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1、Chapter3 Properties of Materials,1,光的吸收和透过光的反射和折射材料的颜色,3.6 光学性能Optical Property,380 nm,780 nm,2,可见光波长范围在380-780 nm。无线电波波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。微波波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。,1.光的基本性质1.2 电磁波谱,3,红外线（IR）分布在微波和可见光之间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。紫外线（UV）频率高于可见光，不能引起视觉，对生
2、命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。,4,X射线波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收更多的X射线，这就是为什么在X射线照片上显现的是骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可与原子尺寸相比拟。射线和宇宙射线 波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级射线产生于核反应及其他特殊的激发过程宇宙射线来自地球之外的空间。,5,可见光七彩颜色的波长和频率范围,人眼最为敏感的光是黄绿光，即555 nm 附近。,6,Chapter3 Properties of Mater
3、ials,7,与光学性能相关的光波：紫外线、可见光和红外线。材料对光的吸收源于光作用于材料中的原子时产生的电子极化和电子跃迁。,3.6.1 光的吸收和透过,能量吸收和光速变慢,电子的激发,电子跃迁：光的能量hv 电子能隙 Eg 时，电子从低能级跃迁到高能级。,Chapter3 Properties of Materials,8,金属材料：强反射（金属光泽）；不透明；价带与空带间的能隙小，光易被吸收。电子吸收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形式释放出能量回到低能态光波从接触表明到被吸收的过程只进入金属100 nm 左右深处，所以超过100 nm 厚的金属是不透明的。,Chapter3 Pro
4、perties of Materials,9,半导体和其它非金属材料：取决于能隙Eg；能量最高的光波波长是380 nm，则 Eg 3.26,不能吸收可见光，材料无色透明。Eg 1.59,所有可见光被吸收，材料不透明。1.59 Eg 3.26,部分光被吸收，材料呈现不同颜色。,能量最低的光波波长 760 nm 1.59 eV,Chapter3 Properties of Materials,10,几种无机材料的光透过曲线,一般的玻璃在紫外光区有较强的吸收，而石英和蓝宝石可以很好的透过紫外线，可以用作紫外光谱测量中的石英比色皿。,Si在红外波段有50的透过率，无杂峰，可以用作红外光谱测量的样品基片
5、。,Chapter3 Properties of Materials,11,高分子材料：无定形透明，结晶影响透明性（晶粒对光的散射）,Chapter3 Properties of Materials,12,金属材料：强反射（金属光泽）；电子吸收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形式释放出能量回到低能态。由于金属的反射率随光波的波长变化，因而呈现各种反射颜色。,3.6.2 光的反射和折射,几种金属材料的反射率随光波波长变化曲线,Chapter3 Properties of Materials,13,Ag在整个可见光区有很高的反射率，因此几乎所有可见光被反射，呈现出银白色。,Au和Cu在长波区有
6、较好的反射，而在短波区反射变弱，因而呈现金黄色和橙红色。,高于一定频率的光波会引起d电子激发到空的S轨道，此部分光被吸收而不能反射，对于Cu和Au，此频率落在可见光区，因此高频部分被吸收，而低频部分被反射，呈现特定颜色。,Chapter3 Properties of Materials,14,无机非金属材料：主要受介质的折射率差影响；当光线从一种介质入射另一种介质时，介质的折射率差别越大，反射就越强。材料的折射率受其结构影响。单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则光波传播受影响越大，从而折射率越大。原子半径越大(极化率大），折射率就越大。折射率是一个重要指标。例如光学透镜，折射率大，透镜可
7、以做得薄。,Chapter3 Properties of Materials,15,金属材料：颜色取决于其反射光的波长；无机非金属材料：颜色通常与光吸收特性有关；,3.6.2 材料的颜色,红宝石中Cr3+的颜色,Chapter3 Properties of Materials,16,导电性介电性铁电性压电性,材料被施加电场时所产生的响应行为.,3.4 电性能Electrical Property,Chapter3 Properties of Materials,17,2.1.3.5 Electrical property,电阻：,电导率：=1/,=nZe,要增加材料的导电性，关键是增大单位体积
8、内载流子的数目（n）和使载流子更易于流动（增大 值）。,3.4.1 导电性能Electrical Conductivity,l:材料的长度A：材料的截面积：电阻率,n:载流子的密度Ze：每个载流子的电荷数:载流子迁移率,Chapter3 Properties of Materials,18,2.1.3.5 Electrical property,能带理论（Band Theory）,能带的形成,金属晶体中含有不同的能带。满带：已充满电子的能带叫做满带。空带：部分填充或全空的能带，叫做空带。导带：空带获得电子后可以参与导电过程，又称为导带CB。价带：价电子所填充的能带称为价带VB。禁带：在半导体和
9、绝缘体中，满带与导带之间有一段空隙。,Chapter3 Properties of Materials,20,2.1.3.5 Electrical property,各种材料的能带结构,Chapter3 Properties of Materials,21,2.1.3.5 Electrical property,金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）,禁带宽度的大小决定了材料是具有半导体性质还是具有绝缘体性质。金属材料的价带和导带相互重合，温度越高，电子被激发到导带的数目越多，所以导电性能越强；半导体的禁
10、带宽度较小，当温度升高时，电子可以被激发传到导带，从而使材料具有导电性；绝缘体的禁带宽度很大，即使在较高的温度下，仍是电的不良导体。,Chapter3 Properties of Materials,23,2.1.3.5 Electrical property,3.4.2 介电性能 Dielectric Property,电容C（capacitance）电荷量q与电压V的比值：,平板电容计算：C=(A/L),：介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力；相对介电常数r：r=/0,C=q/V,3.4.2 介电性能 Dielectric Property,介电性：在电场作用下，材料表现出对静电能的 储
11、存和损耗的性质。原因：在外电场作用下产生的极化，即电极化。电介质：在电场作用下能够建立极化的物质。正负电荷中心分离 偶极子电极化 微观尺度的相对位移 偶极子,介电强度：一定间隔的平板电容器的极板间可以维持的最大电场强度。又称击穿电压。介电损耗：电介质在电压作用下所引起的能量损耗。介电损耗越小，绝缘材料的质量越好，绝缘性能也越好。,Chapter3 Properties of Materials,26,(2)Dielectric Property,某些介电材料的性能,27,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,铁电性外电场作用下电介质极化，而某些材料
12、在除去 外电场后仍保持部分极化状态，这种现象称为铁电性。,当铁电材料置于较强的电场中，永久偶极子增加并沿电场方向取向排列，最终所有偶极子平行于电场方向，达到饱和极化Ps当外代电场撤去后，材料仍处于极化状态，其剩余极化强度为Pr。,电滞回线,3.4.3 铁电性与压电性Ferroelectricity and Piezoelectricity,Chapter3 Properties of Materials,28,居里温度Tc Curie temperature 铁电体存在一临界稳度，高于此温度，铁电性消失，该温度称为居里温度。,高于居里温度时，正负电荷中心完全重合，不具有偶极矩,因此呈现非铁电性。,Chapter3 Properties of Materials,29,(4)Piezoelectricity,压电性 Piezoelectricity对铁电材料施加压力，导致极化发生改变，从而在样品两侧产生小电压，当外力消失，又恢复不带电原状；这一现象称为正压电性，简称压电性或压电效应。,当在材料两侧施加电压，可引起变形，电场去掉后，材料的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电滞伸缩现象。,正压电效应,逆压电效应,常用的压电陶瓷：BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、NH4H2PO4,
