材料分析方法期末報(bào)告---關(guān)于光學(xué)材料的分析研究一、引言光充滿(mǎn)著整個(gè)宇宙，各種星體都在發(fā)光：遠(yuǎn)紅外光、紅外光、可見(jiàn)光、紫外光，以及X射線等。人類(lèi)生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠燈光，夜間還要靠星光。要利用光，就要?jiǎng)?chuàng)造工具，就要有制造工具的材料—光學(xué)材料。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨子就研究光的傳播規(guī)律，出現(xiàn)了最古老的光學(xué)材料—青銅反光鏡。17世紀(jì)，瑞士人紀(jì)南熔制出光學(xué)玻璃，主要用于天文望遠(yuǎn)鏡；隨后，歐洲出現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡和三色棱鏡，人造光學(xué)玻璃成為主要光學(xué)材料。20世紀(jì)初，以望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、光譜儀以及物理光學(xué)儀器四大類(lèi)為主體，建立了光學(xué)工業(yè)。科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類(lèi)生活等需要使用顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、經(jīng)緯儀、攝像機(jī)等各種光學(xué)儀器，核心部分都是由光學(xué)材料制造的光學(xué)零件。光學(xué)材料已成為人類(lèi)社會(huì)必不可少的功能材料。光學(xué)材料是傳輸光線的材料，這些材料以折射、反射和透射的方式，改變光線的方向、強(qiáng)度和位相，使光線按預(yù)定要求和路徑傳輸，也可吸收或透過(guò)一定波長(zhǎng)范圍的光線而改變光線的光譜成分。光學(xué)材料包括發(fā)光材料、光纖材料、紅外材料和光色材料等。隨著越來(lái)越多的發(fā)光材料的出現(xiàn)，推動(dòng)了顯示技術(shù)以及照明技術(shù)的發(fā)展，LED作為一種綠色照明技術(shù)，受到了國(guó)家和社會(huì)的重視，以液晶顯示(LCD)，等離子體顯示(PDP)，有機(jī)發(fā)光二極管顯示(OLED)為代表的顯示技術(shù)在人們的日常生活中起著重要作用。光纖以及隨后出現(xiàn)的各類(lèi)光纖材料，極大推動(dòng)了通信技術(shù)的發(fā)展，是通信歷史上的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，進(jìn)入了光纖通信的時(shí)代。紅外材料使人們把對(duì)光的探索帶到了紅外光波段，因?yàn)榕c熱輻射有密切關(guān)系，使得紅外光對(duì)對(duì)人類(lèi)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。光色材料在光波導(dǎo)，光調(diào)制以及光存儲(chǔ)中具有重要的作用。事實(shí)證明，光學(xué)材料在科學(xué)研究，國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活中發(fā)揮重要作用。光學(xué)材料包括光纖材料、發(fā)光材料、紅外材料、激光材料和光色材料等。二、發(fā)光材料類(lèi)型及其發(fā)光原理1.發(fā)光材料發(fā)光是物質(zhì)將某種方式吸收的能量轉(zhuǎn)化為光向外輻射的過(guò)程，是熱輻射外另一種能量輻射現(xiàn)象。光子是電子在受激高能態(tài)返回低能態(tài)時(shí)發(fā)出的，當(dāng)發(fā)出光子能量在1.8-3.1eV時(shí)，便是可見(jiàn)光。而材料發(fā)光所需能量可從較高能量的電磁輻射(如紫外光)中得到，也可從高能電子或熱能、機(jī)械能和化學(xué)能中得到。發(fā)光材料是指吸收光照，然后轉(zhuǎn)化為光的材料。發(fā)光材料的晶格要具有結(jié)構(gòu)缺陷或雜質(zhì)缺陷，材料才具有發(fā)光性能。結(jié)構(gòu)缺陷是晶格間的空位等晶格缺陷，由其引起的發(fā)光稱(chēng)為自激活發(fā)光，所以制備發(fā)光材料采用合適的基質(zhì)十分重要。