第7章 光子材料
固体物理学中的拓扑光子学与拓扑光子材料
固体物理学中的拓扑光子学与拓扑光子材料拓扑光子学是固体物理学中一个新兴的领域，它致力于研究光在拓扑绝缘体中的行为以及利用拓扑光子材料来实现光的操控与传输。
本文将介绍拓扑光子学的基本概念、研究进展以及其在光学器件方面的应用。
一、拓扑光子学的基本概念拓扑光子学是源于固体物理学中的拓扑绝缘体概念的光学延伸。
在传统的固体物理学中，拓扑绝缘体是指具有特殊电子能带结构的材料，其表面的电子态与体内的电子态存在特殊的拓扑联系。
类似地，在拓扑光子学中，拓扑光子材料也具有特殊的光子能带结构，光在其中的传播行为与拓扑绝缘体类似。
二、拓扑光子学的研究进展1. 拓扑光子材料的制备制备拓扑光子材料是拓扑光子学研究的关键一步。
目前，研究者们采用多种方法来制备拓扑光子材料，包括模拟、微纳加工和材料设计等。
其中，模拟是一种常见的方法，利用人工设计的结构来模拟真实材料中的拓扑特性。
微纳加工则是通过控制材料的微观结构和形貌来实现光的拓扑传输。
另外，材料设计也是一种前沿的研究方向，通过改变材料的化学成分和结晶结构，可以实现更多样化的拓扑光子材料。
2. 拓扑光子材料的特性拓扑光子材料具有一系列独特的光学特性，这些特性使得光在其中的传播受到限制和控制。
其中最明显的特点是边界态的存在，边界态是指光在拓扑光子材料的边界上存在的模式。
边界态具有特殊的能谱结构和传播特性，可以被用来实现光的拓扑传输和光学器件的设计。
3. 拓扑光子学的研究进展近年来，拓扑光子学领域取得了许多重要的研究进展。
研究者们成功实现了光的无反射传输、光的拓扑隔离和光的拓扑操控等重要实验，这些实验表明拓扑光子学在光学器件领域具有广阔的应用前景。
此外，研究者们还发现了一些新的拓扑现象，如拓扑激光，这些发现将进一步推动拓扑光子学的发展。
三、拓扑光子学在光学器件中的应用1. 拓扑光子耦合器拓扑光子耦合器是一种利用边界态实现光的耦合和分离的器件。
通过设计不同形状的拓扑光子耦合器，可以实现对光的高效控制和调控。
第7章非线性光吸收与光折射
第7章非线性光吸收与光折射第7章非线性光吸收与光折射本章要点●光吸收——光子入射介质，原子、分子吸收光子能量发生能级跃迁的过程。
光吸收是基础过程：与光辐射、光散射、光折射等过程有关。
线性吸收——弱光作用下，介质的吸收系数为常数：α非线性吸收——强光作用下，吸收系数随光强变化：α＝α(I)。
饱和吸收——单光子作用下，基态→第一激发态的跃迁引起。
反饱和吸收——单光子作用下，第一激发态→更高激发态的跃迁引起。
双光子吸收——双光子作用下，由基态→虚能级→激发态的跃迁引起。
●光折射——据K－K关系，介质的折射伴随着吸收存在线性折射——弱光作用下，介质的折射率为常数：n非线性折射——强光作用下，折射率随光强变化：n＝n(I)。
饱和折射反饱和折射7.1 饱和吸收与反饱和吸收7.1.1 饱和吸收 1．饱和吸收规律当激光入介质时，介质的吸收系数α随介质内光强I 的增加而减小, 直至达到0α→的饱和值，这种效应称为饱和吸收。
实验证明，饱和吸收情况下，非线性吸收系数α与介质内光强I 的关系为：图7.1.1饱和吸收特性曲线非线性吸收系数: 0()1cI II αα=+ (7.1.1)0α——介质的线性吸收系数。
c I ——饱和光强。
它决定吸收饱和的速率；它取决于介质的性质。
当0I ≈时，0αα=；c I I =时，0/2αα=；I →∞时，0α→。
2.饱和吸收能级模型饱和吸收是因组成介质的粒子（原子、分子或离子）从基态能级至第一激发态能级的跃迁所引起的一种非线性光吸收现象。
（1）二能级系统讨论如图7.1.2所示的而能级系统的饱和吸收过程。
在频率ω、光强I 的激光与介质间的共振作用下，光子能量等于两能级的能量差，即ω＝ε1－ε0，基态（0S ）的粒子吸收光子，受激跃迁至激发态（1S ），其吸收截面(跃迁几率)为0σ。
因为激发态的能级寿命较短，大部分粒子通过自发辐射或无辐射弛豫方式回到基态，弛豫时间为21τ；少部分以受激辐射方式回到基态，跃迁几率为0σ。
光子材料
科学家们在假设 光子也可以具有类 似于电子在普通晶 体中传播的规律的 基础上发展出来的
光子晶体简介
晶体内部的原子是周期性有序排列的，这 种周期势场的存在，使运动的电子受到周期 势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带 与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果 落在带隙中，就无法继续传播。 相似的，在光子晶体中是由光 的折射率指数的周期性变化产生 了光带隙结构，从而由光带隙结 构控制着光在光子晶体中的运动。
翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶
在生物界中，也不乏光子晶体的踪 影。以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅 膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排 列整齐的次微米结构，选择性反射 日光的结果.
