4.5 无机材料的红外光学性能

无机材料光学性能无机材料的光学性能光的基本性质：1、波粒二象性2、光的电磁性3、光波是横波4、光的偏振性从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，会发生光的透过、吸收和反射。

从微观上看，光与固体的相互作用，实际上是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用。

光与固体相互作用的本质有两种方式：1电子极化a电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；b在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；c所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。

2电子能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程4.1光透过介质的现象一、折射当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。

折射本质上是由于光的速度的变化而引起的光弯曲的结果。

vn真空v材料cv材料sini1n2v n21 1sini2n1v2材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。

光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快c麦克斯韦电磁理论：其中：ε为介电常数；μ为导磁率n v 无机材料：μ ＝1，ε ≠ 1 n 影响折射率的因素1、离子半径：介电常数随着离子半径的增大而增大，因而折射率n随着离子半径的增大而增大。

用大离子得到高折射率的材料；用小离子得到低折射率的材料。

2、材料的组成和结构：3、非晶态各向同性；玻璃的折射率和离子半径呈线性关系。

4、内应力垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n 小。

5、同质异构体高温时晶型的折射率较低，低温时晶型的折射率较高，即结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。

二、色散光在介质中的传播速度或折射率随波长改变的现象称为色散现象。

注意：色散是光学玻璃的重要参数；色散造成单片透镜成像不清晰――色差；若选择不同的光学玻璃，组成复合镜头，可以消除色差，称为消色差镜头；光学材料要求色散系数高γ，折射率n高。

无机纳米粒子材料光学性能的研究报告摘要：本研究报告旨在探讨无机纳米粒子材料的光学性能。

通过对无机纳米粒子材料的制备、结构表征以及光学性能的研究，我们希望能够深入了解这些材料在光学领域的应用潜力。

本研究采用了多种表征技术，包括透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和紫外可见吸收光谱（UV-Vis），并通过实验结果进行分析和讨论。

