lec8-9-材料的热性能

材料的光学性能OpticalPropertiesofMaterials杜宇雷材料科学与工程学院半导体的能带和电子分布能量价带价带EgEfEf/2Ef/2EgEfEeEvEvEeEgEfEeEv(a)本征半导体(b)N型半导体(c)P型半导体空穴电子PN结的能带和电子分布PN结空间电场区P区N区++++++Ef能量EePEVPEeNEVNP区N区EVPEePEeNEVNEfNEfPhfhf扩散电流漂移电流NP结PNPN结界面上由于多数载流子扩散运动形成内部空间电场区，该电场导致载流子的漂移运动，无外加电压时，两种运动处于平衡状态，能带发生倾斜。当外加正向电压时，内部电场被削弱，扩散运动加强，能带倾斜减小，在PN结形成一个增益区（粒子数反转分布区）可产生自发辐射。双异质结（DH)LD的工作原理示意图PGayAl1-yAsPGaAsNGaXAl1-XAsE能量N折射率P光功率电子复合异质势垒空穴＜5%－+(b)(a)(d)(c)双异质结（DH)LD的工作原理双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层，两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。LED(发光二极管)与LD（半导体激光器）1.粒子数反转[LED也具备]产生大量的受激辐射2.光反馈光放大(增益损耗)3.相位条件波长选择量子阱结构的应用：蓝－绿半导体激光二极管光的偏振态一、自然光和线偏振光E1E2自然光可分解为两振幅相等、振动方向互相垂直、没有恒定相位关系的偏振光。起偏器自然光通过起偏器变为线偏振动光。kk二、部分偏振光线偏振光光矢量只有一个振动方向。E振动状态介于自然光和线偏振光之间的光。kk振动面：光矢量E与传播方向组成的平面。偏振:E的振动方向对传播方向的不对称性。光矢量振动面v0HE只有横波才有偏振现象一、横波的偏振性偏振态:光矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态。线偏振光自然光部分偏振光椭圆偏振光圆偏振光二、线偏振光E播传方向振动面线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyExyxsincosEEEEyx·面对光的传播方向看线偏振光的表示法：·····光振动垂直板面光振动平行板面二.自然光没有优势方向自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。yxEEyxIII自然光的表示法：···三.部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。部分偏振光的表示法：······平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强··在垂直于光传播方向的平面内，右旋圆偏振光的电矢量随时间变化顺时针旋转yx0在垂直于光传播方向的固定平面内，光矢量的大小不变，但随时间以角速度旋转，其末端的轨迹是圆。这种光叫做圆偏振光。若圆偏振光的光矢量随时间变化是右旋的，则这种圆偏振光叫做右旋圆偏振光，反之，叫做左旋圆偏振光。圆偏振光光矢量端点的轨迹呈圆状的。xyOEAA两线偏振为)2πcos(costAEtAEyxxy在垂直于光传播方向的固定平面内,光矢量的方向和大小都在随时间改变,光矢量的端点描出一个椭圆,这样的偏振光叫做椭圆偏振光.左旋椭圆偏振光电矢量随时间逆时针旋转椭圆偏振光光矢量端点的轨迹呈椭圆状的。A2OExyA1互相垂直的线偏振光为EAtEAtxy12coscos()(式中0或)在迎着光的传播方向看去，沿顺时针方向旋转，称为右旋椭圆偏振光；沿逆时针方向旋转，称为左旋椭圆偏振光。起偏和检偏马吕斯定律一、偏振片的起偏和检偏起偏：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。检偏：检查入射光的偏振性。偏振化方向自然光偏振片线偏振光I?P待检光I不变？是什么光I变，有消光？是什么光I变，无消光？是什么光反射和折射光的偏振反射和折射时光的偏振1n2nir自然光部分偏振光反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化部分偏振光反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等于某一特定值i0且满足120nnitg这时反射光成为线偏振光。布儒斯特定律0ir1n2n自然光线偏振光部分偏振光20ri0i起偏振角布儒斯特角二.马吕斯定律I0IPPE0E=E0cos20cosII0max0III，02I，马吕斯定律（1809）——消光-----线偏振光的振动方向与检偏器的偏振化方向之间的夹角。双折射一.双折射现象对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以观察到有两束折射光的现象。n1n2irore(各向异性媒质)自然光寻常光线(o光)-----遵守折射定律非常光线(e光)-----不遵守折射定律o光和e光都是线偏振光。光光当方解石晶体旋转时，o光不动，e光围绕o光旋转双折射纸面方解石晶体二、晶体的光轴与主平面当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。“光轴”是一特殊的“方向”,不是指一条直线。凡平行于此方向的直线均为光轴。单轴晶体：只有一个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体AB光轴102°CRT显示技术关于几种显示技术的讨论液晶显示技术有机电致发光(OLED)纳米碳管显示器纳米碳管具有优异的场发射性能，而且在空气中稳定同时具有较低工作电压和大的发射电流等优点，直径细小的纳米碳管可以用来制作极细的电子枪，在室温及低于80伏的偏置电压下，即可获得0.1～1微安的发射电流。