第1讲-纳米光学介绍
纳米材料论文汇总
纳米材料技术介绍 专业：机械设计制造及其自动化 学生姓名：胡宇杨 学号：1120101117 班级：D机制131
引言：纳米概念是1959年木，诺贝尔奖获得着理查德.费曼在一次讲演中提出的。他在“There is plenty of room at thebottom”的讲演中提到，人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器，而这较小的机器可以制作更小的机器，这样一步步达到分子尺度，即逐级缩小生产装置，以至最后直接按意愿排列原子，制造产品。他预言，化学将变成根据人仃〕的意愿逐个地准确放置原子的技术问题，这是最早具有现代纳米概念的思想。20世纪80年代末、90年代初，出现了表征纳米尺度的重要工具一扫描隧道显微镜(STM)，原子力显微镜(AFM)一认识纳米尺度和纳米世界物质的直接的工具，极大地促进了在纳米尺度上认识物质的结构以及结构与性质的关系，出现了纳米技术术语，形成了纳米技术。 其实说起来纳米只是一个长度单位，1纳米(nm)=10又负3次方微米=10又负6次方毫米(mm)=10又负9次方米(m)=l0A。纳米科学与技术(Nano-ST)是研究由尺寸在1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。关于纳米技术，从迄今为止的研究状况来看，可以分为4种概念。在这里就不一一介绍了。 1纳米材料的特性 纳米是一种度量单位，1 nm为百万分之一毫米，即l毫微米，也就是十亿分之一米，一个原子约为0 1 nm。纳米材料是一种全新的超微固体材料，它是由纳米微粒构成，其中纳米颗粒的尺寸为l～100 nm。纳米技术就是在100 nm以下的微小结构上对物质和材料进行研究处理，即用单个原子、分子制造物质的科学技术…。 纳米微粒是由数目较少的原子和分子组成的原子群或分子群，其占很大比例的表面原于是既无长程序又无短程序的非晶层：而在粒子内部，存在结晶完好的周期性排布的原子，不过其结构与晶体样品的完全长程序结构不同。正是纳米微粒的这种特殊结构，导致了纳米微粒奇异的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应，并由此产生许多纳米材料与常规材料不同的物理、化学特性。 1．1表面与界面效应 纳米材料的表面效应口即纳米微粒表面原子与总原子数比随纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子的表面能及表面张力也随之增加，从而引起纳米榻料性质的变化。例如，粒径为5 nm的SiC比表面积高达300 ／12／g；而纳米氧化锡的表面积随粒径的变化更为显著，10 lltlfl时比表面积为90．3 m2／g，5 nm时比表面积增加到181 m2／g，而当粒径小于2 nm 时，比表面积猛增到450 m2／g。这样大的比表面积使处于表面的原子数大大增加．这些袭面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在着大量的表而缺陷和许多悬挂键，具有高度的不饱和性质，因而使这些原子极易与其他原子相结合而稳定下来，具有很高的化学反应活性。
半导体纳米材料的光学性能及研究进展
?综合评述? 半导体纳米材料的光学性能及研究进展Ξ 关柏鸥 张桂兰 汤国庆 (南开大学现代光学研究所,天津300071) 韩关云 (天津大学电子工程系,300072) 摘要 本文综述了近年来半导体纳米材料光学性能方面的研究进展情况,着重介绍了半导体纳米材料的光吸收、光致发光和三阶非线性光学特性。 关键词 半导体纳米材料;光学性能 The Optica l Properties and Progress of Nanosize Sem iconductor M a ter i a ls Guan B ai ou Zhang Gu ilan T ang Guoqing H an Guanyun (Institute of M odern Op tics,N ankaiU niversity,T ianjin300071) Abstract T he study of nano size sem iconducto r particles has advanced a new step in the understanding of m atter.T h is paper summ arizes the p rogress of recent study on op tical p roperties of nano size sem icon2 ducto r m aterials,especially emphasizes on the op tical2abso rp ti on,pho to lum inescence,nonlinear op tical p roperties of nano size sem iconducto r m aterials. Key words nano size sem iconducto r m aterials;op tical p roperties 1 引言 随着大规模集成的微电子和光电子技术的发展,功能元器件越来越微细,人们有必要考察物质的维度下降会带来什么新的现象,这些新的现象能提供哪些新的应用。