光电材料笔记
记录一些在光学材料与元件制造课程中的整理和总结。
光学玻璃
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无规网络学说
- 网络形成体
- 网络中间体
- 网络外体
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命名与化学成分
- 折射率
- 阿贝数
- 相对部分色散
- 色散理论
- 折射率、色散、玻璃成分关系：玻璃的分子体积与分子折射度
- 外场作用
- 折射率温度系数
- 光弹系数
- 光学非线性折射率（强度相关）
- 吸收与散射
- 紫外吸收：电子跃迁
- 红外吸收：分子振动/转动发生共振
- 可见吸收：非本征，来源于杂质
- 非线性吸收：主要是共振区附近的双光子吸收
- 丁达尔散射、米氏散射，瑞利散射
- 紫外光学玻璃
- 光学石英
- 萤石
- 红外光学玻璃
- 激光玻璃
- 由激活离子与基质玻璃所组成的主客体系统
- 激活离子：稀土离子
- 光谱项
- 基质玻璃：决定光谱性质
光学晶体
部分摘自《晶体物理学基础》(陈纲等)。
对称操作
如果经过某种操作（转动、镜像、中心反演等）以后，晶体中的各个点都变到新的位置，但是晶形保持不变，那么称这种操作为晶体的对称操作。
在晶体中，任何一个对称操作 可以重复多次 (
) ，直至晶体每个点都回到原来的位置 (
)。
Jones符号
对称操作除了用矩阵表示外，可以用Jones符号表示。
诸如此，表示
, 即绕
轴旋转+中心对称。
对称元素
对称元素时晶体中的某些点、线和面，晶体的对称操作是相对于他们进行的，它们在对称操作过程中保持不动。
采用数字符号进行表示： 依次表示1、2、3、4、6次旋转轴，
分别等价于反演中心、反射镜面、3+反演中心、四度反轴（转90度再做中心对称）、3+垂直3次轴的镜面。
注：晶体只有 和晶体有
也有
所拥有的对称操作集合时不一样的，后者包含前者，对称性更高。
但是晶体有 就等价于有
也有
。
晶体学点群
晶体晶形等对称操作的集合称为晶体学点群（简称点群）。
知道了晶体的所有对称操作或者所有对称元素，就知道了它所属的点群。
给定一个一定构型的立方晶系，根据它所具有的对称性（以对称操作要素描述），可以形成各种组合，化简后得到32个点群。给定一个晶体，根据它的布拉维点阵，我们可以确定它是具有哪一种对称性。
国际符号用存在于某个特定方向上的对称元素来表示点群。
比如一个正交晶系，它有 mm2 / 222 / mmm 这三种对称性组合（具体描述为 /
/
)。给定一个正交晶系的晶体，通过判断它的点阵符合那种对称组合所生成的点阵（一个点由对称性生出的点阵列），我们可以确定它所属的点群。
张量
张量满足在坐标系的变换前后，对应物理公式的形式保持不变：
考虑到
有
因此
介电光学晶体
力学性能
- 应力张量、应变张量、杨氏模量
- 弹光效应
电学性能
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介电常数张量、逆介电常数张量
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压电效应：压电系数
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热释电效应：热释电系数
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铁电效应：居里温度
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电光效应：线性电光效应、二次电光效应
非线性光学性能
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非线性极化率
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略
电光效应
计算方法
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原光率体：
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电光效应：
(Einstein sum)
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新光率体：
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坐标变换消除交叉项：
, 旋转
角
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新的主光率体
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主光率体下的逆介电常数差：
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折射率变化：
-
双折射变化：
为垂直入射光方向
的
KDP
-
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室温下
点群