另外，开口纳米碳管比封闭纳米碳管具有更好的场发射特性。与目前的商用电子枪相比，纳米碳管电子枪具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、无需加热和无需高真空等优点。无机材料的红外光学性能红外透过、红外探测、电光效应、光折变效应、磁光效应材料的热性能ThermalPropertiesofMaterials杜宇雷材料科学与工程学院热性能（thermalproperties）包括熔点、热容、热膨胀、热传导率等，是材料的重要物理性能之一，在材料的基础研究和工程应用上都具有重要的意义。纯铁的相变研究航天飞机的隔热瓦熔点材料的热容固体热容由两部分组成：一部分来自晶格振动的贡献，称为晶格热容；另一部分来自电子运动的贡献，称为电子热容。除非在极低温度下，电子热容是很小的（常温下只有晶格热容的1％）。热容是固体原子热运动在宏观性质上的最直接体现CETVV经典热容理论杜隆爱因斯坦德拜爱因斯坦量子热容理论德拜量子热容理论固体热容理论的发展：由实验得知所有原子晶体如(C、Ag、Ca……)在温度较高时，其Cv→3R（约25J·mol-1·K），当温度趋于绝对零度Cv→0，低温时Cv与T3近似地成正比。晶体热容实验事实Dulong－Petit1819年发现大多数固体常温下的摩尔热容量差不多都等于一个与材料和温度无关的常数值（25J/mol﹒K），这个结果就称为Dulong－Petit定律。经典热容理论：根据经典统计中的能量均分定理，受简谐力作用的原子像一组谐振子，每个自由度的平均总能量为kBT，一摩尔固体中有个原子，有3NA个简谐振子,所以每摩尔晶体晶格的振动能为：3ABENkT3const.VABVECNkT-11-1136.022171.38062JmolK24.9430JmolKVCAN典型金属元素定压比热随温度的变化的测量值同DulongandPetit定律的比较。这里Cp＝Cv因此，经典的能量均分定理可以很好地解释室温下晶格热容的实验结果。困难：低温下晶格热容的实验值明显偏小，且当T0时，CV0，经典的能量均分定理无法解释。Einstein模型1907年Einstein用量子论解释了固体热容随温度下降的事实，这是1905年Einstein首次用量子论解释光电效应后，量子论的又一巨大成功，对于人们从经典理论的思想束缚中解放出来起了巨大作用。所以它的意义远远超过了解释固体热容本身的价值。Einstein保留了原子热振动可以用谐振子描述的观点，但放弃了能量均分的经典观念，而假定其能量是量子化的：1()2iiin假设：晶体中各原子的振动相互独立，且所有原子都以同一频率0振动。振子受热激发所占的能级是分立的，它的能级在0k时为1/2ħ------零点能。依次的能级是每隔ħ升高一级，一般忽略零点能。nEn=nħ+1/2ħ2101.振子能量量子化：根据波尔兹曼能量分布规律，振子具有能量nħ的几率：exp(-nħ/kBT)3.在温度Tk时以频率振动振子的平均能量nħ[exp(-nħ/kBT)]exp(-nħ/kBT)n=0n=0E()=－ħexp(ħ/kBT)－1=2.振子在不同能级的分布服从波尔兹曼能量分布规律热容：Cv=3NkB(ħ/kBT)2exp(ħ/kBT)/(exp(ħ/kBT)－1)23const.VABVECNkTTE=ħ/kB（爱因斯坦温度）2233()(1)EETTEEVBBETTTeTCNkNkfTTe称作Einstein热容函数，它是温度的函数：()EETfT高温下：TTE1ETT利用公式可以给出：这正是Dulong－Petit定律的结果。因为高温下，谐振子处于高激发态，比量子阶梯大的多，振动谱的量子性质变得不那么重要了，就是经典理论描述的结果。BEkTBkT()1EETfT2233()(1)EETTEEVBBETTTeTCNkNkfTTeCv=3NkB在低温下：TTE很显然，表达式中指数项起主要作用，温度下降，热容量降低。当T0时，CV0，这与实验结果定性符合。但更精细的实验结果表明，当温度很低时，CV∝T3，这说明Einstein理论假定单一频率是过分简单.1ETTe23ETETVBTCNkeT2233()(1)EETTEEVBBETTTeTCNkNkfTTe尽管模型仍有不足之处，但Einstein使用一个可调参数TE(ωE)就可以基本解释热容－温度关系的做法应当看作是理论物理工作的一个典范之作。这充分说明，能量量子化才是理解晶格振动问题的关键，这也间接印证了提出用声子概念讨论晶体性质的必要性。金刚石比热测量值与Einstein模型给出结果的比较。1320KETTE=ħ/kBDebye模型：Einstein把固体中各个原子的振动看作相互独立的，因而3N个振动频率都相同。而实际原子之间有很强的相互作用，振动格波的频率不是固定的，而是有一个分布。Debye（1912）修正了原子是独立谐振子的概念，而考虑晶格的集体振动模式，他假设晶体是连续弹性介质，原子的热运动以弹性波的形式发生，每一个弹性波振动模式等价于一个谐振子，能量是量子化的，并规定了一个弹性波频率上限称之为德拜频率。DDebye模型的假设：Debye模型德拜温度ħm/kB=D德拜温度------晶体具有的固定特征值。nav=exp(ħm/kBT)－11当exp(ħm/kBT)－11时，平均声子数大于1，能量最大的声子被激发出来。当TD时，能量最大的声子被激发出来。即德拜温度是最大能量声子被激发出来的温度.当TD时，nav=kBT/ħm原子越轻、原子间的作用力越大，max越大，D越高。Debye模型的不足三种热容理论小结：Dulong-Pertit:把晶格中原子看做相互独立的粒子，服从能量均分定理。Einstein:把晶体中原子看成是具有相同频率、并在空间自由振动的独立振子。引用了晶格振动能量量子化即声子的概念。Debye:格波的频率有一定分布，即不为常数。德拜考虑到低温下只有频率较低的长声学波对热容才有重要的贡献，可用连续介质中的弹性波来描述。无机材料的热容：无机材料的热容影响热容的因素：1.温度对热容的影响高于德拜温度时，