2003年ANDREW R. PARKER等 发现一种澳洲昆士兰的东北部 森林的甲虫（Pachyrhynchus argus），它的外壳分布有和蛋 白石一样的光子晶体结构类似 物，其具有从任何方向都可见 的金属色泽。 这种栖息于大陆棚上﹐有着刺 毛的低等海生无脊椎动物`海毛虫 (sea mouse)`具有引人瞩目的虹彩。 此种海毛虫的刺毛是由为数众多之 六角圆柱体层层叠积形成的结晶状 构造物,其具有与光子晶体光纤 (photonic crystal fiber)--一样的物 理属性。这种刺毛亦能捕捉光线且 仅反射某些波长的色光﹐而发出鲜 明色彩
利用光子晶体可以 抑制某种频率的微波传 播的原理，可以在手机 的天线部位制造维播放 护罩，从而避免对人体 有害的微波辐射直接照 射手机用户的头部。这 种技术目前还没有成熟， 但是至少有一个美好的 前景。
手机的危害
手机是一个小型的、但能量极强的 电磁波发生器，其工作频率890MHz 到965MHz，辐射出的电磁波对人体 细胞具有极强的致畸作用。手机在使 用过程中，这种电磁波始终围绕着人的 头部。长期、高频率使用手机，会造成 正常脑的支持细胞——胶质细胞DNA 分子链的 电离损害，导致DNA碱基分 子链的断裂，引起细胞的癌变
《材料科学与工程基础》课程教学大纲
《材料科学与工程基础》教学大纲课程名称：材料科学与工程基础课程英文名称：Introduction to the Science andEngineering of Materials课程编码：0802ZY017 课程类别/性质：学科基础/选修学分：2学分总学时/理论/实验（上机）：32/32/0开课单位：化工学院适用专业：高分子材料与工程专业先修课程：无机及分析化学，有机化学一、课程简介《材料科学与工程基础》是高分子材料与工程专业学科基础课程。
是一门研究材料的结构、性能、加工和使用状况四者间关系的交叉学科。
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专业的学生必须具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。
开设材料科学与工程基础这门课程，主要是为了使学生建立“大材料”基础。
通过学习材料科学与工程基础，学生将接触到金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料等各种材料，学生能清楚地认识到高分子材料在整个材料家族中所具有的结构特点、性能优势、加工特殊性以及合适的应用领域，为学生以后进一步学习高分子材料和从事材料科学与工程方面的工作打下基础。
《Introduction to the Science and Engineering of Materials》is a basic course of polymer materials and engineering. It is an interdisciplinary subject that studies the relationship between the structure, properties, processing and use of materials. The development of material science, material industry and high technology requires that students majoring in polymer materials and engineering must have the foundation of "big materials" and the generous knowledge structure of "medium materials". The course of fundamentals of materials science and engineering is mainly to enable students to establish the foundation of "big materials". By studying the fundamentals of materials science and engineering, students will be exposed to various materials such as metal materials, inorganic non-metallic materials, polymer materials and composites. Students can clearly understand the structural characteristics, performance advantages, processing particularity and appropriate application fields of polymer materials in the whole material family, Lay a foundation for students to further study polymer materials and engage in material science and Engineering in the future.二、课程教学目标通过本课程的学习使学生掌握材料物质结构、性质、加工和使用性能间的相互联系，培养学生具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构，使学生建立“大材料”观。
集成光学器件的材料
7.4 聚合物材料和玻璃材料（无定形材料）
7.4.1 聚合物材料
主要材料包括： 聚异丁烯酸甲酯（PMMA)、环氧树脂（expoxy)、苯丙环丁烯（benzocy-clobutene，BCB)、氟化聚酰亚胺（polyimide）、聚碳酸酯（polycarborates，PC） 物理特性：电光和热光 特点： 价格低，制作简单 可以淀积在半导体衬底上，易于实现混合集成 光波导损耗低、与光纤的耦合损耗也低 可以有效利用折射率的变化获得强度和相位的调制 通过调节有机材料组份以强化电光或声光特性
02
亚铁磁性晶体，通过掺杂提高法拉第旋转角
03
1100~1500nm的光吸收系数很低
04
主要制作光隔离器，也可制作调制器、开关等
05
衬底---钆镓石榴石GGG（Nd3Ga5O12)等
06
薄膜制备---化学汽相淀积、溶胶-凝胶、射频溅射
07
7.5 磁性材料
表7.3 闪锌矿型GaN、AlN材料体系主要特性
特性
GaN
AlN
禁带宽度（eV）（T=300K）
3.2~3.3
5.11（理论值）
晶格常数（Å）
4.52
4.33（理论值）
折射率
n=2.5
7.3 介质材料（dielectric material ）
介质材料---介电常数比较高的材料，可分为微波介质材料、光学介质材料；按材料的状态和性质分为光学晶体、光学玻璃 等
3.54
1550 nm LD
In0.47Ga0.53As
0.75
1.67
3.56
长波长PD/APD
表7.2 纤锌矿型GaN、AlN材料体系主要特性
第七章功能转换材料
金属棒中，两端温度不同，电子扩散形成的电动势
即汤姆逊电动势。发生在同种金属两端之间。
AB (T1)
Ek
(T )
dT dl
l
0 Ek dl
T2 (T )dT
T1
A
B
回路总电动势：
AB (T1T2 ) AB (T1) AB (T2 )
T2 T1
A (T )dT
T1 T2
B
(T
金属棒 ab ，两端 T1 T2
a
I T1
T1 T2
b
T2
流过电流，棒吸热，电流反向时放热。称为汤姆逊效应。
原因：棒ab存在电动势（汤姆逊电动势）
温度高处（a）电子动能较大， a
向低温处扩散，形成电动势。非 静电力（扩散力）做负功，吸热；
T1
Ek
电流反向时，非静电力做正功，
放热。
E b
T2
还有：硫化镉，鍗化镉，砷化镓
3、光电子发射应用
光电管是利用光电子发射（外光电效应）制成。用 于光控继电器（自动报警器等）、光电光度计（光电 流反应入射光强度）
光电倍增管（非常弱的光照，产生很大电流），在 工程、天文、军事上有重要应用。
电视摄像管
7-4 热电材料
一、热电效应（温差电效应）
用不同导体构成回路，两接头保持温差，则闭合
InAs,InSb,GaAs,GaSb,Ge,Si.