如果在基質(zhì)材料中有選擇地?fù)饺胛⒘侩s質(zhì)在晶格中形成雜質(zhì)缺陷，由其引起的發(fā)光叫激活發(fā)光，摻入的微量雜質(zhì)一般都充當(dāng)發(fā)光中心，稱(chēng)為激活劑。我們實(shí)際應(yīng)用的發(fā)光材料大多是激活型發(fā)光材料。根據(jù)發(fā)光類(lèi)型，可以把發(fā)光材料分為光致發(fā)光材料、陰極射線發(fā)光材料、電致發(fā)光材料、X射線發(fā)光材料、發(fā)光二極管等。2.紅外光學(xué)材料紅外材料是指能透過(guò)紅外線，并對(duì)不同波長(zhǎng)紅外線具有不同透光率、折射率及色散的材料。紅外材料主要包括堿鹵化合物晶體、堿土-鹵族化合物晶體、氧化物晶體、無(wú)機(jī)鹽晶體及半導(dǎo)體晶體。3.固體激光材料用一個(gè)光子去激發(fā)位于高能級(jí)的電子或離子，使之放出光子，受激發(fā)射產(chǎn)生的光就是激光。如果使材料中多數(shù)能發(fā)生受激輻射的原子或離子都處于激發(fā)狀態(tài)，再用外界光感應(yīng)，使所有處于激發(fā)狀態(tài)的原子和離子幾乎同時(shí)產(chǎn)生受激輻射而回到低能態(tài)，將發(fā)出具有強(qiáng)大能量密度的光束。4.光色材料材料受光照射著色，停止光照射后又可逆地褪色，這一特性稱(chēng)為材料的光色現(xiàn)象。具有光色現(xiàn)象的材料稱(chēng)為光色材料。光學(xué)材料很重要的一個(gè)應(yīng)用就是光學(xué)玻璃。光色玻璃中含有鹵化銀的玻璃是一種典型的光色材料。它是以普通的堿金屬硼硅酸鹽玻璃的成分為基礎(chǔ)，加入少量鹵化銀，如AgI、AgCl、AgBr或混合物作為感光劑，再加入極微量的敏化劑(如As、Se、Cu、Sb的氧化物)制成。光色玻璃的性能可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。三．新型發(fā)光材料雖然人們長(zhǎng)久以來(lái)對(duì)陰極射線管(CRT)和熒光燈所用材料開(kāi)展的研究從未停止，但不可否認(rèn)的是,經(jīng)過(guò)30年的探索，這些材料的性能已接近物理極限。現(xiàn)在以及未來(lái)對(duì)發(fā)光材料的要求一方面是小型化，提高壽命以及發(fā)光光譜的穩(wěn)定性，另一方面(對(duì)于成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō))應(yīng)具有高的亮度和對(duì)比度。同時(shí)也要求發(fā)光材料在不同工作條件下要具有較高的穩(wěn)定性。有機(jī)電致發(fā)光材料有機(jī)電致發(fā)光的發(fā)光原理及結(jié)構(gòu)有機(jī)電致發(fā)光是指發(fā)光層為有機(jī)材料，而且屬于在電場(chǎng)作用下被激發(fā)而發(fā)光的現(xiàn)象。其發(fā)光原理為：由電極注入的電子與空穴在有機(jī)發(fā)光材料中復(fù)合釋放能量，把有機(jī)發(fā)光分子激發(fā)到高能態(tài)，受激發(fā)光分子從高能態(tài)回到基態(tài)的過(guò)程中以光子的形式發(fā)出能量，實(shí)現(xiàn)發(fā)光。該過(guò)程可表示為：(1)電子+空穴→能量；(2)基態(tài)發(fā)光分子+能量→受激發(fā)光分子；(3)受激發(fā)光分子→基態(tài)發(fā)光分子+能量。有機(jī)電致發(fā)光材料中最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，這是單層電致發(fā)光材料的典型結(jié)構(gòu)，即把有機(jī)發(fā)光材料薄膜加載兩個(gè)能注入載流子的電極之間，當(dāng)電極上加偏壓時(shí)，電子和空穴分別從陰極和陽(yáng)極注入，在有機(jī)發(fā)光材料中復(fù)合，然后導(dǎo)致發(fā)光[4]。其實(shí)對(duì)于絕大多數(shù)有機(jī)發(fā)光材料來(lái)說(shuō)，都是偏一極化的，即材料的導(dǎo)電性質(zhì)不是傳輸電子就是傳輸空穴，能同時(shí)具有兩種傳輸材料的有機(jī)材料甚少。所以對(duì)于電子型導(dǎo)電材料，上述結(jié)構(gòu)中的發(fā)光層其實(shí)有兩部分構(gòu)成，分別為傳輸電子的發(fā)光層和空穴傳輸層。而對(duì)于空穴型導(dǎo)電材料，上述發(fā)光層對(duì)應(yīng)的的兩部分分別為傳輸空穴的發(fā)光層和電子傳輸層。2.