光电功能材料知识点剖析.docx

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光电功能材料知识点剖析

知识点补遗

1，光电功能材料按物质分类

答：

根据材料的物质性进行分类：

金属功能材料；无机非金属功能材料；有机功能材料；复合功能材料。

2，晶体的主要特征有哪些？

答：

晶体在宏观上的基本特性：

自范性、均一性、对称性、异向性、稳定性。

自范性：

是指晶体具有自发地形成封闭的几何多面体外形，并以此为其占有空间范围的性质。

均一性：

晶体在它的各个不同部分上表现出相同性质的特性，是晶体内部粒子规则排列的反映。

异向性：

晶体内部粒子沿不同方向有不同的排列情况，从而导致在不同方向上表现出不同的宏观性质。

对称性：

晶体的性质在某一方向上有规律地周期的出现

稳定性：

3，介电晶体的效应有哪些？

分别有多少个点群？

答：

（1）压电效应：

压电模量，三阶张量，非中心对称晶体。

（2）

电致伸缩效应：

电致伸缩稀疏，四阶张量，所有晶体。

（3）热释电效应：

热释电稀疏，一介张量，极性晶体，可自发计划。

（4）铁电晶体：

自发极化能随外加电场改变的晶体。

各种介电晶体（数字表示此类性质的晶类数）：

压电效应：

晶体在受到机械应力的作用时，在其表面上会出现电荷，成为正压电效应。

应力是二阶对称张量，其两个下标可以对调，压电模量是三阶张量，从而导致压电模量中的后两个下标可以对调

，此时压电效应可以写成：

逆压电效应：

当电场加到具有压电效应的晶体上时，晶体将发生应变。

电致伸缩效应

当作用在晶体上的电场很强时，晶体的应变与电场不是线性关系，必须考虑平方项，引起应变中的平方项称为电致伸缩效应。

，

成为电致伸缩系数。

热释电效应

晶体在温度发生变化时，产生极化现象，或其极化强度发生变化，称为热释电效应。

当温度较小时，晶体极化强度变化与温度为线性关系。

电热效应：

热释电效应的逆效应，即将某种热释电晶体置于电场中，会观察到温度变化。

热释电材料主要用于红外探测。

晶体的铁电性质

在外场的作用下，自发极化的方向可以逆转或可以重新取向的热释电晶体。

铁电晶体的分类：

（1）无序-有序型铁电晶体（软铁电体）

（2）位移型铁电体（硬铁电体）：

含有氧八面体构造基元者，也称钙铁矿型铁电体，如铌酸锂、钛酸钡等。

铁电体的宏观特性：

（1）电滞回线：

铁电体和非铁电体的判据。

非铁电晶体：

P-E关系为线性的。

铁电晶体：

P-E存在电滞回线。

（2）居里温度：

晶体的铁电性质在一定的温度范围内存在，如钛酸钡晶体，温度低于120摄氏度是铁电项，高于120摄氏度铁电性消失。

实际上是一个相变过程。

部分铁电晶体没有居里温度点，因为未达到相变温度时晶体已经溶解。

4，光率体的表达式和特征，三个轴与椭球截距的意义，折射率面，不沿主轴方向，通过晶体后引起的光程差的判定。

答：

上册P-31

5，晶体的非线性光学——香味匹配条件以及实现相位匹配的途径（一种）

答：

当激光的光强较强时，其通过物质时，物质内部极化率的非线性响应会对光波产生反作用，可能产生入射光波在和频和差频处的谐波，这种与强光有关不同于非线性光学现象的效应称为非线性效应。

混频效应：

和频、差频

当作用于晶体的光场包含两种不同的频率ω1和ω2时，就会产生第三种频率ω3的光，ω3=ω1+ω2相加的称为和频，ω3=ω1−ω2相减的称为差频。

位相匹配：

在二级非线性极化的倍频过程中，入射光波在它经过的各个地方产生二次极化波，各个位置的二次极化波都发射出二次谐波，这些二次谐波在晶体中传播并相互于涉，相互干涉的结果，就是在实验中观察到的二次谐波强度．这个强度与这些二次谐波的位相差有关．如果位相差为零，即各个二次谐波的位相一致，则相干加强，我们就能观察到产生的二次谐波．反之，则相干相消，我们就观察不到二次谐波。