一、引言无机纳米粒子材料是一类具有特殊结构和性质的纳米材料，其尺寸通常在1到100纳米之间。

由于其尺寸效应和表面效应的存在，无机纳米粒子材料在光学领域具有广泛的应用。

本研究将重点关注无机纳米粒子材料的光学性能，包括吸收、散射和发射等方面。

二、实验方法本研究采用溶剂热法制备了一系列无机纳米粒子材料，并使用透射电子显微镜对其形貌和尺寸进行了表征。

通过X射线衍射技术，我们确定了无机纳米粒子材料的晶体结构和晶格参数。

此外，我们还使用紫外可见吸收光谱对材料的吸收特性进行了研究。

三、结果与讨论通过透射电子显微镜观察，我们发现制备的无机纳米粒子材料形貌均匀，尺寸分布较窄。

X射线衍射结果表明，这些材料具有良好的晶体结构，并且晶格参数与理论值相符。

紫外可见吸收光谱显示，无机纳米粒子材料在可见光范围内表现出明显的吸收峰，吸收峰位置与材料的尺寸有关。

四、光学性能分析通过对吸收光谱的分析，我们发现无机纳米粒子材料的吸收峰随尺寸的减小而红移。

这是由于量子限制效应导致的能带结构的改变。

此外，我们还观察到在一定尺寸范围内，无机纳米粒子材料的吸收峰强度随尺寸的减小而增强，这与表面等离子体共振效应有关。

五、结论通过本研究，我们深入了解了无机纳米粒子材料的光学性能。

通过制备、结构表征和光学性能的研究，我们发现无机纳米粒子材料在光学领域具有广泛的应用潜力。

未来的研究可以进一步探索无机纳米粒子材料的光学性能，以及其在光电子器件和传感器等领域的应用前景。

关键词：无机纳米粒子材料、光学性能、透射电子显微镜、X射线衍射、紫外可见吸收光谱。

第三章 红外光学材料的热学、力学性质3.1.引言到目前为止，红外光学材料都是无机非金属材料。

它的最大特点是脆性，和传统的结构陶瓷特点是一样的，因而应归类为陶瓷材料。

尽管其中有一些是属于半导体材料，因为它们在一定的波段是光学透明的，又可以称它们为光学陶瓷。

除过少数半导体红外光学材料（如Ge 、Si ）外，光学陶瓷在电学上都是绝缘体。

因而也是热的不良导体（有少数例外，如金刚石）。

在红外光学材料的应用中，除光学性能必须要考虑以外，力学性能、热学性能和化学性能也要同时考虑。

尤其是，在严酷环境中使用的窗口和整流罩，力学性能和热学性能则体现在抗热冲击的能力、抗沙粒腐蚀和抗雨滴腐蚀的能力上。

因此，为某一特定用途而选择红外光学材料时，要折中考虑。

本章对目前使用或研制的一些红外光学材料的力学和热学性质以及抗热冲击、抗沙蚀、抗雨蚀的实验结果作一介绍和分析。

在一些性质上力求能给出较为准确的参考值。

3.2.红外光学材料一般力学和热学性质这里对表征红外光学材料力学性质和热学性质的参数作一简单的描述。

3.2.1弹性模量E 和泊松比ν一个横截面积为S ，长度为L 的圆柱光学陶瓷体，两端加紧，施加拉伸力F ，则作用于单位面积上的应力SF =σ。

在拉伸力作用下，陶瓷体内部各质点之间会发生相对位移，因而长度将从L 变为L L ∆+， L L ∆称为陶瓷体的应变，用ε表示。

注意一点是，当拉伸力消失，则陶瓷体长度又恢复到L ，陶瓷体的形变属于弹性形变。

当拉伸力超过某一临界值，发生断裂。

金属在拉伸的初始阶段呈现弹性形变。

当拉伸力达到一定程度出现塑性形变，继续增加拉伸力则发生塑性断裂。

图3-1表示了陶瓷和金属的断裂行为。

对于弹性形变，应力和应变遵守虎克定律，即E σε=（3-1） 或εσ=E （3-2） 式中：E 称为弹性模量（又称为杨氏模量）。

当受到剪切应力（τ）作用发生剪切应变（γ）时，有γτ=G （3-3） 式中：G 为剪切模量。

当受等静压力压缩时，压缩应力σ与体积应变εv 之间有vK εσ= （3-4） 式中：K 为体积弹性模量。

无机光学传感材料的内禀光谱学特征无机光学传感材料是一种具有广泛应用前景的新型材料。

其独特的物理和化学性质，使其在环境监测、医学诊断、生物分析等领域得到了广泛应用。

而无机光学传感材料的内禀光谱学特征，则是这些材料得以实现高灵敏度和高选择性的关键所在。

无机光学传感材料是一种非常特殊的材料，其内在的物理和化学性质与传统的无机材料不同。

这是因为，这种材料具有一定的结构和组成，其内部的光学谱特点，能够反映出其物理和化学性质的本质特征。

这些特征包括红外吸收谱、紫外可见吸收谱、拉曼散射光谱、荧光光谱等等。

在红外吸收谱方面，无机光学传感材料表现出了非常独特的特征。

其具有丰富的吸收峰和特征峰，可以用来识别材料中特定官能团的存在及其化学环境。

此外，红外吸收谱还可以用来检测材料的结晶度、晶体形态等物理性质。

一个典型的例子就是，以光催化材料TiO2为代表的半导体材料，其材料的红外吸收谱表现出的特征，在环境监测、污染物处理和气体检测等方面拥有极为广泛的应用。

在紫外可见吸收谱方面，无机光学传感材料也表现出了非常独特的特征。

其吸收峰在不同波长处的出现和消失，能够反映出材料中电子的运动和化学键的断裂情况，有助于对材料中化学反应的动力学过程进行深入的研究。

比如，氧化钛、氧化锌等典型的氧化物材料，就表现出了非常鲜明的紫外吸收谱特征。

这些特征对于其在太阳能电池、生物传感等领域中的应用具有非常重要的意义。

拉曼散射光谱是无机光学传感材料中另一个极为重要的光谱学技术。

它可以提供材料的分子振动光谱信息，在检测材料中分子的存在和形态方面具有非常广泛的应用。

比如，以石墨烯、单壁碳纳米管、氧化锌等为代表的纳米材料，其很多特性都可以通过拉曼散射光谱进行表征。

同时，拉曼光谱技术还可以用来研究材料的光学性质、电子输运性质等。

荧光光谱是无机光学传感材料中又一种极为重要的光谱学技术。

它可以在分子水平上研究材料的能量传递、电荷转移、分子间的相互作用等，对于研究材料的发光机制、材料结构及其组成具有重要的意义。

红外光谱在无机材料上的应用红外光谱是一种非常有用的技术，广泛应用于无机材料的研究和分析。

它基于材料与红外辐射的相互作用，可用于确定材料的化学组成、结构和性质。

以下是红外光谱在无机材料上的一些重要应用。

