第5章无机材料的光学性能
无机材料中的光电性质研究
无机材料中的光电性质研究无机材料一直以来都是光电领域的重要组成部分，其在光学、电子学和能源转换等方面的应用潜力巨大。
随着科技的不断进步，研究人员对于无机材料中的光电性质的研究也变得越来越深入。
本文将探讨无机材料中的光电性质研究的现状和前景，并介绍一些相关的研究方法和应用领域。
一、无机材料中的光电性质研究现状无机材料中的光电性质研究主要包括对其吸收、发射、传导和发光等特性的研究。
这些性质的研究不仅有助于我们更好地理解无机材料的内在机理，还为无机材料的应用提供了理论基础。
1. 吸收特性研究无机材料对光的吸收特性是了解其光电行为的基础。
通过实验测定材料在不同波长和强度的光照下的吸收情况，可以得到材料的吸收光谱。
基于这些吸收光谱，可以进一步分析材料的能带结构、能带间距等重要参数。
2. 发射特性研究无机材料在受激光照射或加热等外界条件下会发射光。
通过研究发射光谱，可以得到材料的能带结构、材料的能级分布等信息。
这些信息对于了解材料的光电性能和导电特性非常重要。
3. 传导特性研究无机材料中的电子和空穴在外加电场作用下的传导行为是研究其导电性的重要方面。
通过测量材料在不同温度、电场下的电学性质，可以得到材料的载流子迁移率、载流子浓度等参数，从而评估材料的导电性能。
4. 发光特性研究无机材料中的发光特性是应用于光电器件中最为关键的性质之一。
通过研究材料的发光机制和发光效率，可以指导光电器件的设计和优化。
常见的发光特性研究方法包括荧光光谱、磷光光谱等。
二、无机材料中的光电性质研究方法为了深入研究无机材料中的光电性质，科研人员发展了许多有效的实验手段和计算方法。
1. 光谱学方法光谱学是研究无机材料光电性质的重要手段之一。
常用的光谱学方法包括紫外-可见吸收光谱、红外光谱、拉曼光谱等。
这些方法可以提供材料的电子结构、振动结构等信息。
2. 电学性能测试方法电学性能测试可以通过测量材料在外界电场下的响应来评估其光电性质。
电导率测试、电容测试、电流-电压特性测试等是常用的电学性能测试方法。
无机纳米粒子材料光学性能的研究报告
无机纳米粒子材料光学性能的研究报告摘要：本研究报告旨在探讨无机纳米粒子材料的光学性能。
通过对无机纳米粒子材料的制备、结构表征以及光学性能的研究，我们希望能够深入了解这些材料在光学领域的应用潜力。
本研究采用了多种表征技术，包括透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和紫外可见吸收光谱（UV-Vis），并通过实验结果进行分析和讨论。
一、引言无机纳米粒子材料是一类具有特殊结构和性质的纳米材料，其尺寸通常在1到100纳米之间。
由于其尺寸效应和表面效应的存在，无机纳米粒子材料在光学领域具有广泛的应用。
本研究将重点关注无机纳米粒子材料的光学性能，包括吸收、散射和发射等方面。
二、实验方法本研究采用溶剂热法制备了一系列无机纳米粒子材料，并使用透射电子显微镜对其形貌和尺寸进行了表征。
通过X射线衍射技术，我们确定了无机纳米粒子材料的晶体结构和晶格参数。
此外，我们还使用紫外可见吸收光谱对材料的吸收特性进行了研究。
三、结果与讨论通过透射电子显微镜观察，我们发现制备的无机纳米粒子材料形貌均匀，尺寸分布较窄。
X射线衍射结果表明，这些材料具有良好的晶体结构，并且晶格参数与理论值相符。
紫外可见吸收光谱显示，无机纳米粒子材料在可见光范围内表现出明显的吸收峰，吸收峰位置与材料的尺寸有关。
四、光学性能分析通过对吸收光谱的分析，我们发现无机纳米粒子材料的吸收峰随尺寸的减小而红移。
这是由于量子限制效应导致的能带结构的改变。
此外，我们还观察到在一定尺寸范围内，无机纳米粒子材料的吸收峰强度随尺寸的减小而增强，这与表面等离子体共振效应有关。
五、结论通过本研究，我们深入了解了无机纳米粒子材料的光学性能。
通过制备、结构表征和光学性能的研究，我们发现无机纳米粒子材料在光学领域具有广泛的应用潜力。
未来的研究可以进一步探索无机纳米粒子材料的光学性能，以及其在光电子器件和传感器等领域的应用前景。
关键词：无机纳米粒子材料、光学性能、透射电子显微镜、X射线衍射、紫外可见吸收光谱。
材料的光学性能
是非均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。
双折射：当一束单色自然光在各向异性晶体的界面折射 时，一般产生两束折射光（均为线偏振光）。
✓ 寻常光：平行于入射面的光线的折射率n0不随入射角的变化而变化，始终为一常数， 服从折射定律。
Einsten光电效应方程：
E h h c
频率（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（Hz）。