只有当入射光波的传播速度与二次谐波的传播速度相等时，二次谐波才能位相一致而相干加强，这种情况就称为位相匹配。

位相匹配条件：

根据能量守恒，倍频过程中其基频光和倍频光应满足：

和动量守恒

，又因为

。

所以：

是基频光的折射率，

为倍频光的折射率，上式即为位相匹配条件。

这表明，要在光传播方向产生倍频效应，基频光和倍频光的折射率必须相等。

由于几乎所有物质在光频范围内都有正常色散，倍频光的相速度一般落后于基频光。

因此，在光学各向同性的立方晶体（如23，43m晶类）中，要使基频光和倍频光速度相同，在原理上是不可能的（反常色散情况下有例外）但对于各向异性晶体，由于有自然双折射，则有可能在某些特定方向上，基频光和倍频光有相等的速度和折射率．

实现相位匹配的途径：

（1）角度相位匹配

角度位相匹配就是控制光波在晶体中其一特定方向（θ，ϕ）上传播，该方向应满足相位匹配条件。

利用折射率面的色散可以很方便的找到这个特定方向。

画出了负单轴晶体的基频光折射率面（实线）和相倍频光折射率面（虚线）。

其中倍频的e光面与基频的o光面相交于M点。

显然OM方向就是满足位相匹配方向。

（2）温度相位匹配

对于某些晶体，例如LiNbO3、KDP等，它们的ne比no随温度变化快得多。

利用这一特性，在θm＝90o的条件下就有可能通过适当调节温度实现位相匹配。

6，电光系数的计算，m3m、4mm、3m点群在电场下的折射率改变（电场最多是两个方向的和矢量）

答：

在外加电场的作用下，晶体折射率发生变化的现象称为电光效应。

电光效应的产生是由外加低频电场的作用时，改变了介质内电子极化引起的。

在有些晶体中折射率（或逆介电张量β）的变化仅与外加低频电场E成正比，即普克尔效应（线性电光效应），β是二阶张量，E是一阶张量，在直角坐标系选在与晶体对称轴一致时，外加低频电场E时，线性电光效应描述为：