首先，红外光谱可以用于无机材料的化学分析。

红外光谱图谱中的不同吸收峰对应于材料中的特定化学键或功能团。

通过对峰的位置和强度的分析，可以确定材料中的化学成分。

例如，红外光谱可以用于识别不同矿物或无机化合物的存在，并确定它们的组成。

其次，红外光谱还用于无机材料的结构分析。

材料中的原子和键的振动对应于特定的红外光谱峰。

通过对红外辐射的散射进行分析，可以确定材料的晶体结构和它们之间的相互作用。

例如，红外光谱可以用于研究晶体中的离子间相互作用，了解其结构和稳定性。

第三，红外光谱也可用于无机材料的物理性质研究。

由于红外光谱对材料中的分子振动敏感，因此它可以用于研究材料的热力学性质、相变行为和晶格振动等。

例如，红外光谱可以用来测量材料的热导率、热膨胀系数和电子能带结构。

此外，红外光谱还可以用于研究无机材料的表面性质。

通过测量红外光谱的反射或透射，可以评估材料的表面组成、结构和化学反应。

这对于研究材料的吸附、催化和光催化行为非常重要。

例如，红外光谱可以用于研究催化剂表面上的吸附物种以及其与反应物的相互作用。

最后，红外光谱还可以用于无机材料的质量控制和表征。

通过比较红外光谱图谱，可以确定不同材料批次之间的差异，并评估材料的纯度和质量。

这对于无机材料的生产和应用非常重要。

例如，红外光谱可以用来鉴定不同类型的陶瓷材料或金属氧化物，并确认其质量和性能。

总结起来，红外光谱在无机材料研究中具有广泛的应用。

它可以用于化学分析、结构分析、物理性质研究、表面性质研究和质量控制等方面。

通过红外光谱技术，我们能够更好地理解和应用无机材料的化学、结构和性质。

红外光谱的应用对于材料科学和工程领域的发展和进步具有重要意义。

一、无机化合物的基团振动频率红外光谱图中的每一个吸收谱带都对应于某化合物的质点或基团振动的形式，而无机化合物在中红外区的吸收，无机化合物红外光谱主要是由阴离子（团）的晶格振动引起的，它的吸收谱带位置与阳离子关系较小，通常当阳离子的原子序数增大时，阴离子团的吸收位置将向低波数方向作微小的位移。

因此，在鉴别无机化合物的红外光谱图时，主要着重于阴离子团的振动频率。

1、水的红外光谱这里的水是指化合物中以不同状态存在的水，在红外光谱图中，表现出的吸收谱带也有差异。

表4—5 不同状态水的红外吸收频率（cm-1）氢氧化物中无水碱性氢氧化物中OH-的伸缩振动频率都在3550—3720 cm-1范围内，+{4C5i'P(`*h!P|分析化学|化学分析|仪器分析|分析测试|色谱|电泳|光谱|等交流例如KOH为3678 cm-1，NaOH在3637 cm-1，Mg（HO）2为3698 cm-1，Ca（OH）2为3644 cm-1。

两性氢氧化物中OH-的伸缩振动偏小，其上限在3660 cm-1。

如Zn(OH)2、Al（OH）3分别为3260和3420 cm-1。

这里阳离子对OH-的伸缩振动有一定的影响。

（2）水分子的O—H振动已知一个孤立的水分子是用两个几何参数来表示的，即RO—H=0.0957nm，HOH=104.500，它有三个基本振动。

但是含结晶水的离子晶体中，由于水分子受其它阴离子团和阳离子的作用，改变了RO—H甚至HOH，从而会影响振动频率。

例如，以简单的含水络合物M·H2O为例，当M是一价阳离子RM—O约为0.21nm，这时OH—的伸缩振动频率位移的平均值Δν为90 cm-1，而当M是三价阳离子时，RM—O减小至为0.18nm，频率位移高达500 cm-1。

2、碳酸盐（CaCO3）的基团振动碳酸盐离子CO32-和SO42-、PO43-或OH-都具有强的共价键，力常数较高未受微扰的碳酸根离子是平面三角形对称型（D3h）,它的简正振动模式有对称伸缩振动 1064 cm-1非对称伸缩振动 1415 cm-1面内弯曲振动 680 cm-1面外弯曲振动 879 cm-13、无水氧化物（1）MO化合物这类氧化物大部分具有NaCl结构，所以它只有一个三重简并的红外活性振动模式，如MgO、NiO、CoO分别在400、465、400 cm-1有吸收谱带。

第二章红外光学材料的光学性质§2.1 引言§2.2反射§2.3透过率和吸收系数以及和温度的关系§2.4折射指数、色散和折射指数的温度关系§2.5散射§2.6 发射率§2.7红外材料的微波透射性质§2.1引言红外光学材料首先要注意的是它的光学性质，然后确定该种材料所适用的光学波段，其后才能考虑它的力学、热学性质。

在相同使用波段情况下，在各个材料之间进行选择，光学性质是红外光学材料最重要的基本性质。

红外光学材料的光学性质是一个广泛的说法，它实际上包含的内容很多。

有光的反射、理论透过率、吸收系数以及和温度的关系、透过率与温度的关系、折射指数以及折射指数的色散关系和温度关系、发射率和红外光学材料的微波介电性质等等。

在本章中试图对上述这些性质作尽可能详细的讨论。

对于每一种材料，希望能给出具体的实验数据。

§2.2反射损伤在第一章的（1-5-18）式中表示了垂直入射光通过两种不同介质（其折射指数分别为n 1和n 2）界面时所产生的反射和透射。

()⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=22121221214n n n n T n n n n R （2-2-1） 在求得上式的过程中是假定介质电导率0=σ。

因而光在介质中传播时没有损耗。

在电导率0≠σ的情况下，在界面的反射系数可表示为：()()222211kn k n R +++-= （2-2-2） 这里k 是消光系数（参见第一章§4），πλβ4=k ，β为吸收系数,对于红外光学材料β值通常在10-1～10-4,因之，消光系数k 的数值在4×10-6～4×10-9之间。

和(n-1)2， (n+1)2相比是一个非常小的量。

因而，在反射率的计算中完全可以忽略。

于是，单面反射率通常可以表示为：()()2211n n R +-= （2-2-3）这里R 是垂直入射时的反射率。