波长（ ）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同相位的 两相邻点之间的距离，即波的空间周期。
振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅的大小决 定着光的强弱。
陶瓷和玻璃等材料的折射率比空气大，所以光从空气进入这些材料时，反射损失严重。
由多块玻璃组成的透镜系统，常常用折射率和玻璃相近的胶粘起来，这样除了最外和最内 的两个表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小的相对折射率， 从而大大减少了界面的反射损失。
3. 全反射
光线从光密介质（玻璃）进入光疏介质（空气）中时，折射角2大于入射角1 。当1 为某 值时，2可达到90°，这时光线平行于表面传播。 1 继续增大时，光线就会全部向内反射 回光密介质内，这种现象称为全反射。
§11.1 光通过介质的现象
一、折射 二、色散 三、反射 四、介质对光的吸收 五、介质对光的散射
一、折射 1. 概念 当光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改变，称为“折射”。 折射现象的实质：介质的密度不同，光通过时，传播速度也不同。
2. 折射率 介质对光的折射性质用材料的“折射率”n表示。
材料物理性能及测试-作业
第一章无机材料的受力形变1 简述正应力与剪切应力的定义2 各向异性虎克定律的物理意义3 影响弹性模量的因素有哪些？4 试以两相串并联为模型推导复相材料弹性模量的上限与下限值。
5 什么是应力松弛与应变松弛？6 应力松弛时间与应变松弛时间的物理意义是什么？7 产生晶面滑移的条件是什么？并简述其原因。
8 什么是滑移系统？并举例说明。
9 比较金属与非金属晶体滑移的难易程度。
10 晶体塑性形变的机理是什么？11 试从晶体的势能曲线分析在外力作用下塑性形变的位错运动理论。
12 影响晶体应变速率的因素有哪些？13 玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？14 影响塑性形变的因素有哪些？并对其进行说明。
15 为什么常温下大多数陶瓷材料不能产生塑性变形、而呈现脆性断裂？16 高温蠕变的机理有哪些？17 影响蠕变的因素有哪些？为什么？18 粘滞流动的模型有几种？19 影响粘度的因素有哪些？第二章无机材料的脆性断裂与强度1 试比较材料的理论强度、从应力集中观点出发和能量观点出发的微裂纹强度。
2 断裂能包括哪些内容？3 举例说明裂纹的形成？4 位错运动对材料有哪两方面的作用？5 影响强度的因素有哪些？6 Griffith关于裂纹扩展的能量判据是什么？7 试比较应力与应力强度因子。
8 有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供选：甲钢：sf =1.95GPa, K1c =45Mpa·m 1\2乙钢：sf =1.56GPa, K1c =75Mpa·m 1\2试根据经典强度理论与断裂强度理论进行选择，并对结果进行说明。
9 结构不连续区域有哪些特点？10 什么是亚临界裂纹扩展？其机理有哪几种？11 介质的作用(应力腐蚀)引起裂纹的扩展、塑性效应引起裂纹的扩展、扩散过程、热激活键撕裂作用引起裂纹扩展。
12 什么是裂纹的快速扩展？13 影响断裂韧性的因素有哪些？14 材料的脆性有哪些特点？通过哪些数据可以判断材料的脆性？15 克服材料脆性和改善其强度的关键是什么？16 克服材料的脆性途径有哪些？17 影响氧化锆相变的因素有哪些？18 氧化锆颗粒粒度大小及分布对增韧材料有哪些影响？19. 比较测定静抗折强度的三点弯曲法和四点弯曲法，哪一种方法更可靠，为什么？20. 有下列一组抗折强度测定结果，计算它的weibull模数，并对该测定数据的精度做出评价。
什么叫无机材料物理性能特性
什么叫无机材料物理性能特性无机材料是指由无机化合物构成的材料，它们具有广泛的应用领域，如电子、光电子、能源、环境等。
无机材料的性能特性直接影响着其在各个领域的应用效果。
那么，什么叫无机材料的物理性能特性呢？首先，我们来了解一下无机材料的物理性能。
无机材料的物理性能可以分为多个方面，包括机械性能、热学性能、电学性能、光学性能和磁学性能等。
机械性能是指无机材料抵抗外力破坏的能力，通常包括硬度、弹性模量、抗弯强度等指标。
例如，金刚石是一种硬度极高的无机材料，可以用来制作切割工具；陶瓷材料具有较高的抗压强度，适合用于建筑材料等领域。
热学性能是指无机材料在热环境下的表现，包括热导率、热膨胀系数、热稳定性等指标。