光电探测器（光敏器件），光电导摄像管，固体图 像传感器。 2、结型光电二极管 （1）高速响应的光电探测器
对非结型光电探测器，光电子在外电路中产生光电 流的响应慢。光照停止时，载流子平均寿命内仍存在 光电子，故有延迟光电流产生。
对结型光电二极管，光电子主要产生于结中吸收区内。
光子晶体材料的光学性质与传输特性分析研究
光子晶体材料的光学性质与传输特性分析研究光子晶体材料是一种具有周期性结构的材料，其具有独特的光学性质和传输特性。
本文将从光子晶体材料的定义、结构特点以及光学性质和传输特性等方面进行分析研究。
光子晶体材料是一种由周期性的折射率或介电常数分布组成的材料，其结构可用于控制光的传播。
与普通材料相比，光子晶体材料具有一些独特的光学性质。
首先，光子晶体材料具有光子禁带，即在特定频率范围内不允许光传播。
这是由于光子晶体中周期性的结构造成的干涉效应，从而形成了禁止能带。
其次，光子晶体材料具有高度方向选择性，即只有满足特定波矢条件的光子才能在材料中传播。
这使得光子晶体材料在光学通信、传感和光学器件等领域具有广泛应用的潜力。
光子晶体材料的结构特点主要体现在其周期性排列的单元和周期性折射率分布上。
从单元结构上看，光子晶体材料可分为一维、二维和三维结构。
一维光子晶体一般由平行排列的柱状单元组成，二维光子晶体则是由周期性排列的平面单元组成，三维光子晶体则是由周期性排列的体积单元组成。
这些单元之间通过特定的连接方式形成了光子晶体材料的周期性结构。
从折射率分布上看，光子晶体材料一般由具有不同折射率的介质构成，这种介质分布可通过改变材料成分或掺杂不同的材料实现。
光子晶体材料的光学性质主要包括光子禁带、色散特性和光学共振等。
光子禁带是光子晶体材料的最重要特性之一，它决定了光在材料中的传播特性。
光子禁带的宽度和位置可通过调节光子晶体材料的结构和成分来实现。
色散特性指的是光在光子晶体中的传播速度与波长的关系。
在某些情况下，光子晶体材料还可表现出色散补偿的效应，即不同波长的光同时通过光子晶体时能够得到相同的相位延迟。
光学共振是指当光的频率与光子晶体材料的共振频率匹配时，光与光子晶体之间发生强烈的相互作用。
这种共振现象可用于实现光学传感和激光器等器件。
光子晶体材料的传输特性主要涉及光的传播、散射和透射等过程。
光子晶体材料的周期性结构可以使得光在特定方向上具有高透射率，而在其他方向上发生衍射和散射。
第七章新型功能材料
第七章新型功能材料
(3) 用于军事目的
① 防红外伪装涂层 红外伪装的最基本原理是降低和消除目标和背景的辐射差
别，以降低目标被发现和识别的可能性。 ② 红外诱铒器
红外诱铒器作为对付红外制导导弹的一种对抗手段，正受 到重视。选择不同辐射频率的材料做成的红外诱铒器可以模 拟各种武器装备的红外辐射特征，更好地发挥红外诱铒假目 标的作用。
第七章新型功能材料
激光具有下列特点：
(1)相干性好，所有发射的光具有相同的相位。 (2)单色性好：因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后， 其它频率的光受到相消干涉。 (3)方向性好：光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过几次反 射后被逸散掉。 (4)亮度高：激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的辐射亮 度比普通光强108 ～1010倍。
第七章 新型功能材料
第一节 光学功能材料 第二节 电功能材料 第三节 功能转换材料
第七章新型功能材料
7.1 光学功能材料
7.1.1 激光材料
自第一台激光器诞生后，激光技术便成为一门新兴科学 发展起来，并且激光的出现又大大促进了光学材料的发展。 1、激光的产生及特点
当激光工作物质的粒子(原子或分子)吸收了外来的能量 后，就要从基态跃迁到不稳定的高能态，很快无辐射跃迁 到一个亚稳态能级。当亚稳态粒子数大于基态粒子数时， 即实现粒子数反转分布，粒子就要跌落到基态并放出新的 光子。这样便起到了放大作用。如果光的放大在一个光谐 腔内反复作用，便构成光振荡，并发出强大的激光。
第七章新型功能材料
7.1.2 红外材料
红外材料是指与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相关 的一些材料。
材料化学-绪论-曾兆华
章节内容
？
8
都有哪些性能？例
章节
9
章节
？
10
Chapter 1 Introduction
绪论
11
本章内容
1.1 材料与化学 1.2 材料的分类 1.3 材料化学的特点 1.4 材料化学在各个领域的应用 1.5 材料化学的主要内容
12
？材料
13
鲨鱼皮泳衣 shark-skin like swimsuit • 鲨鱼的皮肤上有一层极为细小的突起状，
42
Iron Age
Iron Age
43
炼铁过程的化学 3Fe2O3 11C 2Fe3C 9CO
Equations
Fe2O3 3C 2Fe 3CO Fe3C FeO 4Fe CO
44
依含碳量
和杂质多少
All
oys
of
iro
n&
car
bon
铸铁 锻铁 钢铁
材料化学
•Materials Chemistry
1
南京航
空航天 大学-
15333 09806
