發(fā)光：產(chǎn)生的電磁輻射光子為可見光子的過程可見光子的能量：如：聚乙烯、全同立構(gòu)聚丙烯、聚四氟乙烯、尼龍等提供發(fā)光體能量—電能、熱能、電磁輻射能、化學(xué)能等實現(xiàn)持續(xù)發(fā)光的條件：可見光冷光可見光的發(fā)光冷光發(fā)光冷光發(fā)光分為二類：熒光和磷光熒光的延遲時間：磷光的延遲時間：發(fā)光延遲時間：材料從受激到發(fā)光的延遲時間熒光發(fā)光過程：導(dǎo)帶中的電子直接躍遷到價帶、與空穴復(fù)合的過程磷光發(fā)光過程：磷光體中的雜質(zhì)、在禁帶中產(chǎn)生雜質(zhì)能級導(dǎo)帶電子雜質(zhì)能級、被捕獲價帶、與空穴復(fù)合逸出捕獲阱發(fā)光的延遲時間長熒光發(fā)光熒光燈水銀和惰性氣體的混合氣體輝光放電紫外線激發(fā)熒光劑熒光劑的發(fā)光弛豫時間越小越好熒光劑的基質(zhì)：鹵代磷酸鈣，熒光劑的活化劑：銻、錳磷光發(fā)光電視機熒光屏常用磷光劑基質(zhì)：

（Ca,Sr,Ba,Zn,Cd等）金屬硫化物活化劑：金屬Ag,Cu,Mn,Al等熒光屏的磷光劑的弛豫時間要適當過短或過長缺影或重影2、光電性光電性：光照到材料上引起材料的電導(dǎo)率的變化光電材料半導(dǎo)體材料光半導(dǎo)體價電子激發(fā)或產(chǎn)生電流的現(xiàn)象導(dǎo)帶電子、價帶空穴增加電導(dǎo)率增大一定范圍內(nèi)：（光強）光電導(dǎo)：光電流：太陽能電池工作原理PN結(jié)內(nèi)電場太陽能電池工作原理太陽光照射PN結(jié)P區(qū)和N區(qū)產(chǎn)生電子和空穴PN結(jié)內(nèi)電場的形成P區(qū)電子和N區(qū)空穴（少數(shù)載流子）形成光電流（內(nèi)電場作用）太陽能電池工作原理與發(fā)光二極管相反發(fā)光二極管N區(qū)多數(shù)載流子—電子與P區(qū)多數(shù)載流子—空穴復(fù)合發(fā)光3、激光普通光源的光：A、激發(fā)態(tài)電子的輻射躍遷具有隨即性、無關(guān)性B、光波由一段段的短波列組成C、相干性差、相干長度短（子波列的長度）、（波列的