新型PDP材料最近十幾年來(lái)興起的等離子體顯示器(PlasmaDisplayPanel,PDP)是光致發(fā)光顯示器的典型代表，也是繼CRT,LCD后的正在廣泛應(yīng)用的新一代顯示器。等離子體顯示器原理等離子體顯示技術(shù)的基本原理是這樣的：顯示屏上排列有上千個(gè)密封的小低壓氣體室（一般都是氙氣和氖氣的混合物），電流激發(fā)氣體，使其發(fā)出肉眼看不見(jiàn)的紫外光，這種紫外光碰擊后面玻璃上的紅、綠、藍(lán)三色熒光體，它們?cè)侔l(fā)出我們?cè)陲@示器上所看到的可見(jiàn)光。這個(gè)過(guò)程就是光致發(fā)光過(guò)程，此過(guò)程可表示為：1.電極加電壓，正負(fù)極間激發(fā)放出電子，電子轟擊惰性氣體，發(fā)出真空紫外線；2.真空紫外線射在熒光粉上，使熒光粉發(fā)光[6]。PDP發(fā)光的原理圖如圖2.8所示：圖2.8PDP發(fā)光的原理3.電致變色材料一、電致變色現(xiàn)象所謂電致變色(EletroChromism,EC),從顯示和發(fā)光的角度看是指施加電壓后物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)使顏色發(fā)生可逆性的變色現(xiàn)象。自從20世紀(jì)60年代國(guó)外學(xué)者Plant首先提出電致變色概念以來(lái)，電致變色現(xiàn)象就引起了人們的廣泛關(guān)注。特別是最近10年來(lái)，電致變色成為發(fā)光顯示領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[9]。結(jié)論：光學(xué)材料的發(fā)展方向不可否認(rèn)的是，到目前為止，光學(xué)材料到已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。但在許多方面，光學(xué)材料仍有需要加以改進(jìn)的地方，需要科研工作者繼續(xù)研究探索。鑒于光學(xué)材料的現(xiàn)狀，未來(lái)光學(xué)材料的發(fā)展方向是：(1)高分子顯示材料：有機(jī)／高分子電致發(fā)光材料、高分子液晶材料等，其發(fā)展方向?yàn)殚_(kāi)發(fā)出具有高的電致發(fā)光效率、低驅(qū)動(dòng)電壓，具有不同發(fā)光波長(zhǎng)（彩色）和長(zhǎng)壽命的各種發(fā)光器件。開(kāi)發(fā)新型的顯示材料，對(duì)于發(fā)展我國(guó)的顯示器產(chǎn)業(yè)，追趕世界先進(jìn)水品，具有重要意義。(2)高分子傳輸材料：研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用于通訊傳輸?shù)木哂休^高光學(xué)透過(guò)性，光學(xué)均勻，且高折射率、低光損耗的高分子塑料光纖。現(xiàn)在的的光纖中的損耗，散射和色散是制約傳輸效率提高的障礙，如果此問(wèn)題到解決，光纖的傳輸容量將會(huì)又要提高一個(gè)數(shù)量級(jí)；(3)超高密度高分子存儲(chǔ)材料：開(kāi)發(fā)存儲(chǔ)密度高的高分子材料。目前光學(xué)材料存在的一個(gè)普遍問(wèn)題是材料中的電荷密度不夠大，限制了存儲(chǔ)材料的存儲(chǔ)容量。討論與展望：我國(guó)的發(fā)光材料經(jīng)歷了由進(jìn)口——使用進(jìn)口原料實(shí)現(xiàn)半國(guó)產(chǎn)化——獨(dú)立研制、獨(dú)立生產(chǎn)——與國(guó)外同步發(fā)展，配方中普遍應(yīng)用稀土的規(guī)模化生產(chǎn)四個(gè)階段。超長(zhǎng)余輝夜光粉是國(guó)內(nèi)最先研制成功的特種發(fā)光材料，該材料屬于蓄光性無(wú)機(jī)顏料，可以以1O一25的比例摻人不同材質(zhì)中，其主要特點(diǎn)是每次吸收普通光線兩小時(shí)后發(fā)出強(qiáng)江，持續(xù)發(fā)光14小時(shí)，無(wú)毒害無(wú)放射性，而耐1200~C高溫，價(jià)格低廉。近年來(lái)，以超長(zhǎng)余輝夜光粉作為原料研究和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品以及利用超長(zhǎng)余輝夜光粉的防偽功能保護(hù)著名商標(biāo)。成為眾多科研單位和經(jīng)營(yíng)者的有力手段，這一點(diǎn)從中國(guó)專(zhuān)利局的館藏文獻(xiàn)中可得到證明。致力于特種發(fā)光材料的研究和