Bài giảng Vật liệu học - Chương 6: Tính chất quang của vật liệu - Nguyễn Văn Dũng

LOGO 1
2Ánh sáng được phát ra từ các vật liệu (nguồn sáng) như:
ü Ánh sáng trắng từ mặt trời
ü Ánh sáng phát ra từ đám cháy
ü Ánh sáng phát ra từ đèn tròn
ü Ánh sáng vàng phát ra từ đèn natri
ü Ánh sáng từ phản ứng hóa học
ü Ánh sáng từ sinh vật
3ü Ánh sáng có bản chất là sóng điện từ (electromagnetic radiation).
ü Ánh sáng có các bức xạ ở dạng sóng (wave) và các lượng tử
(photon) dạng hạt (particle) được phát ra từ vật liệu.
4Các thông số quan trọng của ánh sáng là:
ü Năng lượng photon E
ü Bước sóng (wavelength) λ
ü Tần số (frequency) v
Mối liên hệ của các thông số này:
h – hằng số Planck = 6,6262.10-34 J.s
c – tốc độ ánh sáng trong chân không = 3.108 m/s
5
6Mắt con người chỉ thấy được:
ü Bước sóng từ 400 – 700 nm
(visible light)
ü Năng lượng từ 1,8 eV to 3,1 eV
ü Tần số từ 4,3x1014 đến 7,5x1014 Hz
Tím Xanh dương Xanh lá cây Vàng Cam Đỏ
Violet Blue Green Yellow Orange Red
7Khi chiếu 1 tia ánh sáng vào chất rắn, có thể xảy ra các hiện tượng sau:
ü Phản xạ (reflection)
ü Truyền qua (transmission)
ü Hấp thụ (absorption)
ü Khúc xạ (refraction)
Mỗi vật liệu sẽ
có khả năng
khác nhau với
các hiện tượng
trên.
8Incident: I0
Absorbed: IA
Transmitted: IT
Scattered: IS
Reflected: IR
ART IIII ++=0 = T + R + A
Cường độ (intensity) của tia ánh sáng tới (I0) bị tách thành các 
tia phản xạ (IR), truyền qua (IT) và hấp thụ (IA) 
Ø Tỉ số IT/I0 = T là hệ số truyền qua (transmissivity)
Ø Tỉ số IA/I0 = A là hệ số hấp thu (absorptivity)
Ø Tỉ số IR/I0 = R là hệ số phản xạ (reflectivity) 
9Hai trong các tương tác quan trọng
nhất là sự phân cực điện tử
(electronic polarization) và sự
chuyển mức năng lượng điện tử
(electron energy transitions)
Hiện tượng quang học xảy ra trong lòng chất rắn bao gồm các tương
tác giữa bức xạđiện từ với các điện tử, ion và nguyên tử
10
+
no 
transmitted 
light
transmitted 
light +
electron 
cloud 
distorts
Ø Bản chất ánh sáng là sóng điện từ, nên có tương tác với đám
mây electron bao quanh nguyên tử, tạo nên sự phân cực điện tử.
Ø Hệ quả:
ü Đám mây electron của nguyên tử bị biến dạng, lệch so với hạt
nhân
ü Một phần năng lượng ánh sáng bị hấp thụ
ü Vận tốc ánh sáng bị chậm lại, tạo nên sự khúc xạ
11
Electron thuộc lớp vỏ nguyên tử, ion nhận năng lượng ánh sáng, nhảy
từ trạng thái bền (ground state) lên trạng thái kích thích (excited
state)
Chỉ những bức xạ có năng
lượng thích hợp mới giúp
electron chuyển sang trạng
thái kích thích (bước sóng đó
bị hấp thụ).