八十年代起,低维材料已成为倍受人们重视的研究领域。 低维材料一般分为以下三种:(1)二维材料,包括薄膜、量子阱和超晶格等,在某一维度上的尺寸为纳米量级;(2)一维材料,或称量子线,线的粗细为纳米量级;(3)零维材料,或称量子点,是尺寸为纳米量级的超细微粒,又称纳米微粒。随着维数的减小,半导体材料的电子能态发生变化,其光、电、声、磁等方面性能与常规体材料相比有着显著不同。低维材料开辟了材料科学研究的新领域。本文仅就半导体纳米微粒和由纳米微粒构成的纳米固体的光学性能及其研究进展情况做概括介绍。2 半导体纳米微粒中电子的能量状态 当半导体材料从体块减小到一定临界尺寸以后,其载流子(电子、空穴)的运动将受限,导致动能的增加,原来连续的能带结构变成准分立的类分子能级,并且由于动能的增加使得能隙增大,光吸收带边向短波方向移动(即吸收蓝移),尺寸越小,移动越大。 关于半导体纳米微粒中电子能态的理论工作最早是由AL.L.Efro s和A.L.Efro s开展的[1]。他们采用有效质量近似方法(E M A),根据微粒尺寸R与体材料激子玻尔半径a B之比分为弱受限(Rμa B,a B=a e+ a h,a e,a h分别为电子和空穴的玻尔半径)、中等受限(a h 纳米材料的光学特性 美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman在1959年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 1 纳米材料的分类和结构 根据不同的结构，纳米材料可分为四类，即：纳米结构晶体或三维纳米结构；二维纳米结构或纤维状纳米结构；一维纳米结构或层状纳米结构和零维原子簇或簇组装。纳米材料的分类如图表1所示。纳米材料包括晶体、赝晶体、无定性金属、陶瓷和化合物。 2 纳米材料的光学性质 纳米材料在结构上与常规晶态和非晶态材料有很大差别，突出地表现在小尺寸颗粒和庞大的体积百分数的界面，界面原子排列和键的组态的较大无规则性。这就使纳米材料的光学性质出现了一些不同于常规材料的新现象。 纳米材料的光学性质研究之一为其线性光学性质。纳米材料的红外吸收研究是近年来比较活跃的领域，主要集中在纳米氧化物、氮化物和纳米半导体材料上，如纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了异常红外振动吸收，纳米晶粒构成的Si膜的红外吸收中观察到了红外吸收带随沉积温度增加出现频移的现象，非晶纳米氮化硅中观察到了频移和吸收带的宽化且红外吸收强度强烈地依赖于退火温度等现象。对于以上现象的解释基于纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、晶场效应、尺寸分布效应和界面效应。目前，纳米材料拉曼光谱的研究也日益引起研究者的关注。 半导体硅是一种间接带隙半导体材料，在通常情况下，发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到5nm或更小时，其能带结构发生了变化，带边向高能态迁移，观察到了很强的可见光发射。研究纳米晶Ge的光致发光时，发现当Ge晶体的尺寸减小到4nm以下时，即可产生很强的可见光发射，并认为纳料晶的结构与金刚石结构的Ge 不同，这些Ge纳米晶可能具有直接光跃迁的性质。Y.Masumato发现掺CuCl纳米晶体的NaCl在高密度激光下能产生双激子发光,并导致激光的产生,其光学增益比CuCl 大晶体高得多。不断的研究发现另外一些材料，例如Cds、CuCl、ZnO、SnO2、Bi2O3、Al2O3、TiO2、SnO2、Fe2O3、CaS、CaSO4等，当它们的晶粒尺寸减小到纳米量级时，也同样观察到常规材料中根本没有的发光观象。纳米材料的特有发光现象的研究目前正处在开始阶段，综观研究情况，对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则，量子限域效应，缺陷能级和杂质能级等方面。 纳米材料光学性质研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性，光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分：由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分；受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。其中研究最深入的为CdS纳米微粒。由于能带结构的变化，纳米晶体中载流子的迁移、跃迁和复合过程均呈现与常规材料不同的规律，因而其具有不同的非线性光学效应。 纳米材料非线性光学效应可分为共振光学非线性效应和非共振非线性光学效应。非共振非线性光学效应是指用高于纳米材料的光吸收边的光照射样品后导致的非线性效应。共振光学非线性效应是指用波长低于共振吸收区的光照射样品而导致的光学非线性效应，其来源于电子在不同电子能级的分布而引起电子结构的非线性，电子结构的非线性使纳米材料的非线性响应显著增大。目前，主要采用Z-扫找（Z-SCAN）和DFWM技术来测量纳米材料的光学非线性。 光学的相关基础知识 1. 光的电磁波谱 光是一种可以引起视觉、具有波粒二象性的电磁波，既有波动性，又具有粒子性。