Bài giảng Bài tập Cơ sở khoa học vật liệu - Tính chất quang của vật liệu - Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

CƠ SỞ KHOA HỌC VẬT LIỆU
ThS. Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh
6/2016
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
CHIẾT SUẤT
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
Chùm photon có vận tốc c1 truyền từ môi trường có chiết
suất n1 sang môi trường có chiết suất n2 với vận tốc c2:
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
1 2 i
2 1 t
c n sin
c n sin

 

Trong đó:
• n1, n2: là chiết suất 2 môi
trường.
• c1, c2: là vận tốc chùm tia
trong 2 môi trường.
Chiết suất (hay tỷ số khúc xạ):
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
0
0 0 0
c
n k
c

 
   
  
Trong đó:
• c0, c: là vận tốc chùm tia truyền trong chân không và
trong vật liệu.
• μ0, μ : là độ thẩm điện môi trong chân không và trong
vật liệu.
• Một chùm photon phát ra từ 1 nguồn laser vào 1 sợi
thủy tinh có chiết suất bằng 1,5.
• Tính góc tới của chùm photon sao cho phần tia truyền
qua sợi thủy tinh là nhỏ nhất.
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
Góc tối đa = 90o - θi
• Đặt sợi thủy tinh (n = 1,5) trong không khí (n = 1), ta có:
o
i 90 60 30   
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
2 i
1 t
o
o
t
t
n sin
n sin
1 sin 30
48,6
1,5 sin



    

• Để ngăn tia truyền qua, toàn bộ chùm tia phải phản xạ 
bên trong sợi thủy tinh.
• Do đó, góc θt ≥ 90
o.
• Giả sử chùm tia tới hợp với trục sợi thủy tinh một góc 
60o. Suy ra:
• Với θt này, chùm tia bị truyền qua.
• Như vậy, để ngăn truyền qua, phải điều chỉnh chùm tia
tới nông hơn, để θt tối thiểu bằng 90
o. Ta có:
o o
t 48,6 90  
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
i
t
oi
io
sin1
1,5 sin
sin1
41,8
1,5 sin 90




    
• Nếu góc giữa chùm tia và trục sợi = 90 – 41,8 = 48,2o
hoặc nhỏ hơn, chùm tia bị phản xạ.
Góc tối đa = 90o - θi
• Nếu ngâm sợi thủy tinh trong nước, ta có:
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
i
t
oi
io
sin1,333
1,5 sin
sin1,333
62,7
1,5 sin 90




    
• Trong nước, chùm tia tới với góc = 90 – 62,7 = 27,3o ngăn
truyền qua.
• Một chùm photon đập vào một bản polyethylene trong
chân không với góc tới 10o.
• Polyethylene có hằng số điện môi ở tần số cao k∞ = 2,3.
• Xác định chiết suất của polyethylene và góc truyền qua.
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
• Góc truyền qua:
n k 2,3 1,52  
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
i
t
o
o
t t
sin
n
sin
sin10
sin 6,57
1,52



     
• Chiết suất của polyethylene:
• Một vật liệu có hệ số phản xạ bằng 0,15 và hệ số hấp
thụ bằng 100cm-1.
• Xác định độ dày cần thiết của một tấm vật liệu loại này
sao cho chỉ 1% bức xạ tới truyền qua được.
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
• Độ dày tấm vật liệu để 1% tia truyền qua được:
   
2t
0
I
1 R exp x
I
  
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
   
2
0,01 1 0,15 exp 100x
x 0,0428cm
  
 
• Tỷ số truyền qua và tia tới:
• Một vật liệu chưa biết trong suốt với ánh sáng có tần
số 1,3x1014s-1.
• Tính năng lượng vùng cấm của vật liệu này.
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
   
g
g
34 14
19
E h
1
E 6,63 10 1,3 10 0,54eV
1,6 10



 
     

TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
• Ta có E = hν.
• Vật liệu trong suốt với photon có năng lượng nhỏ hơn:
• Một vật liệu có tính chất chuyển từ hấp thụ ánh sáng
sang cho ánh sáng truyền qua ở tần số 5x1014Hz.
• Khi quan sát vật liệu dưới ánh sáng ban ngày, dự đoán
màu của nó.
• Xác định năng lượng vùng cấm.
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
• Ánh sáng thu được là ánh sáng đỏ nhạt (cam)
8
7
14
c
3 10
6 10 m 600nm
5 10

 


    

TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
• Bước sóng được xác định bởi:
   
g photon
34 14
g
19
E E h
E 6,63 10 5 10
 3,315 10 J 2,07eV


  
    
  
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
• Năng lượng vùng cấm:
• Một diode phát quang (LED) chế tạo từ một lớp chuyển
tiếp p-n dựa trên vật liệu bán dẫn loại Ga-As-P, có năng
lượng vùng cấm 1,9eV.
• Tính bước sóng ánh sáng phát xạ.
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
• Ánh sáng thu được là ánh sáng đỏ
   
 
g
g
34 8
7
19
c
v
c
E
h
hc
E
6,63 10 3 10
6,54 10 m 654nm
1,9 1,6 10



 
  
  
  
     
 
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
• Bước sóng được xác định bởi:
• Chọn vật liệu có khả năng tạo lân quang màu lục trên
màn hình TV.
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
• Không có vật liệu nào có vùng cấm tương ứng 2,76eV. 
• Tuy nhiên, có thể pha tạp vào ZnS (Eg = 3,54eV) để tạo
ra một năng lượng bẩy Etrap = 3,54 – 2,76 = 0,78eV dưới
vùng dẫn, sẽ thu được lân quang.
  15 10
5
hc
E
4,14 10 3 10
E 2,76eV
4,5 10




 
  

TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
• Để cho ánh sáng màu lục, năng lượng photon cần thiết
vào khoảng 4,5x10-5cm:
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
Vật liệu phát lân quang cho màn hình TV phổ biến là:
• CaWO4 cho λ = 4,3x10
-5cm – lam, thời gian hồi phục
4x10-6s.
• ZnO kích thích bởi Zn dư cho λ = 5,1x10-5cm – lục.
• Zn3(PO4)2 kích thích bởi Mn cho λ = 5,1x10
-5cm – đỏ.
“Hãy theo đuổi sự ưu tú, 
thành công sẽ theo đuổi bạn”