材料與輻射
各種相互反應(interaction) 輻射的種類由來源決定─
射線(gamma
rays): 原子核的變化。[原子核] 彼此反應的作用與現像
─ 材料的各種光熱特性的應用（實例）
─ 太陽能電池(solar cells), 各種光電分析儀器。
| 材料科學導論 |
| 1. 簡介 |
| 材料與輻射
各種相互反應(interaction) |
| 輻射的種類由來源決定─ |
| 射線(gamma
rays): 原子核的變化。[原子核] |
| X光(X-rays), 紫外光(UV), 可見光(visible light): 電子能階構造的變化。[原子] |
| 紅外光(IR), 微波(Microwave), 無線電波(Radio Wave): 原子與分子的振動。[分子] |
| 彼此反應的作用與現像
─ |
| 吸收、顏色、螢光、熱傳導、電子特性等。 |
| 材料的各種光熱特性的應用（實例）
─ |
| 隱形飛機(invisible
aircrafts), 雷射(lasers), 光纖裝置(fiber-optic devices), 發光二極體(LED), 太陽能電池(solar cells), 各種光電分析儀器。 |
| 2. 材料的連續與特性光譜放射 (Emission of Continuous and Characteristic Radiation) |
材料可以放出光子(photons)
– 其能量E，波長 ，和頻率 ： |
 [光子是具能量E的粒子，也是波長的波] |
| c= 光速，h = Planck’s constant = 6.62*10^(-34) J·s |
| A. 連續光譜 (Continuous Spectrum) |
| (1) 也稱白色輻射(white radiation) |
| (2) 具有一最小波長極限(a short wavelength limit)。 |
| B. 特性光譜 (Characteristic Spectrum) |
| (1) x-ray [Fig.19-2] |
(2) K ,
K ,
L
[Fig.19-3, Table 19-1] |
| (3) 輻射的電磁光譜(electromagnetic spectrum of radiation) [Fig.19-4] |
| 3. 放射現像的例子 (Examples of Emission Phenomena) |
| A.
X光 (X-rays) |
| (1) 不同材料有其特殊X光峰 |
| B. 輝光 (Luminescence) |
| (1) 光子的波長在可見光時會產生輝光(Fig.19-7) |
| (2) 螢光(fluorescence) - (Fig.19-7b) |
| immediate recombination, 放光時間~10-8 s |
| (3) 燐光(phosphorescent) - (Fig.19-7c) |
| impurity trap, 放光時間> 10-8 s |
  =
relaxation time |
| 彩色電視 – 紅、綠、和藍色燐光質材料。 |
| C. 發光二極體 (Light-Emitting Diodes, LED) |
| (1) p-n junction, 能隙Eg在可見光光譜中(大多為紅色)。 |
| (2) [Fig.19-8] |
| D. 雷射 (Lasers) |
| (1) 紅寶石固體雷射, stimulus (flash tube) [Fig.19-9] |
| (2) 雷射原理如圖[Fig.19-10] |
| (3) 用途:
金屬的熱處理與融化，焊接，外科手術，製圖，信號的傳送與處理， CD讀寫頭等。 |
| (4) 半導體 GaAs雷射 [Fig.19-11] (僅1994年，全世界賣出了八千萬個) |
| E. 熱輻射 (Thermal Emission) |
| (1) 不同溫度下熱輻射強度對波長圖。 [Fig.19-12] |
| 4. 光子與材料的相互反應(Interaction of Photons with a Material) |
| 光子與材料的相互反應種類
[Fig.19-13] |
| photon
energy > energy gap
reflection or absorption |
| photon
energy < energy gap
transmitted |
| A. 吸收與穿透 (Absorption and Transmission) |
| (1) [Fig.19-14] ─ 吸收與能隙的關係 |
| (2) 線性吸收係數(linear absorption coefficient) -- [Fig.19-15] |