整个电磁波谱按波长可分一下几段(表1)： 只有波长范围很窄的一段才能引起视觉，称为光(可见光)，其中，红光波长最长，范围为620~760 nm，紫光最短，范围为400~430 nm。 2. 光的传播特性 光在同一均匀介质中是沿直线传播的，而在非均匀介质中传播方向要发生改变。光子在生物组织内的传输过程中，会受到吸收和散射的影响。当与光子频率相关的能量与在组织内过渡态的能量相匹配时，这些光子的能量就被吸收，而总光子的能量就减少了。当光射入到组织的原子上面时会发生散射，这就导致原子的电荷加速并向不同方向放射，因而导致光偏离最初的路线。因此，光波在组织内穿过时，要同时经历吸收和散射，且吸收和散射程度依赖于波长和穿透深度。 3. 荧光 在日常生活中，人们通常广义地把各种微弱的光亮都称为荧光，而不去仔细追究和区分其发光原理。 事实上，荧光是指这样一种发光，当一个分子或原子吸收了给予的能量后，即刻引起发光，停止能量供给，发光亦瞬间停止(持续10-8~10-7s)。所以，当一定波长的光照射到荧光物质上时，会激发出波长更长的荧光，产生的荧光波长要比激发光波长长50~150 nm。而用特定波长的红光激发荧光染料，就可使其发出波长长于激发光的近红外荧光。如果把荧光分子与人体内与生理功能有关的蛋白或生物大分子结合，在体外激发荧光，并检测荧光信号，就能对人体进行分子水平的研究，这种荧光分子被称作荧光探针(Fluorescent Probe)，其基因为荧光分子基因，也就是光学分子成像的报告基因。为了能在体检测人体组织内的信息，荧光必须能穿透几厘米以上厚的组织。但是，光波在生物组织内传输时会同时受到吸收和散射的影响而产生衰减，因此有些学者对波长在近红外区域内的荧光更感兴趣，因为人体对近红外波段的光衰减最小，这样达到体表可被检测到的荧光信号强度较大，检测的难度降低，有利于定量研究。 二光学分子成像原理 光学分子成像是在基因组学、蛋白质组学和现代光学成像技术的基础上发展起来的新兴研究领域。 传统的光学成像方法依托于可见光成像，如内镜成像技术。内镜(胃镜、肠镜等)成像技术是利用具有韧性的导管通过人工切口或天然的开口进入体内进行检查，简便、易行，但只能观察到内部结构的表面部分，而且光线在穿透组织的过程中，会在组织的表面发生广泛的 1.请阐述“纳米生物材料”、“纳米生物学”的基本概念内涵，作为生物材料有哪些基本要求？纳米生物学：纳米生物学主要包含两个方面：一，利用新兴的纳米技术来解决研究和生物学问题；二，利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造类似生物大分子的分子机器。纳米科技的最终目的是制造分子机器，而分子机器的启发来源于生物体系中存在的大量的生物大分子，它们被费曼等人看作是自然界的分子机器。从这个意义上说，纳米生物学应该是纳米科技中的一个核心领域。 纳米生物材料：纳米技术、生物技术和材料交叉融合的新型材料，主要指可以进行疾病诊断、治疗、治疗后的随访复查、替换或可对体外生物分子、细胞等进行标记示踪和检测的具有良好生物相容性的纳米材料。可分为可用于生物体内的纳米材料和用于体外的纳米生物材料两种。 生物材料的基本要求： 生物材料主要用在人身上，对其要求十分严格，必须具有四个特性： （1）生物功能性，无毒或毒性极低，不包括癌症在内的其他疾病。因各种生物材料的用途而异，如：作为缓释药物时，药物的缓释性能就是其生物功能性。 （2）生物相容性。可概括为材料和活体之间的相互关系，主要包括血液相容性和组织相容性（无毒性、无致癌性、无热原反应、无免疫排斥反应等）。 （3）化学稳定性。耐生物老化性（特别稳定）或可生物降解性（可控降解）且力学性能好。 （4）可加工、制备。能够成型、消毒（紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等）。 2.皮米、纳米、微米等尺度之间的换算。 1微米（um）=1000纳米（nm）； 1纳米（nm) =1000 皮米(pm) 1皮米(pm)=1000飞米(fm) 3.纳米颗粒的几个重要纳米效应有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和量子隧道效应，请解释这4个效应。 量子尺寸效应：当超细颗粒的尺寸降低到与激子波尔半径相当时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级以及半导体微粒的能隙变宽的现象。 小尺寸效应：当纳米粒子的尺寸与德布罗意波长相当或更长时，对于晶体及其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶体粒子及其表面层附件的原子密度减小，导致电、磁、光、声、热力学等一系列性质的变化的效应，称为小尺寸效应。 表面效应：纳米颗粒的比表面积因颗粒减小而显著增大，并导致表面原子数、原子几何构型、原子自旋、原子间相互作用力以及电子波谱等急剧改变，由此产生的一系列物理化学性质变化的效应，即表面效应。 量子隧道效应：隧道效应是指微小粒子（如电子）具有在一定情况下贯穿势垒的能力。而一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，成为宏观的量子隧道效应。 4.纳米颗粒形成的推动力是什么？ 是自由能差。 第三讲P2.1 1、半导体的能带位置 半导体的带隙宽度决定了催化剂的光学吸收性能。