办公室 博士
3
712河1 南理鱼鱼银银虎虎
yu210@16
工大学
含能结
构材料、
兼职硕
3D打
士研究
印材料
2
MOOC【60%】 √ 共享课 ：学习资源、作业、测试
•对分易：通知、作业、互动 √ •钉钉 √ •雨课堂 基本不用啦
48
1.2 材料的分类 Classification of Materials
按组成、结构特点分
Metallic Materials Inorganic Materials Polymers Composites
功能高分子材料课件第七章光敏高分子材料
2019/9/18
材料
19
能 量
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A
成键轨道
=
2
A
-
B
B
=
1
A
+
B
A A-B
B
（孤立原子）（分子） （孤立原子）
轨道能量和形状示意图
材料
( * ) 2
( ) 1
2 (* ) 1 ( )
20
下面仅举甲醛分子的例子来说明各种化学键。 O
HC H
第七章 光敏高分子材料
2019/9/18
材料
1
7.1 概述
光敏性高分子（photosensitive polymer,
light-sensitive polymer）又称感光性高分子，
是指在吸收了光能后，能在分子内或分子间产生
化学、物理变化的一类功能高分子材料。而且这
种变化发生后，材料将输出其特有的功能。从广
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材料
7
感光性高分子作为功能高分子材料的一个重要分支， 自从1954年由美国柯达公司的Minsk等人开发的聚乙烯 醇肉桂酸酯成功应用于印刷制版以后，在理论研究和推 广应用方面都取得了很大的进展，应用领域已从电子、 印刷、精细化工等领域扩大到塑料、纤维、医疗、生化 和农业等方面。
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移动 宽
＞10-6s（长） 10-3s（短）
π →π* 180nm（短）
＞1000 给电子基团使吸收波长向红移
动 窄 10-7～10-9s（短） 10-1~10s（长）
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材料
31
根据这些性质上的差别，可帮助我们推测化学 反应的机理。例如，甲醛分子的模式结构图为：
光子晶体材料
光子晶体材料光子晶体材料是一种新型的光学材料，具有优异的光学特性和广泛的应用前景。
本文将介绍光子晶体材料的原理、制备方法和应用领域。
一、光子晶体材料的原理光子晶体材料是一种具有周期性结构的材料，其结构中的周期性阵列会对光波的传播和能带形成产生调控作用。
通过调控光子晶体材料的结构，可以实现对光波的反射、吸收、散射等特性的精确控制。
其基本原理是利用晶格常数与光波波长之间的相互作用，形成能带结构，控制光的传播特性。
二、光子晶体材料的制备方法1. 自组装法：利用溶液中的光子晶体颗粒自发排列形成有序结构。
例如，可以利用胶体颗粒在溶液中的沉降过程，通过调节颗粒浓度、粒径和溶液pH值等参数来实现自组装。
2. 模板法：利用微米或纳米级模板来制备光子晶体材料。
例如，可以利用多孔材料模板或光刻技术制备具有所需结构的光子晶体材料。
3. 非球形颗粒组装法：利用非球形颗粒通过絮凝、沉积或压缩等方式来形成光子晶体材料。
例如，可以利用纳米棒、多面体颗粒等非球形颗粒来制备具有多样化结构的光子晶体材料。
三、光子晶体材料的应用领域1. 光子晶体传感器：由于光子晶体材料对不同波长的光具有高度选择性吸收或散射，因此可以应用于传感器领域。
通过改变光子晶体材料的结构，可以实现对特定化学物质、生物分子等的高灵敏度检测。
2. 光子晶体光伏材料：光子晶体材料对光波的调控能力使其在太阳能电池领域具有广阔应用前景。
通过调节光子晶体材料的能带结构，可以提升光伏转换效率。
3. 光子晶体显示器件：光子晶体材料的结构调控特性使其在显示器件领域具有潜在应用。
通过改变光子晶体材料的结构，可以实现光波的频率调制，从而实现对显示器件的图像增强或色彩调节。
4. 光子晶体光纤：光子晶体材料在光纤领域的应用也具有广泛的前景。
其特殊的光学性质可以实现对光波的调控和传输，提高光纤通信的速率和稳定性。
综上所述，光子晶体材料是一种具有非常广阔应用前景的光学材料。
通过调控光子晶体材料的结构，可以实现对光波的精确控制，从而应用于传感器、光伏材料、显示器件和光纤等领域。
第7章 高分子材料的热学性能
3
平均比热容：单位质量的材料从温度T1到T2所吸 收的热量的平均值
Q 1 C均 T2 T1 m
T1~T2范围愈大，精度愈差 T2无限接近T1时
Q 1 C真 T m
4
材料科学与工程学院
Cp和Cv
比定压热容(Cp)
Q 1 H 1 cp T p m T p m
材料科学与工程学院
27
R V m ,u 1 1 0 (1 112 ) Tm Tm H u Vm ,l
玻璃化转变温度Tg 1．膨胀计法
比 容 υ
比容 υ
自由体积υf
占有体积υ0
Tg 温度 度
图7-4 膨胀计示意图
图7-5典型的比容-温度曲线
材料科学与工程学院
28
2．示差扫描量热（DSC）法
材料科学与工程学院
24