12
Ø Điện tử tiếp nhận năng lượng từ photon và nhảy lên mức năng lượng cao
hơn → hấp thụ tự phát
Ø Điện tử bức xạ ra năng lượng dưới dạng photon và nhảy xuống mức năng
lượng thấp hơn → bức xạ tự phát
q Các đặc trưng quang học của chất rắn biểu hiện qua sự hấp thụ và bức
xạ các sóng điện từ
13
Ánh sáng bị giảm vận tốc (giảm bước sóng, tần số không đổi) và đổi hướng
khi truyền qua vật liệu. Chỉ số khúc xạ (chiết suất) n được định nghĩa là:
14
n1
n2
=
sin f2
sin f1
n2
n1
n2 < n1
 f1
cf
 f2
Sợi quang học (optical fiber) là vật liệu có chiết suất n cao để mà toàn
bộ ánh sáng phản xạ bên trong và không thoát khỏi vật liệu.
f1 = góc tới
f2 = góc khúc xạ
fc = góc tới hạn 
khi f2 = 90°
Khi f1 > fc, ánh sáng bị phản xạ bên trong
Chiết suất phụ thuộc vào bản chất vật liệu và bước sóng tới (hiện tượng tán 
sắc)
15
§ Kim loại phản xạ hầu như toàn bộ ánh sáng (có ánh kim), R = 
0,90 – 0,95. Thủy tinh có R ≈ 0,05.
tyreflectivi
1
1 2
=÷
ø
ö
ç
è
æ
+
-
=
n
nR
%1717.0
141.2
141.2 2
==÷
ø
ö
ç
è
æ
+
-
=R
VD: kim cương có hệ số phản xạ là
§ Cu và Au hấp thụ tia blue và green nên
có màu vàng
16
Kim loại hấp phụ photon bởi quá trình chuyển mức electron
Energy of electron
Planck’s constant 
(6.63 x 10-34 J/s)
freq. 
of 
incident 
light
filled states
unfilled states
DE = hn required!
Io
ü Kim loại có một dãy trạng thái năng lượng kế tiếp nhau, nên có thể
hấp thụ nhiều bước sóng khác nhau
ü Electron ngoài bề mặt kim loại hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và bức
xạ lại sóng ánh sáng cùng tần số
17
Với vật liệu phi kim loại, năng lượng photon giúp kích thích electron từ
vùng hóa trị lên vùng dẫn với điều kiện:
Với bước sóng vùng khả kiến (400 – 700 nm); 1,8 eV < Eg < 3,1 eV
hay
18
incident photon 
energy hn
Energy of electron
filled states
unfilled states
Egap
Io
violet light: hn = 3.1 eV
red light: hn = 1.8 eV
Quá trình hấp thụ photon xảy ra khi hv > Eg
Nếu Eg < 1,8 eV, vật liệu hấp thụ toàn bộ, màu đen (C, Si, GaAs)
Nếu Eg > 3.1 eV, vật liệu hoàn toàn không hấp thụ, không màu (kim cương)
Nếu Eg ở giữa, vật liệu hấp thụ chọn lọc, có màu cụ thể.
19
Phần ánh sáng truyền qua là phần còn lại sau khi hấp thụ và phản xạ,
→ Cường độ tia ló bị giảm và phụ thuộc vào bước sóng.
Tỉ lệ các hiện tượng theo bước sóng tới trên một thủy tinh xanh dương
20
Ø Màu của vật liệu trong suốt là kết quả của quá trình
hấp thụ chọn lọc ánh sáng, là sự kết hợp của những
bước sóng được truyền qua.
Ø Nếu sự hấp thụ là đồng đều cho tất cả các bước
sóng, vật liệu là không màu.
VD: thủy tinh tinh khiết, kim cương tinh khiết, đá sapphire.
Ø Dựa vào Eg, vật liệu chỉ hấp phụ một phần bước
sóng ánh sáng, màu khác nhau.
VD: CdS có Eg = 2,4 eV, hấp thụ bước sóng năng lượng
cao (blue, violet), nên những tia đỏ, vàng, vàng cam
truyền qua tạo màu cho nó.