KDP晶体：

42m晶类，其电光系数矩阵为：

7，KDP晶体的纵向电光效应（

的横向电光效应）（二次电光效应m3m点群，弹光效应也是m3m点群）

答：

上册：

P—62

43m、432和m3m晶类的弹光效应

23和m3晶类的弹光效应：

设x1方向加单向应力，则得：

8，声光调制的原理（了解热光和旋光效应）

答：

9，电光开关，设计“KDP晶体+起偏/检偏器”的电光开关/电光调制器

答：

10，连续型电光偏转器的原理

答：

11，常见的生长KLTN晶体的方法及优缺点

答：

顶部籽晶助熔剂法生长

优点：

热应力小，完整性高，防止埚壁寄生成核，光学质量好

缺点：

生长速度缓慢

逐步冷却自发成核法

优点：

生长晶体组分均匀、光学质量好、消耗时间短、设备简单、无需人守候

缺点：

不能生长出足够大的晶体，限制了晶体的应用

微下拉法

优点：

生长质量均匀，生长速度快，便于观察晶体生长情况

缺点：

不能生长出足够大的晶体，限制了晶体的应用

顺电项KLTN属于立方晶系，m3m点群，在外电场的作用下，二次电光效应：

12，什么是超材料？

超材料的三个重要特征

答：

一般认为超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。

（1）超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料；

（2）超材料具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；

（3）超材料性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

13，影响高分子材料的导电因素（隐身）

答：

（1）掺杂率。

掺杂率小时，电导率随着掺杂率的增加而迅速增加；当达到一定值后，随掺杂率增加电导率变化很小，此时为饱和掺杂率。

（2）共轭链长度。

π电子运动的波函数在沿着分子链方向有较大的电子云密度，并且随着共轭链长度的增加，这种趋势更加明显，导致聚合物电导率的增加。

（3）温度。

对金属晶体，温度升高引起的晶格振动阻碍其在晶体中的自由电子运动；而对于聚乙炔，温度的升高有利于电子从分子热振动中获得能量，克服其能带间隙，实现导电过程。

14，光致发光的激发过程，+3价稀土离子的发光特点，+2价稀土离子的光谱特性。

答：

发光就是物质内部以某种方式吸收能量以后，以热辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程。

晶体中离子的发射光谱的能量均低于吸收光谱的能量，并且是宽带谱。

一般说来，发光固体吸收了激活辐射的能量hν，发射出能量为hν’的光，而ν’总小于ν，即发射光波长比激活光的波长要增大λ’>λ。

激发过程：

电子从基态能级A跃迁到激发态的较高能级B产生一个活性中心。

这个过程体系能量从A垂直上升到B。

但在激发态，由于离子松弛，电子以热能形式散射一部分能量返到新激发态能级C形成新的活性中心。

那么，发光过程就是电子从活化中心C回到原来基态A或D。

显然，激活过程能量ΔEAB>ΔECA或ΔECD。

发光“热淬灭”效应

在E点，激发态的离子在能量不改变的情况下就可以回到基态，然后再通过一系列的改变振动回到基态的低能级上去。

因此，E点代表一个“溢出点”。

如果这样，全部能量就都以振动能的形式释放出来，因而没有发光产生。

显然，E点的能量是临界的。

一般说来，温度升高，离子热能增大，依次进入较高振动能级，就可能达到E点。

在上述热淬灭现象的那种情况中，激发离子通过把振动能传递给环境——基质晶格，而失了其剩余的能量，返回到较低的能级上。

这种跃迁过程不发射电磁波，即光，因而称为非辐射跃迁。

另外，某些杂质以非辐射能传递方式对发光材料有“毒物”作用，激发光因材料含有毒物而淬灭。

+3价稀土离子的发光特点

①具有f--f跃迁的发光材料的发射光谱呈线状，色纯度高；

②荧光寿命长；

③由于4f轨道处于内层，材料的发光颜色基本不随基质的不同而改变；

④光谱形状很少随温度而变，温度猝灭小，浓度猝灭小。

15，列举光致发光的几种计算方法

答：

16，半导体电致发光的原理

答：

处于激发态的分子、晶体和非晶态物质在退激过程中会产生辐射，即发光。

根据其受激的方式，这种激发态发光可以分为三种形式：

光致发光（photoluminescence，PL）、电致发光（electroluminescence，EL）、阴极发光（cathodeluminescence，CL）

电致发光材料是禁带宽度比较大的半导体。

在这些半导体内场致发光的微观过程主要是碰撞激发或离化杂质中心。

在外电场的作用下，电子克服半导体势垒进入半导体后，随即被半导体内电场加速，能量越来越高，当它与发光中心或基质的某个原子发生碰撞，它就会将一部分能量传递给中心或基质的电子，使它们被激发或被离化。

第一种情形:

被激发是指进入半导体的电子被加速到其能量大于发光中心的激发态的能量时，发光中心的电子从基态被激发到激发态。

电子没有离开中心，只是从基态跃迁到激发态。

当它从激发态跃迁到基态时，就发射出光来。

是分立中心的发光，属于单分子过程。

在第二种情形:

离化是指其能量已增大到足以把发光中心的电子或把基质的价带电子送到导带时，发光中心及基质就有可能被离化。

电子离开了中心，进入导带而为整个晶格所有。

电子和离化中心复合时，就发出光束。

是电子及离化中心的复合发光，是双分子反应过程。

17，影响透明陶瓷透光的因素，PLZT的制备方法

答：

影响透明陶瓷透光的因素：

a）本征影响因素

b）环境温度影响

c）陶瓷材料制备因素的影响。

原料、烧结温度、气氛

d）显微结构的影响。

气孔率、晶体结构、晶界结构、第二相、表面加工粗糙度

PLZT的制备方法：

（PLZT、PLMNT、PZN-PLZT等透明功能陶瓷）？

？

？

？

要包括固相法和化学沉淀法、溶胶一凝胶法、水热法、等湿化学方法"

制备透明PLZT陶瓷的主要工艺/烧结方法有:

（1）热压烧结,

（2）通氧热压烧结,（3）气氛烧结,（4）热等静压烧结。

18，C60的制备和提纯

答：

任何由碳一种元素组成，以球状，椭球状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。

巴克球、巴基球、巴克管、碳纳米管

巴克球的制备：

●激光蒸发法：

大功率激光束轰击石墨使其气化，用1MPa压强的氦气产生超声波，使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳分子。