半导体的光学吸收阈值λg与Eg有关，其关系式为：λg=1240/Eg。半导体的能带位置和被吸附物质的氧化还原电势，从本质上决定了半导体光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应要求受体电势比半导体导带电势低（更正）；而给体电势比半导体价带电势高（更负）。导带与价带的氧化还原电位对光催化活性具有更重要的影响。通常价带顶VBT越正，空穴的氧化能力越强，导带底CBB越负，电子的还原能力越强。价带或导带的离域性越好，光生电子或空穴的迁移能力越强，越有利于发生氧化还原反应。对于用于光解水的光催化剂，导带底位置必须比H+/H 2 O的氧化 还原势负，才能产生H 2，价带顶必须比O 2 /H 2 O(+的氧化还原势正，才能产生O 2 ,。 因此发生光解水必须具有合适的导带和价带位置，而且考虑到超电压的存在，半 导体禁带宽度Eg应至少大于。目前常被用作催化剂的半导体大多数具有较大的禁带宽度，这使得电子-空穴具有较强的氧化还原能力。 2、光生电子和空穴的分离和捕获 光激发产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的是分离和复合两个相互竞争的过程。对于光催化反应来说，光生电子和空穴的分离与给体或受体发生作用才是有效的。如果没有适当的电子或空穴的捕获剂，分离的电子和空穴可能在半导体粒子内部或表面复合并放出荧光或热量。空穴捕获剂通常是光催化剂表面吸附的OH-基团或水分子，可能生成活性物种·OH，它无论是在吸附相还是在溶液相都易引发物质的氧化还原反应，是强氧化剂。光生电子的捕获剂主要是吸附于光催化剂表面上的氧，它既能够抑制电子与空穴的复合，同时也是氧化剂，可以氧化已经羟基化的反应产物。 3、晶体结构 除了对晶胞单元的主要金属氧化物的四面体或八面体单元的偶极矩的影响，晶体结构（晶系、晶胞参数等）也影响半导体的光催化活性。TiO 2 是目前认为最 好的光催化剂之一。TiO 2 主要有两种晶型—锐钛矿和金红石，两种晶型结构均可 由相互连接的TiO 6 八面体表示，两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同。结构上的差异导致了两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。锐钛矿的质量密度略小于金红石，且带间隙（）略大于金红石（），这是其光催化活性比金红石的高。 4、晶格缺陷 根据热力学第三定律，除了在绝对零度，所有的物理系统都存在不同程度的不规则分布，实际晶体都是近似的空间点阵式结构，总有一种或几种结构上的缺陷。当有微量杂质元素掺入晶体时，也可能形成杂质置换缺陷。这些缺陷的存在 浅谈纳米材料的应用 【摘要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要地概述了纳米材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生命等方面的主要，并简单展望了纳米材料的应用前景。 【关键词】纳米材料；纳米技术；应用 有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。世界各国相继投入巨资进行，美国从2000年启动了国家纳米计划，国际纳米结构材料会议自1992年以来每两年召开一次，与纳米技术有关的国际期刊也很多。 一、纳米材料的特殊性质 纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径，导致了高扩散率，它对蠕变，超塑性有显著，并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强。因此纳米材料所表现的力、热、声、光、电磁等性质，往往不同于该物质在粗晶状态时表现出的性质。与传统晶体材料相比，纳米材料具有高强度——硬度、高扩散性、高塑性——韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率、强软磁性能。这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域。 （一）力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 （二）磁学性质 当代机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。 （三）电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电 半导体纳米材料的的光学性能 随着大规模集成的微电子和光电子技术的发展,功能元器件越来越微细,人们有必要考察物质的维度下降会带来什么新的现象,这些新的现象能提供哪些新的应用。八十年代起,低维材料已成为倍受人们重视的研究领域。 当半导体材料从体块减小到一定临界尺寸以后,其载流子(电子,空穴)的运动将受限,导致动能的增加,原来连续的能带结构变成准分立的类分子能级,并且由于动能的增加使得能隙增大,光吸收带边向短波方向移动(即吸收蓝移),尺寸越小,移动越大。 由于量子尺寸效应导致能隙增大,半导体纳米材料的吸收光谱向高能方向移动,即吸收蓝移。