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]

Ánh sáng được phát ra từ các vật liệu (nguồn sáng) như:

ü Ánh sáng có bản chất là sóng điện từ (electromagnetic radiation).

ü Ánh sáng có các bức xạ ở dạng sóng (wave) và các lượng tử (photon) dạng hạt (particle) được phát ra từ vật liệu.

ü Năng lượng photon E

ü Năng lượng từ 1,8 eV to 3,1 eV

ü Tần số từ 4,3x10 14 đến 7,5x10 14 Hz

Violet Blue Green Yellow Orange Red

Khi chiếu 1 tia ánh sáng vào chất rắn, có thể xảy ra các hiện tượng sau:

Incident: I 0

Absorbed: I A

Transmitted: I T

Scattered: I S Reflected: I R

A R

I

0 tia phản xạ (I R ), truyền qua (I T ) và hấp thụ (I A )

Ø Tỉ số I T /I 0 = T là hệ số truyền qua (transmissivity)

Ø Tỉ số I A /I 0 = A là hệ số hấp thu (absorptivity)

Ø Tỉ số I R /I 0 = R là hệ số phản xạ (reflectivity)

Hai trong các tương tác quan trọng nhất là sự phân cực điện tử

(electronic polarization) và sự chuyển mức năng lượng điện tử

(electron energy transitions) Hiện tượng quang học xảy ra trong lòng chất rắn bao gồm các tương tác giữa bức xạđiện từ với các điện tử, ion và nguyên tử

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 sự phân cực điện tử.

Electron thuộc lớp vỏ nguyên tử, ion nhận năng lượng ánh sáng, nhảy

từ trạng thái bền (ground state) lên trạng thái kích thích (excited state)

lượng thích hợp mới giúp

electron chuyển sang trạng

thái kích thích (bước sóng đó

bị hấp thụ).

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 xạ tự phát

q Các đặc trưng quang học của chất rắn biểu hiện qua sự hấp thụ và bức

xạ các sóng điện từ

Ánh sáng bị giảm vận tốc (giảm bước sóng, tần số không đổi) và đổi hướng khi truyền qua vật liệu Chỉ số khúc xạ (chiết suất) n được định nghĩa là:

Sợi quang học (optical fiber) là vật liệu có chiết suất n cao để mà toàn

bộ ánh sáng phản xạ bên trong và không thoát khỏi vật liệu.

f 1 = góc tới

f 2 = góc khúc xạ

f c = góc tới hạn khi f 2 = 90 °

Khi f 1 > f c , ánh sáng bị phản xạ bên trong

sắc)

§ Kim loại phản xạ hầu như toàn bộ ánh sáng (có ánh kim), R = 0,90 – 0,95 Thủy tinh có R ≈ 0,05.

ty

reflectivi 1

1 ÷2 = ø

ö ç

% 17 17

.

0 1

41 2

1 41

=

=

÷ ø

ö ç

Với vật liệu phi kim loại, năng 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 < E g < 3,1 eV

hay

Nếu E g < 1,8 eV , vật liệu hấp thụ toàn bộ , màu đen (C, Si, GaAs)

Nếu E g > 3.1 eV , vật liệu hoàn toàn không hấp thụ , không màu (kim cương) Nếu E g ở giữa , vật liệu hấp thụ chọn lọc , có màu cụ thể.

Phần ánh sáng truyền qua là phần còn lại sau khi hấp thụ và phản xạ,

→ Cường độ tia ló bị giảm và phụ thuộc vào bước sóng

Tỉ lệ các hiện tượng theo bước sóng tới trên một thủy tinh xanh dương

Ø Màu của vật liệu trong suốt là kết quả của quá trình

hấp thụ chọn lọc ánh sáng , là sự kết hợp của những

bước sóng được truyền qua.

Ø Nếu sự hấp thụ là đồng đều cho tất cả các bước

sóng, vật liệu là không màu .

VD: thủy tinh tinh khiết, kim cương tinh khiết, đá sapphire.

Ø Dựa vào E g , vật liệu chỉ hấp phụ một phần bước

sóng ánh sáng, màu khác nhau.

VD: CdS có E g = 2,4 eV, hấp thụ bước sóng năng lượng

cao (blue, violet), nên những tia đỏ, vàng, vàng cam

truyền qua tạo màu cho nó.