21
Khi có tạp chất, Eg thay đổi, vật liệu thay đổi màu. VD: sapphire không màu,
khi thêm phụ gia Cr2O3 (0.5 to 2%) có màu đỏ ruby.
22
q Mức độ truyền qua và mức độ đục của vật liệu điện môi trong suốt phụ
thuộc vào đặc trưng phản xạ và truyền qua nội tại của vật liệu
ü Tia sáng truyền qua bị làm lệch hướng tại các vị trí biên của các đa
tinh thể và lan truyền nhiều lần trong vật liệu
ü Độ đục của vật liệu là khi tia sáng tới bị va chạm tán xạ (scattering)
trên bề mặt vật liệu, tia sáng không truyền qua được, bị lệch hướng
VD: Tính mờ đục của Al2O3
đơn tinh thể, đa tinh thể và bị
khuyết tật (chứa mao quản)
23
activator 
level
Valence band
Conduction band
trapped 
statesEg
Eemission
Ø Sự phát quang (luminescence) là sự phát ra ánh sáng từ vật liệu.
ü Vật liệu có thể hấp thụ ánh sáng với một tần số nhất định và phát
ra một tần số khác thấp hơn (ngoài ra còn có phát nhiệt).
ü Ngoài ánh sáng, có thể sử dụng các
dạng năng lượng khác như nhiệt
năng, cơ năng, hóa năng, điện tử
năng lượng cao,
ü Phân loại: huỳnh quang
(fluorescence) và lân quang
(phosphorescence)
24
Ø Dựa trên khoảng thời gian trễ giữa hấp thụ và tái phát xạ, phân
loại:
ü Thời gian tái phát xạ nhỏ hơn 1 giây nhiều («1s) - huỳnh quang
ü Thời gian tái phát xạ lớn hơn - lân quang
25
Ø Hiện tượng hồ quang điện ở điện cực âm giúp phóng ra e, e di
chuyển về cực dương, ion hóa khí trơ (tạo môi trường plasma) và
kích thích Hg phát tia cực tím, tia này kích thích phosphor (P) phát
huỳnh quang ánh sáng trắng.
26
Ø Sử dụng trong màn hình tivi CRT (Cathode Ray Tube)
ü Sử dụng tia cathod để phát dòng electron
ü Electron kích thích phosphor (P)
ü P phát ra ánh sáng nhìn thấy với màu sắc tùy phụ gia
Phụ gia tạo màu:
ZnS (Ag+ & Cl-):
Blue
(Zn, Cd) S + (Cu++Al3+): 
Green
Y2O2S + 3% Eu:
Red
27
ü Quá trình này có thể giải phóng
năng lượng dưới dạng ánh
sáng (hay các bức xạ điện từ
có bước sóng gần đó).
ü Một số trường hợp khác phát
nhiệt và không phát sáng (Si,
Ge)
được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p
ghép với một khối bán dẫn loại n.
ü Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi
chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành
các nguyên tử trung hòa.
28
Màu sắc Bước sóng [nm] Điện áp [ΔV] Vật liệu
Hồng ngoại λ > 760 ΔV < 1.63 GaAs, AlGaAs
Đỏ 610 < λ < 760 1.63 < ΔV < 2.03 AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP
Cam 590 < λ < 610 2.03 < ΔV < 2.10 GaAsP, AlGaInP, GaP
Vàng 570 < λ < 590 2.10 < ΔV < 2.18 GaAsP, AlGaInP, GaP
Xanh lá 500 < λ < 570 1.9 < ΔV < 4.0 InGaN, GaN, GaP, AlGaInP, AlGaP
Xanh da trời 450 < λ < 500 2.48 < ΔV < 3.7 ZnSe, InGaN, SiC
Tím 400 < λ < 450 2.76 < ΔV < 4.0 InGaN
Đỏ tía Nhiều loại 2.48 < ΔV < 3.7 red phosphor, purple plastic
Tia cực tím λ < 400 3.1 < ΔV < 4.4
Kim cương (235 nm), BN (215 nm) 
AlN (210 nm), AlGaInN (210 nm) 
Hồng Nhiều loại ΔV ~ 3.3
Vàng với lớp phosphor đỏ
Trắng với thuốc nhuộm/pigment hồng
Trắng Phổ rộng ΔV = 3.5 Kết hợp nhiều loại diode
29
Ø OLED: đèn LED từ polimer dẫn
điện hữu cơ
ü Ưu điểm: nhẹ, trong suốt, phát
sáng 2 chiều, uốn cong được,
ứng dụng làm màn hình tivi, điện
thoại,
30
Ø Hiệu ứng quang điện (photoelectric effect) là
hiện tượng điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau
khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ.