例如，氧化铝具有较低的热导率，可用作隔热材料；石墨烯具有优异的热导率，适合用于制作散热材料。
电学性能是指无机材料在电场或电流作用下的表现，包括导电性、介电性等指标。
例如，金属材料具有良好的导电性，适合用于制作电子元件；氧化铁具有优良的磁电耦合效应，适合用于磁存储器件。
光学性能是指无机材料在光学环境下的表现，包括透明度、折射率、发光性等指标。
例如，玻璃材料具有良好的透明性，适合用于光学器件；半导体材料具有发光性能，在光电子领域有重要的应用。
磁学性能是指无机材料在磁场作用下的表现，包括磁导率、磁饱和磁矩等指标。
例如，铁氧体材料具有良好的磁导率和磁饱和磁矩，适合用于制作磁性材料。
综上所述，无机材料的物理性能特性对于其应用效果具有重要影响。
了解无机材料的物理性能特性可以帮助我们更好地选择和应用材料，并优化其性能。
未来，随着科学技术的不断发展，我们有望进一步改进无机材料的物理性能，推动无机材料在各个领域的应用。
光学材料的性能和应用
光学材料的性能和应用近年来，光学材料的研究和应用逐渐成为科学研究和工程技术领域的热点之一。
光学材料是指具有良好的光学性能和特殊结构的材料，其性能和应用涉及到光的传输、操控和探测等方面。
本文将从光学材料的基本性能、光学材料的种类及应用领域等方面进行探讨。
首先，光学材料的基本性能对于其应用至关重要。
光学材料的基本性能包括透明度、折射率、光散射等。
透明度是衡量材料透明程度的重要指标，优秀的光学材料应具有高透明度。
折射率是光线通过材料时发生偏折的程度，不同折射率的光学材料可用于光学透镜、光纤等应用中。
光散射是光线在材料内部发生反射、散射和吸收等过程，对于光学材料的质量和适用性有很大的影响。
其次，光学材料的种类繁多，针对不同的应用需求，选择合适的光学材料具有重要意义。
光学材料可以分为有机光学材料和无机光学材料两大类。
有机光学材料通常具有较高的透明度和折射率，适用于激光器、光纤通信等领域。
无机光学材料则具有较高的热稳定性和机械强度，适用于太阳能电池、液晶显示器等领域。
此外，还有诸如光电导材料、光致变色材料等特殊类别的光学材料，它们在光控开关、光电传感等方面发挥着重要作用。
光学材料的应用领域广泛且多样化。
光学材料在通信领域的应用日益重要，光学纤维作为一种重要光传输媒介，其传输性能受光学材料的质量直接影响。
光学材料的透明度和抗辐射性能使其成为光学器件重要的选择，例如透镜、窗户、滤光器等。
此外，光学材料在能源领域也有重要应用，例如太阳能电池利用光学材料的光吸收性能将光能转化为电能。
光学材料还广泛应用于光学显微镜、光学测量仪器、激光器和光学传感器等领域。
然而，光学材料的研制和应用仍面临着一些挑战。
首先是材料设计的挑战，如何选择合适的材料组合以实现特定的光学性能是光学材料研究的瓶颈。
其次是材料加工和制备的挑战，现有的加工技术对于某些光学材料而言，如高纯度无机材料，仍存在制备难度大、成本高等问题。
此外，光学材料在长期使用和环境条件下的稳定性也是一个需要关注和解决的问题。
本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲 (1)
四川大学本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲一、课程基本信息课程名称（中、英文）：《材料科学与工程基础》（FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING）课程号（代码）：30014530课程类别：专业基础课学时/学分：48 /3先修课程：大学化学、大学物理、物理化学适用专业：高分子材料与工程等二级学科材料类专业开课时间：大学二年级下期二、课程的目的及任务材料科学与工程是二十世纪六十年代初期创立的研究材料共性规律的一门学科，其研究内容涉及金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系。
材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程等二级学科材料类专业的学生必须同时具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。
本课程是材料类专业的学科基础课程，是联系基础课与专业课的桥梁。
本课程从材料科学与工程的“四要素”出发，采用“集成化”的模式，详细讲授金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等各种材料的共性规律及个性特征。