| (3) 吸收峰(absorption edge) |
| B. 折射 (Refraction) |
| (1) 當光子穿透材料時會喪失部份能量，因此其波長會變長。因頻率並沒有變，所以 好像光速減低，並且改變了方向。[Fig.19-13] |
(2) 一些材料對5890A
波長的折射率。[Table 19-2] |
(3) 折射率(index
of refraction, n)和介電常數(dielectric constant,  )– |
 (因為折射與極化有關) |
| (4) n = f(frequency), anisotropy, birefringence (double refraction) |
| C. 反射 (Reflection) |
| (1) [opaque]: 金屬的反射─立即激發與恢復，發出同樣波長反射。 |
| (2) [not opaque]: 反射率(reflectivity) R─ |
在真空中  n
= 折射率 |
| 折射率越高，反射率也越高。此外，平滑表面的反射率較高。 |
| D. 選擇性吸收、穿透或反射 (Selective Absorption, Transmission, or Reflection) |
| (1) 不尋常的光學性質─光子被選擇性吸收、穿透或反射。 |
| (2) 例如：銅和銀等金屬─較易反射（或再放射）。銅與金吸收短波長光子（藍紫色） ，反射長波長光子（紅色），因此呈「紅」色。鋁與銀反射所有可見光波長光子， 因此呈「白」色。 |
| (3) 過渡元素與稀土族雜質離子取代原有離子，會產生結晶場(crystal field)，造成新能階 |
| 例如Cr3+離子取代Al2O3中的Al3+離子的情形。[Fig.19-17] |
| (4) 玻璃中也可加各種離子，產生選擇性吸收、穿透。[Table 19-3] |
| (5) Electron or hole traps (F-center) – 例如： 螢石(CaF2)中如果鈣過多，會造成氟的點缺陷 |
| ，造成新能階吸收光子，因而呈紫色。 |
| (6) 聚合物─葉綠素(chlorophyll)和血紅素(hemoglobin)。 |
| E. X光Filters |
| (1) 材料可以選擇性吸收會把其內層電子激發的X光。[Fig.19-18] |
| (2) absorption edge [Table 19-1] |
| F. 光傳導 (Photoconduction) |
| (1) 如果半導體被使用在電路中，其中就會發生光傳導效應。 |
| 被光所激發的電子不會被放射而是被傳走。[Fig.19-19] |
| (2) 應用：電眼(electric eyes), 太陽能電池(solar cells)。 |
| (3) 注意：光傳導效應正是「輝光」和LEDs的反效應。 |
| G. 繞射 (Diffraction) |
| (1) X光繞射�野垔光來決定材料的晶體構造和原子位置。 |
| (2) Bragg’s Law – [Fig.19-20] |
 |
| (3) Debye-Scherrer X光繞射 [Fig.19-21] |
| 5. 光電系統與材料 (Photonic Systems and Materials) |
| 「光電系統」用光來傳遞信號。例如：電話系統用的光纖傳遞，超級光電腦。 |
| 如Fig.19-22所示光纖傳遞的簡圖，其中的裝置已在前面敘述。 |
| A. 信號的產生 (Generating the Signal) |
| 光源：coherent
and monochromatic |
| (1) laser (III-V族半導體，GaAs, GaAlAs, 和 InGaAsP, 其能隙可以造成可見光放射), |
| (2) LED |
| B. 信號的傳遞 (Transmitting the Beam) |
| 光纖一定要非常透明，而且不能漏光。[Fig.19-23] |
| SiO2 最常見，核心的表面摻雜 B2O3 或 GeO2 。 |
| 其他有：結晶質的 ZrF2 ,
As2Se3 , 或KI（鍵結較弱散射小）。 |
| C. 信號的接收 (Receiving the Signal) |
| p-n
diode |
| D. 信號的處理 (Processing the Signal) |
| 通常收到的信號立即被轉成電信號，並用傳統半導體裝置來處理。 |
| 一些材料具有非線性的光學反應(例：LiNbO3)，同時可以用作amplifier或開關 （電腦裡的邏輯閘）來控制光的路徑。 |
| 光學電晶體的發展，有可能研發出光學電腦。 |