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常温下远大于居里温度，工作在顺电相，没有铁电性
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主要应用的压电晶体
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KDP晶体在近紫外区域有很好的透明性，是性能优越的近紫外光学非线性材料及电光晶体
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光学非线性：有二阶非线性系数
(0.39)
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电光效应：正常算
铌酸锂
- 居里温度很高（一千多摄氏度），室温下为
点群
- 压电晶体：较大的压电系数
- 热释电晶体：较高的近红外透过率？；非常好的热释电电压响应度优值和探测度优值
- 光学非线性：有大的非线性极化率，二阶非线性系数
较大；但是光损伤阈值较低
- 电光晶体–特殊：电场加在光轴方向，通光沿光轴方向，无电致双折射 (
)
- 注：4mm点群同3m点群，电场加在
方向无纵向双折射，如常温下的
半导体光学晶体
IV 族半导体
点群
：间接带隙
，
：间接带隙
- 不能做倍频晶体（无二阶非线性）
- 硅波导、硅基光源、硅基光调制器（Kerr，F-K，等离子体色散效应）、硅基锗探测器（波导耦合型的优势，兼顾吸收与响应速度）、硅基光学非线性器件
III~V 族半导体
等
点群
- 直接带隙
（常温下）
- 高环境承受温度（
）
- 直接带隙
(
)，
（室温）
- 蓝光LED
思考题
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IV 族半导体材料在集成光学器件领域应用有什么优点与不足？
讨论Si和Ge。
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如何有效抑制硅基集成光学器件中可能产生的双光子吸收？
- 避开TPA波长。比如Si, TPA为跳两次达到1.12eV，波长为
， 避开
这个有强烈吸收的波长
- 减小泵浦光强度
有机光学材料
- 有机分子的导电机理 （共轭化合物）
- 光学塑料
- 有机发光材料 （OLED）
- 有机光伏材料
- 有机光学非线性材料
思考题
- 具有共轭结构的有机分子为什么能够在光电子领域有重要的应用价值？
他们的共轭 键体系提供了电子的移动轨道，使其具有一定的导电性。他们被发现能够具有无机半导体与导体材料的许多光、电、磁特性，因而能够在光电子领域有重要的应用价值。
- 有机光电材料的载流子运动有什么特点？
载流子可以在具有连续 键的相邻分子之间做自由迁移运动，而在非晶态的有机材料中，载流子只能在不同分子之间通过跳跃传输的方式完成，载流子迁移率较低。
在单个分子的离域π键里自由移动，在不同分子之间只能hopping，迁移率较低
- 与光学玻璃相比，光学塑料在光学性能、机械性能及热性能等方面有什么优势与不足？
- 光学性能：折射率及色散范围不如光学玻璃宽
- 热性能：光学玻璃具有相对较低的耐热性，吸湿率较高，热膨胀系数是玻璃的10倍以上
- 机械性能：光学塑料的相对密度比玻璃小一半，耐冲击性能比玻璃高10倍左右
- OLED器件的各部分结构对材料有什么样的要求？
- 阴极与阳极材料：功函数要能级匹配【什么叫能级匹配？】，阴极材料须是低功函数的金属，阳极材料须有高功函数的特性
- 空穴传输材料：在阳极与HTL界面有较低的势垒，材料要有较高的空穴迁移率，能够在高真空中被蒸发沉积或选图沉寂积成为无针孔缺陷的薄膜，具有高的耐热稳定性等
- 电子传输材料：具有较大的电子亲合势
和较高的电子迁移率；化学稳定性和热稳定性好、成膜性能好；具有高的激发态能级，能够有效避免激发态的能量传递，使激子复合发生在发光层而非电子传输层。
- 发光层：发光效率高等，无具体的普遍要求
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什么是有机太阳能电池的本体异质结结构，该结构对器件性能有什么样的影响？
电子给体和电子受体分别分立成膜，混合在一起形成的一层薄膜为本体异质结结构。
对性能的影响：共混能够导致界面面积的增加，增大光生载流子数量。但是同时也会导致纳米形貌的复杂，难以对结构和形貌进行控制和优化。
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什么是有机材料的非共振光学非线性效应与共振光学非线性效应？
- 共振响应的光学非线性效应：入射光的频率落在光学非线性材料的吸收区域，二材料的吸收是源于带间跃迁过程或共轭链的振动模式所致。
- 非共振响应的光学非线性效应：入射光位于光学非线性材料的透明区域，在该区域不会产生对于入射光子的单光子吸收。
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简述有机发光器件的发光原理
电子与空穴分别从阴极及阳极注入，并在有机层中进行传输。电子与空穴相遇形成激子，激子复合后将能量以光的形式发射出来。