7.4 高聚物的形变-温度曲线
形 变
玻璃态 高弹态
粘流态
Tg
Tf 温 度
图7-2线形非晶态聚合物的形变－温度曲线
材料科学与工程学院
25
log E
tan δ
Tδ
Tγ
Tβ
Tg
CH3 n C CH3 O O C O CH2 n
Tm
CH3 C COO n H
图7-3 结晶高分子和非晶高分子的E-T曲线与tanδ-T曲线的典型例子
材料科学与工程学院
16
7.3 热传导
一、材料的热传导 当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会 从热端自动地传向冷端，这个现象称为热传导 傅里叶定律：
dT Q A t dx
它只适用于稳定传热的条件，即ΔQ/Δt是常数
材料分析1-7章习题讲解
第一～七章
2. 分析下列荧光辐射产生的可能性，为什么？ （1）用CuKαX射线激发CuKα荧光辐射； （2）用CuKβX射线激发CuKα荧光辐射； （3）用CuKαX射线激发CuLα荧光辐射。 答：根据经典原子模型，原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上，在稳定状态下，每个壳层有一定数量的电子，他们有一定的能量。最内层能量最低，向外能量依次增加。 根据能量关系，M、K层之间的能量差大于L、K成之间的能量差，K、L层之间的能量差大于M、L层能量差。由于释放的特征谱线的能量等于壳层间的能量差，所以Kβ的能量大于Kα的能量，Kα能量大于Lα的能量。 因此在不考虑能量损失的情况下： CuKα能激发CuKα荧光辐射、（能量相同）； CuKβ能激发CuKα荧光辐射、（Kβ> Kα ）； CuKα能激发CuLα荧光辐射；（ Kα > Lα ）
15. 什么厚度的镍滤波片可将CuKα辐射的强度降低至入射时的70％？如果入射X射线束中Kα和Kβ强度之比是5：1，滤波后的强度比是多少？已知μmα=49.03cm2/g，μmβ=290cm2/g。 解：有公式I=I0e-umm =I0e-uρt 查表得：ρ=8.90g/cm3 umα=49.03cm2/g 因为 I=I0*70% -umαρt=㏑0.7 解得 t=0.008mm 所以滤波片的厚度为0.008mm 又因为： Iα=5Ι0e-μmαρt Ιβ=Ι0e-μmβρt 带入数据解得Iα /Ιβ=28.8 滤波之后的强度之比为29：1
特征X射线与荧光X射线的产生机理有何异同？某物质的K系荧光X射线波长是否等于它的K系特征X射线波长？
01
答：特征X射线与荧光X射线都是由激发态原子中的高能级电子向低能级跃迁时，多余能量以X射线的形式放出而形成的。不同的是：高能电子轰击使原子处于激发态，高能级电子回迁释放的是特征X射线；以 X射线轰击，使原子处于激发态，高能级电子回迁释放的是荧光X射线。某物质的K系特征X射线与其K系荧光X射线具有相同波长。
第7章光刻胶
4、匀胶后烘（软烘）
使光刻胶中的大部分溶剂蒸发 溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光并且影
响黏附性 曝光后烘时间和温度取决于工艺条件 过烘：聚合，光敏性降低 后烘不足：影响黏附性和曝光
5、曝光
软烘条件控制的重要性
前烘的作用是去除胶中大部分溶剂，使胶的曝光性能稳 定。胶在显影剂中的溶解速度极大地依赖于光刻胶中最 终的溶剂浓度。
例 题 8.2
7.5 光刻胶的涂敷和显影
介绍光刻工艺中除曝光与刻蚀以外的工序。
硅片清洗
去除玷污 去除微粒
减少针孔和其他缺陷
提高光刻胶黏附性
基本步骤
化学清洗
传统方法
冲洗
高压氮气吹
干燥
刷子旋转刷
高压水冲洗
1、光刻工艺-前烘
去水烘干 去除硅片表面的水份 提高光刻胶与表面的黏附性 通常在100℃ 与前处理同时进行
硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片；胶盘 排气系统：可控旋转马达；给胶管和给胶泵 边缘清洗（去边）
边缘光刻胶的去除方法
a、化学的方法（Chemical EBR）。软烘 后，用PGMEA或EGMEA去边溶剂，喷出少 量在正反面边缘出，并小心控制不要到达光刻 胶有效区域；
b、光学方法（Optical EBR）。即硅片边缘 曝光（WEE，Wafer Edge Exposure）。在 完成图形的曝光后，用激光曝光硅片边缘，然 后在显影或特殊溶剂中溶解。
酚醛树脂基化合物是IC制造中最常用的光刻胶的主要 成分。胶中通常有三种成分，即树脂或基体材料、感 光化合物（PAC）、溶剂。PAC是抑制剂，感光前， 抑制光刻胶在显影液中的溶解。感光后，起化学反应， 增加了胶的溶解速度。
光刻胶分正胶和负胶。
光刻胶的类型
第七章 发光材料
图5.8 光致发光材料的吸收光谱
图5.9 发光材料的发射光谱和吸收光谱
颜色的单色性 从材料的发射光谱来看，发射谱峰的宽窄也是发 光材料的重要特性，谱峰越窄，发光材料的单色性越好，反之亦然。 我们将谱峰1/2高度时缝的宽度称作半宽度。如图5.10所示。 依照发射峰的半宽度可将发光材料还分为3种类型： 宽带材料：半宽度~100nm，如CaWO4； 窄带材料：半宽度~50nm，如Sr(PO4)2Cl：Eu3+； 线谱材料：半宽度~0.1nm，如GdVO4)：Eu3+；
（Zn,Cd）S:Al
ZnS:Cu,Al ZnS:Cu,Au,Al