同时,由于电子和空穴的运动受限,他们之间的波函数重叠增大,激子态振子强度增大,导致激子吸收增强,因此很容易观察到激子吸收峰,导致吸收光谱结构化. 通常通过吸收光谱来研究半导体纳米微粒的量子尺寸效应和激子能级结构,近年来,研究较多的有[14～20]:Ⅲ-Ⅴ族半导体GaAs、InSb和GaP;Ⅱ-Ⅵ族半导体ZnS、CdS、CdSe和CdTe;Ⅰ-Ⅶ族半导体Cu-Cl、CuBr和CuI;PbS、PbI和间接带隙半导体材料Ag-Br;过渡金属氧化物Fe2O3、Cu2O、ZnO和非过渡金属氧化物SnO2、In2O3、Bi2O3等。余保龙等人[21]研究发现,SnO2纳米微粒用表面活性剂分子包覆时,由于表面的介电限域效应其吸收带边发生红移,而且随着表面包覆物与SnO2的介电常数差值增大和包覆物的浓度增大,其红移量增大。 半导体纳米微粒受光激发后产生电子-空穴对(即激子),电子与空穴复合的途径有 (1)电子和空穴直接复合,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用,发射波长随着微粒尺寸的减小向高能方向移动(蓝移)。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光[9,22]。在纳米微粒的表面存在着许多悬挂键、吸附类等,从而形成许多表面缺陷态。微粒受光激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态,产生表面态发光。微粒表面越完好,表面对载流子的陷获能力越弱,表面态发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。 对半导体纳米材料的研究开辟了人类认识世界的新层次,也开辟了材料科学研究的新领域。总的看来,半导体纳米材料的光学性能研究已取得了很大进展,人们已建立起了半导体纳米微粒中电子能态的理论模型,在材料的线性和非线性光学性能方面都开展了大量的工作,获得了很多有重要意义的成果。但是还有许多问题需要进一步深入研究,例如半导体纳米材料激子能级的理论结果与实验数据之间仍有差距,间接带隙半导体纳米材料的发光机理还有待研究,非线性光学性能的实验工作所涉及纳米材料的范围不够广,掺杂半导体纳米体系中杂质离子与基质间的相互作用还有许多新的物理内容需要揭示和探索等等。随着研究的进一步深入,一些与传统材料物理不同的新现象、新概念还会不断 第五章光的偏振和晶体光学基础 光的偏振（Polarization of light）现象的发现 偏振现象的意义（说明了光的横波性）菲涅尔（Fresnel）和阿喇果（Arago）实验 杨氏假设 菲涅尔的理论 偏振现象与晶体（Crystal） 1 §5－1 偏振光概述 一、偏振光与自然光（Polarized light and Natural light） 1、自然光：具有一切可能的振动方向的许多光波之和。特点：振动方向的无规则性。 表示：可用两个振动方向垂直的、强度相等的、 位相关系不确定的光矢量表示。 自然光 Natural light 2 光是电磁振荡的一种传播。其中电场和磁场的振动方向垂直，为方便计，以下只考虑电振动。 自然光（natural light） 由于普通光源发光的间歇性和随机性 振动方向不一定相同 乱 波列长度也不一定相同 初相也不一定相同 大量原子发光的统计效果构成了自然光。 其振动方向包含了整个振动平面。 3 4 没有优势方向自然光的分解 非相干 根据统计平均，自然光没有优势振动方向，各个振动方向的强度相等。 y x E E =x y x I I I I 2=+=自然光的表示法： 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。 · ·· 2、偏振光（Polarized light）： 光矢量的方向和大小有规则变化的光 线偏振光（Linearly polarized light）：光矢量 方向不变，其大小随位相变化。 圆偏振光（Circularly polarized light）：光矢 量大小不变，其方向绕传播方向均 匀转动，且矢量末端轨迹为圆。 椭圆偏振光（Elliptically polarized light）：光 矢量大小和方向都在有规律地变化 ，且矢量末端轨迹为椭圆。 5 2008级材料化学苏国华学号：20081423 纳米材料的光学特性 美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman 在1959年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 固体材料的光学性质与其内部的微结构，特别是电子态、缺陷态和能级结构有密切的关系。 纳米结构材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大的差别，表现为：小尺寸、能级离散性显著、表（界）面原子比例高、界面原子排列和键的组态的无规则性较大等。这些特征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶态的新现象。 1、宽频带强吸收性 大块金属具有不同的金属光泽，表明它们对可见光中的各种波长的光的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米粒子几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的反射率为1%，Au纳米粒子的反射率小于10%。 