使学生建立材料制备/加工——组成/结构——性能---应用关系的“大材料”整体概念，从原理上认识高分子材料等各种材料的基本属性，及其在材料领域中的地位和作用。
为以后二级学科“中材料”专业课程的学习、材料设计、以及材料的应用等奠定良好基础。
本课程采用中文教材与英文原版教材相结合，实施“双语”教学。
使学生通过本课程的学习，熟悉材料科学与工程领域的主要英文专业词汇，提高对英文教材的阅读理解能力。
三、课程的教学内容、要点及学时分配（以红字方式注明重点难点）第一章绪论（1学时）本章概要：简要介绍材料的定义及分类，材料科学与工程的基本内容。
使学生了解本课程的学习内容和学习方法。
讲授要点：材料的定义、分类材料科学与工程的定义、性质、重要性（举例）课程学习的目的、方法、要求第二章材料结构基础（15学时）本章概要：按照从微观到宏观、从内部到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子电子结构、原子间相互作用和结合方式，固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构的有序性、无序性和转变规律及相互关系。
《无机材料物理性能》课后习题答案
《材料的理俊能》第一章材料的力学性能1- 1 一圆杆的直径为2 • 5 mmx 长度为2 5 cm 并受到450 0 N 的轴向拉力，若直 径拉细至2.4mm,且拉伸变形后圆杆的体积不变，求在此拉力下的真应力、真应变、 名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：F 4500真应力帀=—= ---------- ---- -7- = 995 (MPa)A 4.524 xlO -6I A 9 52真应变= In 丄=In ―- = In ' = 0.0816l 0 A 2.4' F 4500名义应力b =——=——: --------- =917(MPa)A) 4.909 xlO"6名义应变 £ = — = ^-\ = 0.0851/o A由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1・5—陶瓷含体积百分比为95%的AMA (E 二38 0 GPa)和5 %的玻璃相(E 二 34 GP0试计算其上限和下限弾性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弾性模量。
解：令 Ei=3 8 0GPa, E :=8 4GPa, Vx^O.95, V 2=0. 0 5。
则有上限弹性模量 E H =EM+ E 2V 2 =380X 0.95 +84x 0.05 = 365.2{GPa) = 323・l(GPa) 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P 二0・05代入经验计算公式E=E 0 (1-1. 9P +0.9P 2)可得，其上.下限弹性模量分别变为331.3 GP&和293. 1 GPa o下限弹性模量£厶=世+哎］38084此拉力下的法向应力为 b J" 7小)」竺6(尸=]12% 1 o'(內)=112(MPo)0.00152^/COS 60°1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t =0, t =oo fU t = r 时的纵坐标表达式。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
结论：在简谐振子模型的近似下，电子受迫振动 的频率与驱动光波频率相同。但该式右边的分母 中含有虚因子iω，表明受迫振动与驱动光场间 存在相位差，且这个相位差对介质中所有原子都 是一样的。
在0，=0情况下，过程有不同的特点： （1）在0的情况下，当过程开始时，电子吸收少量 光波能量，引起受迫振动感生电偶极矩，并辐射次波。 即使忽略辐射阻尼（即不考虑振子的辐射），电子位移 恒为有限值。因此在达到稳定状态后，吸收的能量与辐 射的能量必然达到平衡，即维持稳幅振荡，这种过程称 为光的散射。
（4）外界因素对折射率的影响。材料在机械应力、 超声波、电场等的作用下，折射率会发生改变，如 有内应力存在的透明材料，垂直于受拉主应力方向 的n大，平行于受拉主应力方向的n小。这些效应分 别称为光弹性效应、声光效应、电光效应等
在折射和反射过程中，p和s两个分量的振动 是相互独立的 。
为了说明反射和折射各占多少比例，通过引 入反射率和折射率的概念。这里除了光的各 分量要分别计算外ﾌ还应区别三种不同的反射 率和透射率，即振幅反（透）射率，光强反 （透）射率和能流反（透）射率。它们的定 义和相互关系列与表。
