结构陶瓷ch.2.1之7-透明氧化铝陶瓷分析课件.ppt
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1、Zhengzhou UniversityZhengzhou University七、氧化铝透明陶瓷七、氧化铝透明陶瓷氧化铝透明陶瓷1Zhengzhou UniversityZhengzhou University透明陶瓷?良好的透光性和其他性能透明陶瓷?良好的透光性和其他性能氧化铝透明陶瓷2Zhengzhou UniversityZhengzhou UniversityI0If= I0- I吸收吸收- I反射反射氧化铝透明陶瓷3Zhengzhou UniversityZhengzhou University光波和物质作光波和物质作用的用的两种效应两种效应折射和双折射现象折射和双折射现象(光速减
2、慢)(光速减慢)消光现象消光现象散射散射 (scattering)(scattering)现象现象吸收吸收 (absorption)(absorption)现象现象( (部分光波沿其它方向传播部分光波沿其它方向传播) )( (光能转换成其它形式的能量光能转换成其它形式的能量) )(光能减弱)(光能减弱) 当光波在当光波在媒质中媒质中传播时,由于光波和物质的相互传播时,由于光波和物质的相互作用,一般呈现两种效应作用,一般呈现两种效应 :氧化铝透明陶瓷4Zhengzhou UniversityZhengzhou University(1)介质对光波的吸收)介质对光波的吸收n入射光的能量变为物质的内
3、能,这种现象就是物质对光的吸收。n在金属、半导体介质等内部传播时,光波消耗能量激发电子的振动。n吸收系数与介质有关,也与波长有关价价 带带导导 带带h Eg半导体吸收光产生半导体吸收光产生自由电子示意图自由电子示意图氧化铝透明陶瓷5Zhengzhou UniversityZhengzhou Universityn能级理论是一种解释原子核外电子运动轨道的一种理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动,各个轨道上的电子具有分立的能量,这些能量值即为能级能级。 氧化铝透明陶瓷6Zhengzhou UniversityZhengzhou University氧化铝透明陶瓷7Zhengzhou Un
4、iversityZhengzhou Universityn量子力学计算表明,固体中若有量子力学计算表明,固体中若有N个原子,由于个原子,由于各原子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每各原子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了一个能级,变成了N条靠得很近的能级,称为条靠得很近的能级,称为能能带带。能能 带?带?氧化铝透明陶瓷8Zhengzhou UniversityZhengzhou University电子数量增加时能级扩展成能带电子数量增加时能级扩展成能带 氧化铝透明陶瓷9Zhengzhou UniversityZhengzhou Universityn半导体是由大量原子按一
5、定的规律排列所组成。半导体是由大量原子按一定的规律排列所组成。由于原子间的相互作用,各原子外层的轨道互相由于原子间的相互作用,各原子外层的轨道互相重迭,称为能级。重迭,称为能级。氧化铝透明陶瓷10Zhengzhou UniversityZhengzhou Universityl 价带(价带( 满带:排满电子,简写满带:排满电子,简写EV )l 价带价带(非满带:能带中一部分能级排满电子,(非满带:能带中一部分能级排满电子, 亦称导带,亦称导带,一般出现在金属中。)一般出现在金属中。)l 空带(未排电子)空带(未排电子) 亦称亦称导带,简写导带,简写ECl 禁带(不能排电子)禁带(不能排电子)空