纳米SiN、SiC以及Al2O3粉等对红外有一个宽频强吸收谱。 不同温度退火下纳米Al2O3材料的红外吸收谱 纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因： （1）尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定的分布，不同的颗粒的表面张力有差异，引起晶格畸变程度的不同，这就导致纳 米材料键长有一个分布，造成带隙的分布，这是引起红外吸收 宽化的原因之一。 （2）界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以 第一章光学系统像质评价作业： 1.1检验实际光学系统成像质量的常用方法有哪几种？ 分辨率检验、星点检验、波象差检测、光学传递函数检测 1.2在光学系统设计阶段评价成像质量的方法有哪几种？ ①几何光学方法：几何像差，波像差，点列图，几何光学传递函数 ②物理光学方法：点扩散函数，相对中心光强，物理光学传递函数 1.3什么是色差？光学系统中色差有哪几种？色差如何校正？ 色差：对白光成像的光学系统，由于材料对不同波长的色光折射率不同，使各色光线具有不同的成像位置和倍率。轴向色差：不同颜色像点沿光轴方向的位置之差；垂轴色差：不同颜色像对应大小之差。色差校正：①采用不同色散不同折射率玻璃的组合；②采用折衍混合的技术；③采用反射镜。 1.4共轴光学系统轴上点有哪几种像差？ 球差、位置色差。 1.5什么是光学系统的像差？存在像差时对系统成像会有什么影响？ 实际光学系统不能用近轴光成像，实际光学系统有一定的角度，球面系统不能成理想像，这就是光学系统的像差。它会影响成像清晰度还有形变。 1.6 请列举出，在光学系统中的曲面方程里，基准二次曲面系数K的值与面型的关系。 双曲面：K<0；抛物面K=0；椭球面0 少层黑磷纳米材料的光学性能及其在生物成像方面的应用 黑磷是一种新型二维材料,由于其独特的光学和电学性质,在近几年受到了广泛的关注。从2014年至今,在光电子领域,黑磷已经被成功地应用于光电探测器、光电池、场效应晶体管和传感器等器件中。 在生物医学领域,由于黑磷具有高度生物兼容性,可用于癌症的光热治疗、光动力治疗、光声成像以及载药等。基于此背景,本文研究了:1.特定尺寸的黑磷纳米颗粒（Black Phosphorus Nano-particles,BPNPs）的制备方法及其表征。 本文利用改良的液相剥离法制备出了横向尺寸约为35±5 nm,纵向尺寸约为6±1.5 nm的BPNPs,并用透射电镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）及拉曼光谱对其进行了表征。2.BPNPs表面包裹介孔二氧化硅的方法。 本文首次提出了一种在BPNPs表面均匀包裹一层厚度为8-11 nm的介孔二氧化硅（BPNPs@mSiO2）的方法。用介孔二氧化硅包裹BPNPs有三大作用:提高BPNPs的分散性,防止纳米颗粒团聚在一起;保护BPNPs,减缓其被氧化的速度;延长BPNPs的光致发光寿命。 3.BPNPs和BPNPs@mSiO2的生物毒性及细胞内稳定性。此研究利用MTS方法,测试了不同浓度梯度的BPNPs和BPNPs@m SiO2在不同时间段对不同细胞生存率造成的影响。 实验结果说明BPNPs和BPNPs@m SiO2在50 g/m L的剂量范围内无明显细胞毒性。通过拉曼成像,测定了细胞内BPNPs的拉曼光谱,并与纯材料的拉曼光谱进行了比较,证明了BPNPs在细胞内的稳定性。 4.BPNPs和BPNPs@mSiO2的光致发光（Photoluminescence,PL）性能。本文制备出的特定尺寸的BPNPs和BPNPs@m SiO2在532 nm 纳米材料简介 姓名：李猛学号：52100602003 摘要：纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要阐述了纳米材料的基本概念，介绍了纳米材料的发现，国内外的发展以及纳米材料各方面的性能在实际中的应用，并指出了纳米材料发展过程中的缺陷,最后展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米；纳米材料；纳米技术 引言：如果组成材料的物质颗粒变小了，“小不点”会不会与“大个子”的性质很不相同呢？这便是纳米材料的发现者德国物理学家格莱特的科学思路。那是1980年的一天，格莱特到澳大利亚旅游，当他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，空旷、寂寞和孤独的环境反而使他的思维特别活跃和敏锐。他长期从事晶体材料的研究，了解到晶体的晶粒大小对材料的性能有很大的影响，晶粒越小，强度就越高。 格莱特上面的设想只是材料的一般规律，他的想法一步一步地深入，如果组成材料的晶体的晶粒细到只有几个纳米大小，材料会是个什么样子呢？或许会发生“翻天覆地”的变化吧！格莱特带着这些想法回国后，立即开始试验，经过将近4年的努力，终于在1984年制得了只有几个纳米大小的超细粉末，包括多种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。 