0.357
0.243 0.332
0.596
0.633 0.602
535
530 535
18.4
21.8
15-30μs
15-30μs 15-30μs
蓝 ZnS:,Ag
0.146
0.057
450
20.4
5-15μs
电致发光材料：
能够在电场作用下而发光的材料。 场致发光材料也是由合适的基质材料中有 选择地掺入微量杂质作为发光中心而构成 的。
表5.2 彩色显像管用发光材料示例
颜色 红 组 成 x Zn3(PO4)2:Mn （Zn,Cd）S:Ag YVO4：Eu Y2O3:Eu Y2O3S:Eu 绿 Zn2SiO4:Mn （Zn,Cd）S:Ag 0.665 0.665 0.664 0.640 0.648 0.218 0.300 色 度 y 0.335 0.336 0.330 0.352 0.344 0.712 0.600 663 670 620 610 626 525 535 6.7 16.0 7.1 8.7 13.0 7.4 19.8 1-3ms 1-3ms 0.5-2ms 25ms 0.05-2ms 27ms 主峰波长（nm）能量效率（%）10%余辉
第7章 光子材料
件与显示器件。
Chapter Seven Optical Materials
7
光学材料的分类
光学材料应具有以下特征：
外来光子作用上材料物理化学性能发生改变；
材料对入射光子产生影响，改变光子的某些性质； 外部能量环境作用下或内部结构改变，材料释放光子 光子材料包括防反射材料，透明导电材料，液晶材料，
全光器件
光纤
能 否 控 制 光 子 的 流 动 ？
电子器件
Chapter Seven Optical Materials
9
光导纤维：简称“光纤”，是一种能利用光在石英玻璃或塑 料制成的纤维中的全反射作用来传导光线的光传导工具。
Chapter Seven Optical Materials
10
光导纤维的历史
Chapter Seven Optical Materials
12
光导纤维的特性
“以玻璃制造一条比头发还要纤细的光纤，代替体积庞大的
千百万条铜线，作为传送容量几近无限的信息传送管道，是
现代信息高速传输的重要载体。” ——光纤之父 高锟
光纤的优点：
1、信息量大：每根光纤理论上可同时通过10亿路电话。 2 、直径小、重量轻： 单模光纤芯线直径一般为 4-10um ，
每公里27g。
3、性能好：抗电磁干扰、保密性强、抗腐蚀、强度高。
4、成本低：每公里1万元左右。
Chapter Seven Optical Materials
13
7.2.1 光导纤维的基本构造
纤芯位于光纤中心，直径2a=4μm～50μm，单模光纤的纤 芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。 成分是高纯 度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(如GeO2，P2O5)，作用是提高 纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号。 包层位于纤芯外层，直径 2b=125μm，其成分也是含有极 少量掺杂剂的高纯度 SiO2 。而掺 杂剂 ( 如 B2O3) 的作用则是适当降 低包层对光的折射率 (n2) ，使之 略低于纤芯的折射率，即 n1 ＞ n2 ，它使得光信号封闭在纤芯中传 输。
材料表界面第七章--高分子材料的表面改性
7.5.2 等离子体处理对聚合物表面的改性效果
（1）表面交联
CH2 CH2 + He+
.
2 ( CH2 CH )
CH 2
.
CH
+H.
（2）极性基团的引入
.
CH2 CH
+ H. + He
CH2 CH
CH 2 CH
CH2 CH + H2
36
37
● 氩或氮等离子处理的聚乙烯和聚四氟乙烯表面的光电子能谱揭 示，处理后C1s峰或F1s峰减弱，O1s峰和N1s峰增强，表明表面 含氧基团或含氮基团的增加（图7-9） （图7-10）
17
7.3 化学改性
● 化学处理是使用化学试剂浸渍聚合物，使其表面发生化学的和物理的 变化。
7.3.1 含氟聚合物 含氟聚合物，具有优良的耐热性、化学稳定性、电性能以及抗水气
的穿透性能，在化学、电子工业和医学方面有广泛应用。但含氟聚合物 的表面能很低，是润湿性最差粘结最难的聚合物，使其应用受到限制。 因此必须表面改性。
C1s=~285eV; N1s=399~400eV; O1s=~533.0eV
单色化AlKα射线激发的聚苯氧基膦嗪的XPS谱来自
《聚合物表面分析》，[英]，D 布里格斯 著
7
8
● 电晕放电处理: 氧化
● 火焰处理: 氧化
表
● 化学改性: 氧化, 粗糙化表面
面
● 等离子体改性: 交联,引入官能团等
可燃性气体通常采用焦炉煤气、甲烷、丙烷、丁烷、天然气和一定比例 的空气或氧气；
瞬间：0.01~0.1s内；高温：1000~2700 ℃； 氧化过程按自由基机理进行，表面可被氧化引入含氧基团，并随着发生 断链反应。
7第七章--光敏高分子材料
载流子而导），非线性光学材料（发生超极化而显示非线性光学 性质），荧光发射材料（将光能转换为另外一种光辐射形式发 出）等。
光敏高分子材料是光化学和光物理科学的重要组成部分，近 年来发展迅速，并在各个领域中获得广泛应用。