n-type Si
P-type Si
p-n junction
B-doped Si
Si
Si
Si SiB
hole
P
Si
Si
Si Si
conductance 
electron
P-doped Si
31
Pin quang hóa (solar cell) hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện
32
Ø Khi chiếu một photon tới vật liệu đang ở trạng thái kích thích, vật
liệu sẽ phát ra 2 photon, cường độ photon chiếu ra tăng lên.
33
Ø Một số vật liệu có tồn tại trạng thái chuyển tiếp siêu bền, electron bị kích
thích nằm ở trạng thái siêu bền (trong khoảng thời gian microsecond đến
milisecond)
Rất nhanh và phát nhiệt
X X X X XXX
Chậm hơn, phát quang và xảy ra một lượt
Trạng thái siêu bền
34
ü Sử dụng một nguồn năng lượng (ánh sáng, nhiệt, dòng e từ
nguồn điện,) để duy trì e ở trạng thái kích thích (siêu bền).
ü Mật độ electron ở trạng thái kích thích nhiều hơn trạng thái cơ
bản.
35
Ø Photon phát xạ kích thích làm tăng cường độ tia ló, tia ló lại phát xạ
kích thích tiếp theo cơ chế dây chuyền làm tăng cường độ tia
laser phát ra rất nhiều lần.
36
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (khuếch đại
ánh sáng bằng phát xạ kích thích)
Ứng dụng của tia laser:
hàn, khoan, cắt, trong y
học, khắc lên vật liệu gốm,
in ấn, ghi đĩa DVD, đo
khoảng cách trong không
gian, vũ khí quân sự, v.v
37
Sợi quang học là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, sử
dụng ánh sáng để truyền tín hiệu.
38
Core: sợi quang nơi ánh sáng đi (có chiết suất cao)
Cladding: bao bọc lõi và phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi (có chiết suất thấp
hơn)
Buffer coating: lớp phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi không bị hỏng và ẩm ướt
Jacket: hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang được đặt trong bó gọi là cáp
quang, những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài gọi là jacket.
39
Ø Phát: Một điốt phát sáng (LED) hoặc laser truyền dữ liệu xung ánh sáng
vào cáp quang.
Ø Nhận: sử dụng cảm ứng quang chuyển xung ánh sáng ngược thành
data.
Ø Đặc điểm: truyền ánh sáng nên nhanh, độ suy yếu thấp, mỏng, dung
lượng truyền tải cao, không bị nhiễu, ảnh hưởng của thời tiết, không sợ
hỏa hoạn, v.v
40
Ứng dụng:
41
Vật liệu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời, giúp electron bị kích
thích lên vùng dẫn: UV + MO → MO (h + e−)
h+ + H2O → H+ + •OH
2 h+ + 2 H2O → 2 H+ + H2O2
H2O2→ HO• + •OH
e− + O2 → •O2
•O2− + HO•2 + H+ → H2O2 + O2
HOOH → HO• + •OH
Các gốc tự do tạo ra có hoạt tính oxi hóa mạnh
Ứng dụng: tổng hợp hydrogen, oxi hóa xử lý môi trường, tổng hợp hữ
cơ, diệt khuẩn,