有辐射阻尼时，吸收的能量用作散射；没有辐射阻尼时，吸收 的能量用来不断增大振幅。鉴于这一特点，通常把0的过程 与其他频率的过程区分开来，不再称作散射，而称为吸收与再 放射。
实际上，在=0的谐振频率处，可以认为初始态的电子吸收一 个光子跃迁到高能态，而受激电子又可以放出一个同频率的光 子回到初始的低能态。在这种吸收与再放射过程中，电子的本 征能态将发生改变，故属于光和物质的共振相互作用过程。
d2x dt 2
02 x
（2）因为交变电偶极子辐射电磁波，而辐射场必然 对电子产生反作用，即辐射阻尼，这种辐射阻力与 位移速度dx/dt成正比 ，于是电子的运动方程
为阻力系数。 因此原子内部电子按固有频率的振动是衰减振动， 其振幅随时间不断减小，即为阻尼振动。
（3）当光波作用到原子上时，光波使原子极化，原 子中的电子将在光频电磁场矄驱动下作强迫振动， 使电子依靠光波电场的步调振动。对于非磁性材料， 仅考虑电场力（－eE）的作用。如果光场较弱，电 子强迫振动的位移不大，则仍可采用简谐振子模型， 电子运动方程为
散射过程的特点是，电子的本征能量不会发生改变，形 式上只是入射光波和散射光波之间的能量互相转换，吸 收多少又散射多少。
散射过程称为光和物质的非共振相互作用过程。
因此当光子的频率与电子振动的自然频率（大约1015/秒） 不同时，电磁波在固体中自然传播而无吸收。
（2）在=0情况下，随着入射光波频率逐渐接近原子的固有 频率，振子的振幅逐渐加大、因而振子从入射光波的摄取的能 量增大，相应的辐射次波能量也增大。这一过程有其显著的特 点。当略去阻尼作用时，振幅将趋向无穷大。因此，无论考虑 阻尼与否，振子都将吸收能量。
另外在讨论电子的极化时，从定性的简 化模型中导出了e=40a3关系，由于介 质的折射率随组成固体的原子的电子极 化率的增加而增加，因此材料的折射率 随原子半径的增加而增加。
归纳起来影响折射率n值的因素有下列几方面：
（1）构成材料元素的离子半径和电子结构。
（2）材料的结构、晶型和非晶态。
（3）同质异构体。一般情况下，同质异构材料的高 温晶型原子的密堆积程度低，因此高温晶型的折射 率较低，低温晶型原子的密堆积程度高，因此其折 射率较高。
dd22xt rddxt02xm eE
式中e=|e|为电子电荷的大小，忽略介质中宏观场与 局部电场的微小差别，E就是外部光波的电场。
为了简单起见，考虑简谐电场作用下的电子运 动，则电场E和电子位移x分别为E=E(ω)eiωt和 x=x(ω)eiωt，其中E(ω)和x(ω)表示对应于频率的 振幅值 ,有
三、光和物质相互作用的经典的观点
光和物质相互作用的过程可以看 作是组成物质的原子或分子体系在入 射光波电场的作用下，正负电荷发生 相反方向的位移，并跟随光波的频率 作受迫振动，产生感生电偶极矩，进 而产生电磁波辐射的过程。这一过程 也为发射次波的过程。
（1）（原子内部电子的运动可用简谐振动规律的电 偶极子描述，称为简谐振子。电子的运动方程为
振幅反射率 光强反射率 能流反射率 振幅透射率 光强透射率 能流透射率
P分量
rp
E 1 p E1p
Rp
I1p I1p
c
v= r r
该式反映了材料的性质对光传播的影响。对于非磁 性材料，r1. 由于光的传播速度因材料而异，因此光从一种均匀 介质斜射入另一种均匀介质时，在两种介质的界面 上一般都会发生反射和折射现象。
8.2.2影响折射率的因素 折射率的定义得出麦克斯韦关系式：
r=n2 该式反映了光的折射率和材料的介电常数的关系。
二、交变电偶极子向空间发射电磁波
当外层电子与原子核等值异号的电 荷交替变化时，即形成一个交变的电偶 极子，电偶极矩在它周围产生交变电场， 交变电场又产生交变磁场，交变磁场再 产生交变电场，如此不断继续下去，于 是，在电偶极子周围空间便产生由近及 远的电磁波动，因此，交变电偶极子向 空间发射电磁波。
材料的极化性质又与构成材料的原子的原子量、电 子分布情况、化学性质等微观因素有关。
这些微观因素通过宏观量介电常数来影响光在材料 中的传播速度。
为了进一步说明影响介质折射率的因素，由克劳修
斯-莫索蒂方程 得：
PM=
r r
1 2
n 3 0
该式说明单位体积中原子的数目越多， 或结构越紧密，则折射率越大。
8.2 光在界面的反射和折射
介质材料可以看作许多线性谐振子的集合，在光 波场的作用下，极化的原子或分子辐射的次波与 入射光波的相互干涉决定了光在介质中的传播规 律。
8.2.1 光的反射和折射
材料的极化和磁化作用，“拖住”了电磁波的步伐， 使电磁波的传播速度变慢。根据麦克斯韦电磁理论， 电磁波在固体中的传播速度v与反映材料极化特性的 相对介电常数r和磁化特性的相对磁导率r及真空中 的光速c有如下的关系：