一、高分子光物理和光化学原理
许多物质吸收光子以后，可以从基态跃迁到激发态，处在激 发态的分子容易发生各种变化。如果这种变化是化学的，如光聚 合反应或者光降解反应，则研究这种现象的科学称为光化学；如 果这种变化是物理的，如光致发光或者光导电现象，则研究这种 现象的科学称为光物理。
2020/6/26
1、光聚合反应（含光交联反应） 光聚合反应和光交联反应，都是以线型聚合物为反应物，吸
收光能后发生光化学反应，使生成的聚合物分子量更大。 其中，以分子量较小的线型低聚物作为反应单体，发生光聚
合反应，生成分子量更大的线型聚合物，则称光聚合反应；以分 子量较大的线型聚合物作为反应物，在光引发下高分子链之间发 生交链反应，生成网状聚合物的过程，称为光交联反应。
移和化学反应，导致聚合物链断裂。 ②、光氧化降解过程
首先在光作用下产生的自由基，并与氧气反应生成过氧化合 物。过氧化物是自由基引发剂，产生的自由基进一步引起聚合物 的降解反应。
2020/6/26
③、催化光降解过程 当聚合物中含有光敏剂时，光敏剂分子可以将其吸收的光能
转递给聚合物，促使其发生降解反应。 光降解反应的表现： 不利方面----使高分子材料老化、机械性能变坏； 有利方面----可以使废弃聚合物被光降解消化，对环境保护有利；
的污染较小。 但是价格和成本较高，是在目前阻碍其广泛应用的重要因素
之一。
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三、光致抗蚀剂
又称光刻胶。广泛用于集成电路工业和印刷工业等光加工工 业领域。 光致抗蚀剂的分类：
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41
金属有机化合物
目前研究较多的是含有二茂铁基的有机金属
化合物，这类化合物中二茂铁基一般作为给电子
基团，通过共轭体系与吸电子基相连.Gree等设计
合成了一系列以二茂铁基作为给电子基团的金属 有机化合物，其中合成出的(cis)-1-二茂铁-2-(4-硝
基苯)乙烯，其SHG效应在1.907μm时是尿素的62
30
有机二阶非线性光学分子设计和合成
有机二阶NLO分子的设计原则 作为有机二阶NLO材料设计、制备的基础，有机二 阶NLO分子的设计、合成研究显得尤为重要.有机 化合物的NLO效应是由于非局域的π电子受激发所 致，所以有机NLO分子都是强极性的π共轭体系. 分子设计原则如下 (1)分子不具有对称中心. (2)分子具有π共轭的电子体系. (3)分子内存在电荷转移.
15
二维光学超晶格的非线性Cerenkov辐射
二维光学超晶格中存在共线与非共线的倒格矢 Cerenkov 倍频光会沿不同方向辐射出来。
16
17
光子局域效应对光学非线性的放大
18
光子晶体光纤的光学非线性
实心PCF产生的超连续光谱
可产生高次谐波的空芯PCF
19
表面等离激元
20
21
负折射材料
金 白 西 义
木 青 东 仁
水 黑 北 智
火 赤 南 礼
土 黄 中 信
五行生五色 五色代表五方和四时
儒家色彩。五色定为正色
道家崇尚黑色
46
光度学和色度学
颜色分类：
颜色：非彩色：白、灰、黑 彩色：赤、橙、黄、绿、 青、蓝、紫及中间色
47
光度学
度量光的强弱(大小)和方向的一门科学. 基本单位: 光通量--------发光体的 发光强度-----发光体的 亮度------发光体 反射体----受照体照明后的反 射光 照度-----------受照体的
25
慢光
哈佛大学的L.V.Hau研究小组通过将光脉冲的群速 度减小到17m/s，使得三阶非线性系数χ（3）得到 了上百万倍的提高。
26
磁等离激元
磁等离激元是由光波中磁场分量诱发电子集体振荡产生，具 有很好的光场压缩效应，其亚波长结构对许多非线性光学与 量子光学过程具有很好的增强作用，如倍频、三次谐波等等
(4)透明性和光学非线性性能比优化.
31
结构特征：有电子给体(D)、受体(A)和π共 轭体系的有机分子，即分子内电荷转移化 合物。如：
CH3
O2N
NH2
32
尿素及其衍生物
序号
1
H2N
化合物
O
N H2
SHG(粉末法)* 1.0
λmax/nm 200
β/×10-30esu 0.45
2
MeH N
O
0.33
材料的非线性极化：
强光场或其它外加场的扰动 材料的原子或分子内电子的运动
除线性振动外还受到偏离线性的附加扰动， 材料的电容率变为时间或空间的函数， 材料的极化响应与光波电场存在非线性关系。
2
研究意义
非线性光学材料广泛用于激光变频、孤子 通信、微纳加工、全光开关等诸多方面
材料的评价应综合考虑： 非线性、稳定性、透光范围、 光响应速度、导热性等
34
芳香硝基化合物
硝基苯类衍生物SHG效应 序号 1
O2N
结构式
NH2
SHG效率 截止波长 (粉末法) (λ/nm) 0.0 470
β (×10-30esu) 35
CH3
2
(MNA)
O2N
NH2
22
480
42
CH3
3
(MNA)
O2N
NHCH 3
80
-
-
NHCOCH 3
4
(DAN)
O2N
N(CH3)2
酯)、MNA(2一甲基4硝基苯胺)、CNA(2一氯4．硝基 苯胺)等； (3)硝基吡啶氧类，如POM(3一甲基4．硝基吡啶氧)； (4)二苯乙烯类，如MMONS(3一甲基4．甲氧基4 一硝