6、带空带 价带价带 (非满带非满带)禁带禁带Eg导带导带禁带禁带Eg价带价带 (满带满带)导带导带E氧化铝透明陶瓷11Zhengzhou UniversityZhengzhou Universityn在在金属金属中,中,n由由于价于价带与导带是重叠的,它们之间没有能隙,因此,带与导带是重叠的,它们之间没有能隙,因此,无论入射光子的能量无论入射光子的能量h多多小,电子都可以吸收它而跃小,电子都可以吸收它而跃迁到一个新的能态上去。金属能吸收各种波长的光,迁到一个新的能态上去。金属能吸收各种波长的光,因而是不透明的。因而是不透明的。价带禁带(Eg)导带氧化铝透明陶瓷12Zhengzhou Univer
7、sityZhengzhou Universityn对于多数对于多数绝缘体绝缘体,n由于在价带和导带间有大的能隙,电子不能获得足够由于在价带和导带间有大的能隙,电子不能获得足够的能量逃逸出价带,因此也就不发生吸收。如果光子的能量逃逸出价带,因此也就不发生吸收。如果光子不与材料中的缺陷有交互作用,则绝缘体就是透明的,不与材料中的缺陷有交互作用,则绝缘体就是透明的,如玻璃、高纯度的结晶陶瓷和无定形聚合物等。如玻璃、高纯度的结晶陶瓷和无定形聚合物等。价带禁带( Eg)导带氧化铝透明陶瓷13Zhengzhou UniversityZhengzhou Universityn对对半导体半导体而言,而言,n其
8、能隙小于绝缘体,因此,在不同波长的光照射下,其能隙小于绝缘体,因此,在不同波长的光照射下,半导体可能允许某种光透过,也可能对某种光是不透半导体可能允许某种光透过,也可能对某种光是不透明的。明的。价带禁带( Eg)导带锗的禁带宽度为0.785ev;硅的禁带宽度为1.12ev;砷化镓的禁带宽度为1.424ev。氧化铝透明陶瓷14Zhengzhou UniversityZhengzhou Universityn当有光照时,价带中的电子可能获得能量跃过禁带进入导当有光照时,价带中的电子可能获得能量跃过禁带进入导带,而在价带中留下空穴。在外加电场作用下,导带中的带,而在价带中留下空穴。在外加电场作用下,
9、导带中的电子就会产生定向运动而形成电流。电子就会产生定向运动而形成电流。氧化铝透明陶瓷15Zhengzhou UniversityZhengzhou University某一半导体材料的吸收光谱某一半导体材料的吸收光谱 氧化铝透明陶瓷16Zhengzhou UniversityZhengzhou Universityn基本吸收基本吸收:谱范围在紫外可见光近红:谱范围在紫外可见光近红外光。电子从价带跃迁到导带引起光的强外光。电子从价带跃迁到导带引起光的强吸收,吸收系数很高(吸收,吸收系数很高(105106cm-1),常),常伴随可以迁移的电子和空穴,出现光电导。伴随可以迁移的电子和空穴,出现光电
10、导。n吸收边缘界限吸收边缘界限:在它的低能量端,吸收系数陡然下降,称为吸收边缘。边缘界限对应于价带电子吸收光子(h=Eg)跃迁至导带的长波限,波长大于此限的光(hEg)不能引起本征吸收。n亦即电子跃迁跨越的最小能量间隙,其中对于非金属材料,还常伴随激子(受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统激子)的吸收而产生精细光谱线。氧化铝透明陶瓷17Zhengzhou UniversityZhengzhou Universityn自由载流子吸收自由载流子吸收:导带中电子或价带中空穴在同一带中吸收光子能量所引起的,它可以扩展到整个红外甚至扩展到微波波段,吸收系数是电子(空穴)的浓度的函数,金属材
11、料载流子浓度较高,因而这一区吸收谱线强度很大,甚至掩盖其它吸收区光谱。n晶体振动引起的吸收晶体振动引起的吸收:入射光子和晶格振动(声子)相互作用引起的,波长在2050 m。n杂质吸收杂质吸收:杂质在本征能带结构中引入浅能级,电离能在0.01 eV左右,只有在低温下易被观察到。n自旋波或回旋共振吸收自旋波或回旋共振吸收:自旋波量子、回旋共振与入射光产生作用,能量更低,波长更长,达到mm量级 。氧化铝透明陶瓷18Zhengzhou UniversityZhengzhou University电磁波谱电磁波谱波长与频率的对应关系波长与频率的对应关系 氧化铝透明陶瓷19Zhengzhou Univer