格莱特在研究这些超细粉末时发现了一个十分有趣的现象。众所周知，金属具有各种不同的颜色，如金子是金黄色的，银子是银白色的，铁是银白色的。至于金属以外的材料，例如无机化合物和有机化合物，它们也可以带着不同的色彩，瓷器上面的釉历来都是多彩的，由各种有机化合物组成的染料更是鲜艳无比。可是，一旦所有这些材料都被制成超细粉末时，它们的颜色便一律都是黑色的，瓷器上的釉、染料以及各种金属统统变成了一种颜色——黑色。正像格莱特想像的那样，“小不点”与“大个子”相比，性能上发生了“翻天覆地"的变化。 为什么无论什么材料，一旦制成纳米“小不点”，就都成了黑色的呢？原来当材料的颗粒尺寸变到小于光波的波长（1×10-7 m左右）时，它对光的反射能力变得非常低，大约低到小于1％，既然超细粉末对光的反射能力很小，我们见到的纳米材料便都是黑色的了。“小不点”性质上的变化确实是令人难以置信的。著名的美国阿贡国家实验室制备出了一种纳米金属，居然使金属从导电体变成了绝缘体；用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品再也不会一摔就破了。 格莱特的发现已经正在改变科学技术中的一些传统概念。因此，纳米材料将是21世纪备受瞩目的一种高新技术产品。 纳米复合材料的部分基本概念 摘要：纳米材料被誉为21世纪的新材料，其概念在上世纪中叶被科学界提出后得到广泛重视和深入发展。本论文主要阐述了纳米复合材料概念的各种表达方法，例证了几种纳米复合材料，并对其纳米效应做出了具体说明。 关键词：纳米纳米复合材料纳米效应 一、纳米复合材料的定义及例证 20世纪80年代，Roy和Komarneni提出纳米复合材料(nanoeomposites)的定义，与单一组分的纳米结晶材料和纳米相材料不同，它是指材料两相(或多相)微观结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级尺寸(1~100nm)的材料[1]。 也有学者做如下定义，当颗粒或尺寸至少在一维尺寸上小于100nm，且必须具有截然不同于块状材料的电学、光学、热学、化学或力学性能的一类复合材料体系[2-4]。 目前已经成功制备的纳米复合材料已有很多，以下是其中几个例子以及其特备方法和特点。 （1）聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料 聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料是采用溶液插层、原位聚合、熔融插层法进行制备的。 这种材料的由于高分子能进入层状无机纳米材料的片层之间,其分子链段的运动受到了限制而显著提高复合材料的耐热性及材料的尺寸稳定性，而且层状无机纳米材料可以在二维方向得到良好的增强作用。因此聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料相对纯聚丙烯来说其强度和韧性都得到了很大的提高，综合性能优异。 （2）ZnO/Ag纳米复合材料 ZnO/Ag纳米复合材料的制备方法有共沉淀法，溶胶-凝胶法，化学沉积法，均匀沉淀法，喷射热分解法，固相法。 纳米ZnO与普通ZnO微粒相比，具有许多特殊性质：非迁移性、压电性、荧光性、具有光吸收和散射紫外光的能力等。ZnO具有光触媒功能，Ag的加入减少了空穴-电子对的复合，大大提高了其催化性能[5]，无二次污染，而且光降解成本低，反应条件温和。 高二物理暑秋第二讲 — 简谐运动 1. 知道机械振动及简谐振动的概念即产生条件 ； 2. 理解简谐运动的基本规律 ； 3. 掌握描述简谐运动的两种图像：波动图像及振动图像 ； 4. 掌握波动图像及振动图像中波长 、频率f 、周期T 、波速v 的意义及联系； 5. 掌握利用单摆测量重力加速度的方法； 1.光在同一种均匀介质中是沿直线传播的。 前提条件是在同一种介质，而且是均匀介质。否则，可能发生偏折。如光从空气斜射入水中（不是同一种介质）；“海市蜃楼”现象（介质不均匀）。 当障碍物或孔的尺寸和波长可以相比或者比波长小时，将发生明显的衍射现象，光线将可能偏离原来的传播方向。 解光的直线传播方面的计算题（包括日食、月食、本影、半影问题）关键是画好示意图，利用数学中的相似形等几何知识计算。 2.光速 光在真空中的转播速度为c=3.00×108m/s 。 ⑴光在不同介质中的传播速度是不同的。根据爱因斯坦的相对论光速不可能超过c 。 ⑵近年来（1999-2001年）科学家们在极低的压强（10-9Pa ）和极低的温度（10-9K ）下，得到一种物质的凝聚态，光在其中的速度降低到17m/s ，甚至停止运动。 ⑶也有报道称在实验中测得的光速达到1011m/s ，引起物理学界的争论。 二、反射 平面镜成像 知识要点 1．反射定律。 2．平面镜成像 像的特点：平面镜成的像是正立等大的虚像，像与物关于镜面为对称。 3．光路图作法 （1）根据平面镜成像的特点，在作光路图时，可以先画像，后补光路图。 （2）充分利用光路可逆：在平面镜的计算和作图中要充分利用光路可逆。（眼睛在某点A 通过平面镜所能看到的范围和在A 点放一个点光源，该电光源发出的光经平面镜反射后照亮的范围是完全相同的。） （3）利用边缘光线作图确定范围 例题分析 例1：如图所示，画出人眼在S 处通过平面镜可看到障碍物后地面的范围。 