基二苯乙烯)；
(5)查耳酮类，如BMC(4一溴4 一甲氧基查耳酮)； (6)苯甲醛类，如MHBA(3一甲氧基4．羟基苯甲醛)； (7)有机盐类。
3
4
主要的非线性光学材料
在新型光学处理材料中非线性光学（ NLO）材料以其能实现 倍频和三倍频的能力尤为瞩目。这种能力为实现全光学计算、开 关和远距离通信提供了可能。传统的 NLO材料如铌酸锂、钛酸钡、 石英、硒化镉和磷酸氢钾极难生长成单晶，其价格每克高达 2000 美元。能实现倍频的二级NLO材料由于成本原因，其未来将为聚 合物占有。三级NLO材料以三倍频、光学克尔效应、光学双稳态、 相位共轭、光折射等效应用于光学开关、计算、动态数据存储、 放大、光束导向和图象处理，但实用价值高的光学计算距离商品 化至少需要20年。在无机晶体当中铌酸锂站在商品化的前列。其 它大有希望的NLO材料有硼酸锂,磷酸钛钾(KTP)和β-硼酸钡.KTP 已用于使Nd:YAG倍频产生532nm的绿光，以商品的形式用于外科 手术中。处于研究阶段的有掺铈铌酸锶钡 ,二氧化硅铋和钛酸钡。 GaAs也具有NLO性能,但激活能低,很难制成有用的器件,故已把目 光转向GaAs/GaAlAs和HgTe/CdTe超晶格。
N H Me
-
-
O2N
NO2 O
3 *
8.8 二阶非线性有机材料 SHG活性的评价一般按粉末法进行，其 强度用相对尿素的比值来表示
N H N H NH2
33
间二取代苯衍生物
间二取代苯比邻位或对位二取代苯容易形成非 中心对称结构，符合NLO分子的设计原则. 目前 研究了间二硝基苯(β～5KDP)，间二苯酚(β～ 2KDP)，2，4-二氨基苯胺(～2.9KDP)，间羟基 苯胺(～3KDP)，间硝基苯胺(mNA)(β～3KDP) 等间二取代苯衍生物，尽管这些分子的β值并不 高，但其中mNA的性能较好，其SHG的转换效 率(P(2w)/P(w))可达65 %，引起了科学家的很大 兴趣
7.6 非线性光学材料
非线性光学
物质在强光如激光束的照射下，其光 学性质发生了变化．而这种变化又反过来 影响了光束的性质。研究这种光与物质的 相互作用就是非线性光学的内容。
非线性光学效应来源于分子与材料的 非线性极化。
1
1
材料的非线性极化
光与材料的相互作用：
入射光波电场 材料的原子或分子体系 感生电偶极矩并进而辐射电磁波
同日验收的深紫外激光光发射电子显微镜， 利用其深紫外激光的高能量、高强度等特 点获得了3.9nm的空间分辨率，是目前国际 最高水平
探索高温超导体
8
新型红外非线性光学晶体
ABC2型黄铜矿结构： LiGaTe2
0.5～12μm，d36=43pm· V-1±10%，是同类中最高之
一
硫属化物： BaGa4S7
DSTMS薄膜及DSTMS单晶
11
双光子吸收材料
通常用σ2衡量双光子吸 收能力：
目标： 寻找双光子吸收截面大、 聚合阈值低的引发剂。
突破衍射极限！
双光子聚合材料用于微纳加工
12
新型光学超晶格研究进展
电场极化制备的Fibonacci序列超晶格
——通过倍频与和频的级联过程直接实现高效的三倍频
13
全固态三基色激光器
48
四个单位的图示:
49
光通量
光通量:看得见的 光辐射功率 单位:瓦
50
光通量的单位:流明(lm) 1W功率555nm的黄绿光发出的光通量是: 683 lm. 说明: 对人的眼睛555nm的黄绿光最敏感. 其它颜色的 光线的敏感度 低于555nm的 值. 有V(λ)曲线.
51
相同的功率(W),不同的光源得到的光通量 (Φ)是不同的: 400W高压钠灯48000lm----120lm/w 400W高压汞灯21600lm-----54lm/w 400W金卤灯38000lm------95lm/w 发光效率就能说明这个问题.
H3CO OCH3 OCH3 OCH3
38
Hale Waihona Puke ★具有D—A结构的以硝基为吸电子基的噻吩衍生物
39
含偶氮基团的有机化合物
1988年设计合成出了具有苯胺乙烯基结构的重氮苯盐 的NLO活性化合物，其合成方法如下：
40
1993年合成出含偶氮基的D—A型具有NLO活性 的有机生色物(A，B)，其合成方法如下：
6
深紫外非线性光学晶体
KBBF： 0.155～3.5μm，物理化学性质稳定，不潮解，
难长大
KBBF可以直接通过对Nd：YAG激光六倍频得 到深紫外激光输出
7
KBBF可用于制作全固态深紫外激光光源 2011年5月17日，大连化物所研制的深紫外 拉曼光谱仪通过验收，并首次实现了193240nm激发波长的连续可调；
倍.目前具有最大SHG效应的含二茂铁基化合物是 Marder等报道的(E)-1-二茂铁基-2-(1-甲基-4-吡啶) 乙烯的碘盐，其SHG值是尿素的220倍.
42
钱鹰等人1998年合成了10个二茂铁衍生物，其结
构如下：
43
其他有机化合物
★ 2,6-二叔丁基二氢茚酮苯胺系列衍生物的合成：
44
7.7 发光材料
27
有机非线性光学材料
有机晶体在合成和生长方面的特性使这类 材料最有机会成为可分子设计的光电功能 料．而且，有机材料在快速非线性光学响 应、大尺寸单晶生长 三次谐波产生等方面 都极富吸引力．
28
有机非线性光学材料具有无机材料所无法比 拟的优点： (1)有机化合物非线性光学系数要比无机材 料高1—2个数量级；
115
-