12、sityZhengzhou University氧化铝透明陶瓷20Zhengzhou UniversityZhengzhou University不同波谱范围和它们对应的能级跃迁不同波谱范围和它们对应的能级跃迁电子能级?振动能级?转动能级?氧化铝透明陶瓷21Zhengzhou UniversityZhengzhou University(2)光的散射)光的散射n由于光子与物质分子(或微小粒子)相互碰撞,使光子的运动方向发生改变而向四周传播的现象。氧化铝透明陶瓷22Zhengzhou UniversityZhengzhou University陶瓷的微观结构陶瓷的微观结构氧化铝透明陶瓷23Zhe
13、ngzhou UniversityZhengzhou University普通陶瓷不会透光的原因普通陶瓷不会透光的原因n陶瓷对光的表面反射损失(reflection loss) :陶瓷对可见光(0.40.7m)的反射为79 ;n吸收损失(absorbing loss) :光通过陶瓷体时引起电子跃迁或原子振动;n散射损失(dispersion loss ) :陶瓷体内异物的存在,或瓷体不均匀,导致散射中心的存在。当气孔和晶粒、杂质的尺寸和入射光波长相同时,散射最大。氧化铝透明陶瓷24Zhengzhou UniversityZhengzhou University 光通过介质时,散射会使透射光的强
14、度减弱,当仅考虑光通过介质时,散射会使透射光的强度减弱,当仅考虑散射时,透射光遵从指数衰减规律:散射时,透射光遵从指数衰减规律:lseII0 实际上介质对光的吸收和散射同时存在,故透射光的实际上介质对光的吸收和散射同时存在,故透射光的强度为:强度为: lseII)(0式中式中 为吸收系数,(为吸收系数,( + )为衰减系数。)为衰减系数。s式中式中I0为入射光强,为入射光强, 为散射系数。为散射系数。s氧化铝透明陶瓷25Zhengzhou UniversityZhengzhou UniversityZhengzhou UniversityZhengzhou Universityn减少表面反射损
15、失不是影响固体材料透明的决定性因素;n小的吸收系数重要因素;n降低散射可控制因素。氧化铝透明陶瓷27Zhengzhou UniversityZhengzhou Universityn一些氧化物陶瓷在可见光范围内吸收系数很小;n高密度:烧结体密度接近理论密度;n晶界处不存在气孔,或气孔尺寸远小于可见光波长;n晶界处不存在杂质或玻璃相;n晶粒尺寸均一;n表面光洁度高。氧化铝透明陶瓷28Zhengzhou UniversityZhengzhou Universityn气孔率气孔率n晶界结构晶界结构n原料与添加剂原料与添加剂n烧成气氛烧成气氛n表面加工光洁度表面加工光洁度氧化铝透明陶瓷29Zhengz
16、hou UniversityZhengzhou University气气孔率孔率n对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率。对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率。充分致密、无气孔充分致密、无气孔的陶瓷是具有良的好透光性的的陶瓷是具有良的好透光性的必要条件。必要条件。n普通的陶瓷即使具有较高的致密度,往往也不是普通的陶瓷即使具有较高的致密度,往往也不是透明的,这是因为其中有很多封闭的气孔。透明的,这是因为其中有很多封闭的气孔。n研究表明,总研究表明,总气孔率超过气孔率超过1%的氧化物陶瓷基本的氧化物陶瓷基本是不透明的,是不透明的,因为气孔的折射率非常低因为气孔的折射率非常低(约为约为1.0)
17、,和基体和基体Al2O3折射率差别大,气孔与多晶体本身折折射率差别大,气孔与多晶体本身折射率相差很大造成入射光的强烈散射射率相差很大造成入射光的强烈散射。氧化铝透明陶瓷30Zhengzhou UniversityZhengzhou Universityn陶瓷内部的气孔可存在于晶体之间和晶体内部。晶体之间(晶界处)的气孔处于晶界上容易排除,而晶体内部的气孔即使是小于微米级的也很难排除。n因此,晶体内部气孔对于获得透明陶瓷是非常危险的。为此要从每一个工艺阶段:原料粉体的制备、预烧、烧成,来防止气孔的产生。氧化铝透明陶瓷31Zhengzhou UniversityZhengzhou Universi
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