解：先根据对称性作出人眼的像点S /，再根据光路可逆，设想S 处有一个点光源，它能通过平面镜照亮的范围就是人眼能通过平面镜看到的范围。图中画出了两条边缘光线。 例2：如图所示，用作图法确定人在镜前通过平面镜可看到AB 完整像的范围。 纳米材料物理基础——光学性质 纳米材料具有体材料不具备的许多光学特性。已有的研究表明，利用纳米材料的特殊光学性质制成的光学材料将在日常生活和高科技领域内具有广泛的应用前景。例如纳米SiO2光学纤维对波长大于600nm的光的传输损耗小于10dB/km，此值比SiO2体材料的光传输损耗小许多倍。纳米结构材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大的差别，表现为：小尺寸、能级离散性显著、表（界）面原子比例高、界面原子排列和键的组态的无规则性较大等。这些特征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶态的新现象。 纳米材料的光吸收 大块金属具有不同的金属光泽，表明它们对可见光中的各种波长的光的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米粒子几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的反射率为1%，Au纳米粒子的反射率小于10%。纳米SiN、SiC以及Al2O3粉等对红外有一个宽频强吸收谱。 纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因： （1）尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定的分布，不同的颗粒的表面张力有差异，引起晶格畸变程度的不同，这就导致纳米材料键长有一个分布，造成带隙的分布，这是引起红外吸收宽化的原因之一。 （2）界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多，界面原子除与体相原子能级不同外，相互之间也可能不同，从而导致能级分布的展宽，与常规大块材料不同，没有一个单一的、择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，对红外光作用下的红外光吸收的频率也就存在一个较宽的分布。纳米结构材料红外吸收的微观机制研究还有待深入，实验现象也尚需进一步系统化。 光吸收中的红移和蓝移现象 在有些情况下，粒径减小至纳米级时，可以观察到光吸收带相对粗晶材料呈现“红移”现象，即吸收带移向长波方向。从谱线的能级跃迁而言，谱线的红移是能隙减小，带隙、能级间距变窄，从而导致电子由低能级向高能级及半导体电子由价带到导带跃迁引起的光吸收带和吸收边发生红移。当半导体粒子尺寸与其波 纳米材料的特性 美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman 在1959年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 固体材料的光学性质与其内部的微结构，特别是电子态、缺陷态和能级结构有密切的关系。 纳米结构材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大的差别，表现为：小尺寸、能级离散性显著、表（界）面原子比例高、界面原子排列和键的组态的无规则性较大等。这些特征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶态的新现象。 1、宽频带强吸收性 大块金属具有不同的金属光泽，表明它们对可见光中的各种波长的光的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米粒子 几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的反射率为1%，Au纳米粒子的反射率小于10%。 纳米SiN、SiC以及Al2O3粉等对红外有一个宽频强吸收谱。 不同温度退火下纳米Al2O3材料的红外吸收谱 纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因： （1）尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定的分布，不同的颗粒的表面张力有差异，引起晶格畸变程度的不同，这就导致纳 米材料键长有一个分布，造成带隙的分布，这是引起红外吸收 宽化的原因之一。 （2）界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多，界面原子除与体相原子能级不同外，相互之间 也可能不同，从而导致能级分布的展宽，与常规大块材料不同，纳米材料的光学特性
光学分子影像学第一讲
纳米材料答案
影响纳米材料光催化性能的因素
纳米材料在光学方面的应用要点
半导体纳米材料的的光学性能
第五章 光的偏振和晶体光学基础
纳米材料光学性质
(完整版)第一讲作业
少层黑磷纳米材料的光学性能及其在生物成像方面的应用
纳米材料简介
纳米复合材料的相关概念
第一讲 几何光学
纳米材料物理基础光学性质剖析
纳米材料光学性质