●电弧法：

在氦气或是氩气的保护下，高温电弧可以制备出含有C60的黑色烟灰。

●苯火焰燃烧法：

1991年麻省理工学院的Howard等燃烧用氩气稀释过的苯获得C60和C70混合物。

将苯、甲苯在氧气作用下不完全燃烧的碳黑中有C60或C70，通过调整压强、气体比例等可以控制C60与C70的比例，这是工业中生产富勒烯的主要方法。

●石墨直接加热法：

1992年Peter和Jansen等利用高频电炉在2700℃，150KPa氦气氛中于一个氮化硼支架上直接加热石墨样品

巴克球的提纯：

●重结晶法：

苯（或二硫化碳和四氯化碳）溶出黑色烟灰中的C60，缓慢加热蒸去溶剂，得到暗棕色或是黑色的晶体。

●升华法：

在真空或是惰性气体中将烟灰加热至400C，C60可以升华出来，升华后的覆盖层由于厚度不同而呈棕色至灰色。

●二氮杂二环（DBU）化学络合分离法

●高效液相色谱法

●柱层析法

19，光学播磨厚度的监控方法及其原理

答：

1）目视法；

一定结构的膜层对不同波长的光具有不同的透过率。

白光入射，反射光就会表现出颜色，所以可以通过直接观察薄膜颜色变化，来确定厚度

2）测量薄膜透过率和反射率极值法；

测量正在镀制膜层的反射率或透过率随膜层厚度增加过程的极值个数获得以四分之一波长为单位的整数厚度膜层。

对于确定波长，当膜层光学厚为四分之一波长整数倍时，反射率有极值。

（定波长检测）对于确定膜层光学厚，当波长满足四倍光学厚的整数分之一时，在该波长处反射率有极值。

（定光学膜厚检测）

3）光电定值法。

此法实际上是极值法的一种改进形式。

通常需在控制片上先预镀适当的膜层，使得可使用截止波长作为控制波长，提高截止波长的准确定位，也可增加每一层膜层控制信号的变化幅度从而减少监控误差。

适用于干涉滤光片的监控。

4）任意厚度的薄膜厚度监控技术

对所需的膜厚计算出对应的极值波长，用极值法监控；

对折射率稳定易重复的膜层，可以监控非极值波长的反射率或透过率值；

曲线比较法。

理论计算膜层厚度与实际膜层厚度相等时，两膜层的透过率随膜厚的变化曲线形状相似。

5）石英晶体监控；

石英晶体固有频率不仅取决于几何尺寸和切割类型，还与其厚度有关。

厚度的改变使得固有频率发生变化，测量石英晶体的振荡频率或周期随石英晶片厚度的变化量来测量膜厚。

6）宽光谱扫谱

在很宽的波长范围内监视薄膜特性。

直观、精度高。

其方法是在镀膜前将所计算出的宽光谱范围法的透过率特性与镀膜时的实测数值比较，不断修正，比较值最小时即停止镀膜。

20，双层减反膜的设计方法及优点

答：

单层减反膜很难实现零反射。

另外，单层减反膜理论上只能在一个波长处实现零反射，即反射波长相关性强，影响成像系的色平衡。

设计方法：

在玻璃基片上镀一层λ/4厚，折射率为n2的薄膜，这时对于波长λ来说，新薄膜和基片组合的系统可以用折射率为

的基片等效。

然后，镀上λ/4厚的MgF2膜层就能起到更好的增透效果。

在限定两层膜的厚度都是λ/4的前提下，要令波长λ的反射光减至零，它们的折射率应满足如下关系：

优点：

能够通过调整膜的厚度实现单层减反膜无法实现的零反射

21，给出晶体点群，设计测量折射率的方法

22，常用折射率测量的方法及优缺点

答：

最小偏向角法

优点：

可测量晶体双折射（即no和ne），测量设备简单；

缺点：

棱镜样品加工麻烦。

椭圆偏振仪

优点：

波长可从紫外到近红外连续变化，测量速度快；

缺点：

只能测量单一折射率，适用于各向同性材料。

棱镜耦合器

优点：

可测量晶体双折射，测量速度快；

缺点：

光源只能采用激光，波长有限。

23，有效电光系数的测量及原理

答：

（1）单光束法+光路

（2）双光束法+光路

24，铁电晶体温度测量方法及判定

答：

PMN—PT是一种新型驰豫型铁电体，由于具有优越的压电性备受关注。

补充：

1，顺电相、铁电相和居里温度

答：

铁电体在居里温度以下表现出铁电相，是极化有序状态。

温度超过居里温度由铁电相转变为顺电相，是极化无序状态。

居里点也称居里温度或磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁磁体从铁磁相转变成顺磁相的相变温度。

2，做粉常用的两种方法

答：

高能球磨法和化学共沉淀法

3，光学薄膜—精确厚度和均匀薄层的获得方法

答：

减反膜、高反膜和中性分束膜

中性分束膜能在一定波段内把一束光分成光谱成分相同的两束光.如可见区内，对各波长具有相同的透射率和反射率比——透反比，因而反射光和透射光不带颜色——即色中性。

提高膜层填充密度的途径：

（1）提高真空度

（2）提高基片表面的清洁度

（3）减小膜料蒸气分子到基片的入射角

（4）提高沉积速率

获得均匀膜层厚度的途径:

1）可以获得均匀膜层厚度的蒸发源与零件的位置：

Ø点状蒸发源置于被镀件所在的球心位置；

Ø面装蒸发源位于被镀件所在的同一球面上。

2）基板表面的平行性和基板温度的均匀性控制。

3）采用旋转夹具；转动速度必须保持平稳。

4）膜层的沉积速率尽可能平稳。

5）控制真空度变化幅度。

6）增设膜层厚度的调节板。

薄膜制造技术:

•物理气相沉积技术

•化学气相沉积技术

•溶胶凝胶法

物理气相沉积技术:

（1）真空蒸发镀膜

（2）溅射镀膜

（3）其它物理气相沉积方法

4，解释热发光的热猝灭效应，画出势能图

答：

见上14

5，简述发光材料的应用

答：

（1）荧光灯。

包括低压汞灯、高压汞灯、彩色荧光灯、三基色灯和紫外灯等。

（2）等离子体显示；（3）夜明设施；（3）荧光标记；（4）太阳能点此

6，猝灭方式总结

答：

以热的形式把激发能量释放给邻近的晶格，称为“无辐射弛豫”，也叫荧光猝灭

在阴极射线发光过程中，当激发强度过大时，发光强度往往饱和；但是，在高速电子的轰击下，发光屏的温度将要上升，而当温度上升到一定值后发光的亮度将下降，这种现象为温度猝灭。

激发态的离子在能量不改变的情况下就可以回到基态，然后再通过一系列的改变振动回到基态的低能级上去。

因此，E点代表一个“溢出点”。

如果这样，全部能量就都以振动能的形式释放出来，因而没有发光产生，上述过程称之为热猝灭。

7，C纳米管的独特性能及其应用（5点）

答：

8，列举几种碳纳米材料

答：

蓝丝黛尔石、富勒烯、巴克球、碳纳米管、石墨烯、石墨炔

9，左手材料可以实现什么样的特殊性质？

原理是什么？

？

答：

左手材料就是介电常数ε<0、磁导率μ<0的材料，是一种人工制备的亚观材料。

（1）负折射率效应。

由n1sinθ1=n2sinθ2可知：

（a）n1>0,n2>0时，θ2>0，即入射光线位于介面法线的两侧；（b）n1>0,n2<0时，θ2<0，那么入射光线与折射光线位于介面法线的同侧。

（2）反多普勒效应

若光源发出频率ω0的光,而侦测器以速度v接近光源时,在一般介质之中侦测器所接收到的电磁波频率将比ω0高,而在左手材料中,因为能量传播的方向和相位传播的方向正好相反,所以如果二者相向而行,观察者接收到的频率会降低,则会收到比ω0低的频率,反之则会升高,从而出现反多普勒效应。

（3）左手材料的二次汇聚作用

一个点光源,若放置在左手材料薄板前,该点光源在左手材料内会汇聚成像一次;并且在左手材料薄板的另一侧,该点光源也会汇聚成像一次。

左手材料薄板对消逝波,即近场,也有汇聚作用。

（4）完美透镜效应

左手材料薄板对消逝波,即近场,也有汇聚作用。

因为在ε和μ全为负值的时候，能流的方向和波矢方向总是相反的，因此常规材料中的衰减场进入左手材料后会变为增强场，常规材料中的增强场进入左手材料后会变为衰减场。

指数衰减的倏逝场进入透镜左端面后将变为指数增强场，左手材料平板可对常规材料中的倏逝场进行放大。

从而使携带物体更微观细节信息的倏逝场参与了成像，突破了衍射极限，称之为完美透镜

10，电介质的定义及其分类

答：

电介质是指在电场的作用下能产生极化的一切物质。

广义上来说不仅包括绝缘材料，还包括各种功能材料，如压电、热释电、光电等材料

分类：

极性电介质和非极性电介质；绝缘电介质和功能电介质。

钙钛矿ABO3结构

钙钛矿结构通式可用ABO3来描述，晶体结构为立方晶系，A代表二价或一价金属，B代表四价或五价金属，结构特点是氧具有八面体结构。

钙钛矿化合物大多数具有铁电性，钙钛矿结构的铁电晶体其顺电—铁电相变属于位移相变。

BaTiO3是位移型铁电体的典型代表：

在120℃

在T<120℃时，结构转变为四方晶系4mm点群，有明显的铁电性。

在T≈0℃时，结构转变为正交晶系2mm点群，具有铁电性。

1、二次电光效应

为二次电光系数（Kerr）系数，为四阶张量，因此引入以下简化下标：

ij（或kl）

11

22

33

12,32

31,13

12,21

↓

↓

↓

↓

↓

↓

m（或n）

1

2

3

4

5

6

二次电光效应表示为：

与

的关系是：

2、m3m点群二次电光系数矩阵和电致伸缩系数矩阵

二次电光系数矩阵：

电致伸缩系数矩阵：