Khi có tạp chất, E g thay đổi, vật liệu thay đổi màu VD: sapphire không màu, khi thêm phụ gia Cr 2 O 3 (0.5 to 2%) có màu đỏ ruby.

thuộc vào đặc trưng phản xạ và truyền qua nội tại của vật liệu

ü Tia sáng truyền qua bị làm lệch hướng tại các vị trí biên của các đa tinh thể và lan truyền nhiều lần trong vật liệu

ü Độ đục của vật liệu là khi 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 của Al 2 O 3

đơn tinh thể, đa tinh thể và bị

khuyết tật (chứa mao quản)

activator level

Valence band

Conduction band

trapped states

(fluorescence) và lân quang

(phosphorescence)

Ø Dựa trên khoảng thời gian trễ giữa hấp thụ và tái phát xạ , phân loại:

ü Thời gian tái phát xạ nhỏ hơn 1 giây nhiều («1s) - huỳnh quang

ü Thời gian tái phát xạ lớn hơn - lân quang

Ø Hiện tượng hồ quang điện ở điện cực âm giúp phóng ra e , e di chuyển về 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.

ü Sử dụng tia cathod để phát dòng electron

Phụ gia tạo màu:

ü Quá trình này có thể giải phóng

năng lượng dưới dạng ánh

Màu sắc Bước sóng [nm] Điện áp [ΔV] Vật liệu

Hồng ngoại λ > 760 ΔV < 1.63 GaAs, AlGaAs

Đỏ 610 < λ < 760 1.63 < ΔV < 2.03 AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP

Cam 590 < λ < 610 2.03 < ΔV < 2.10 GaAsP, AlGaInP, GaP

Vàng 570 < λ < 590 2.10 < ΔV < 2.18 GaAsP, AlGaInP, GaP

Xanh lá 500 < λ < 570 1.9 < ΔV < 4.0 InGaN, GaN, GaP, AlGaInP, AlGaP

Xanh da trời 450 < λ < 500 2.48 < ΔV < 3.7 ZnSe, InGaN, SiC

Tím 400 < λ < 450 2.76 < ΔV < 4.0 InGaN

Đỏ tía Nhiều loại 2.48 < ΔV < 3.7 red phosphor, purple plastic

Tia cực tím λ < 400 3.1 < ΔV < 4.4 Kim cương (235 nm), BN (215 nm)

AlN (210 nm), AlGaInN (210 nm) Hồng Nhiều loại ΔV ~ 3.3 Vàng với lớp phosphor đỏ

Trắng với thuốc nhuộm/pigment hồng

Trắng Phổ rộng ΔV = 3.5 Kết hợp nhiều loại diode

điện hữu cơ

ü Ưu điểm: nhẹ, trong suốt, phát

sáng 2 chiều, uốn cong được,

ứng dụng làm màn hình tivi, điện

thoại,…

Ø Hiệu ứng quang điện (photoelectric effect) là

hiện tượng điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau

khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ.

Si

conductance electron

Pin quang hóa (solar cell) hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện

liệu sẽ phát ra 2 photon, cường độ photon chiếu ra tăng lên.

Ø Một số vật liệu có tồn tại trạng thái chuyển tiếp siêu bền, electron bị kích thích nằm ở trạng thái siêu bền (trong khoảng thời gian microsecond đến milisecond)

Rất nhanh và phát nhiệt

X X X X X X X

Chậm hơn, phát quang và xảy ra một lượt

Trạng thái siêu bền

ü Sử dụng một nguồn năng lượng (ánh sáng, nhiệt, dòng e từ nguồn điện,…) để duy trì e ở trạng thái kích thích (siêu bền).

ü Mật độ electron ở trạng thái kích thích nhiều hơn trạng thái cơ bản.

Ø Photon phát xạ kích thích làm tăng cường độ tia ló, tia ló lại phát xạ kích thích tiếp theo cơ chế dây chuyền làm tăng cường độ tia laser phát ra rất nhiều lần.

ánh sáng bằng phát xạ kích thích)

Ứng dụng của tia laser:

hàn, khoan, cắt, trong y

học, khắc lên vật liệu gốm,

in ấn, ghi đĩa DVD, đo

khoảng cách trong không

gian, vũ khí quân sự, v.v…

Sợi quang học là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu.

Core: sợi quang nơi ánh sáng đi (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 được đặt trong bó gọi là cáp quang, những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài gọi là jacket.

Ø Phát: Một điốt phát sáng (LED) hoặc laser truyền dữ liệu xung ánh sáng

Vật liệu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời, giúp electron bị kích thích lên vùng dẫn: UV + MO → MO (h + e − )

HOOH → HO• + •OH

Các gốc tự do tạo ra có hoạt tính oxi hóa mạnh

Ứng dụng: tổng hợp hydrogen, oxi hóa xử lý môi trường, tổng hợp hữ

cơ, diệt khuẩn,…