PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS MATERIAIS

Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais

Disciplina: Ciência dos Materiais I

Docente: Prof. Dr. Keizo Yukimitu

Discentes:

Fernando Augusto Dessotti

Rafael Augusto dos Anjos

Robyson dos Santos Machado

SUMÁRIO

• Conceitos• Radiação eletromagnética• Espectro eletromagnético

• Interação da luz com a matéria• Interações atômicas e eletrônicas

• Transições eletrônicas• Propriedades ópticas dos metais

• Propriedades ópticas dos não-metais• Aplicações dos fenômenos ópticos

Conceitos

• Propriedade: Resposta a estímulos externos• Propriedade óptica: resposta do material a exposição

de radiação eletromagnética

• Então, precisamos entender como a radiação eletromagnética interage com a matéria, no nosso caso,

com os materiais!

• Mas o que é radiação eletromagnética?

Radiação eletromagnética

• Radiação eletromagnética é a propagação de energia em forma de ondas eletromagnéticas. Ondas

eletromagnéticas são ondas que consistem em campos elétricos e magnéticos oscilantes com o tempo, são

perpendiculares entre si e entre a direção de propagação.

• Exemplos: Ondas de radar, ondas de rádio, raios-X, luz visível, entre outras.

• Características: frequência (ν), comprimento de onda (λ), velocidade (v), energia (E)

Equações de Maxwell

• Resolvendo as equações de Maxwell, chegamos a duas equações de onda

• Segundo a Mecânica Quântica, podemos considerar a OE como um pacote de energia, chamados de fótons.

Espectro eletromagnético

Interação da luz com a matéria

• Quando a radiação eletromagnética interage com a matéria, pode ocorrer três fenômenos: transmissão, absorção e reflexão da radiação eletromagnética.

A intensidade do feixe incidente (IO) será dividido em IT, IA e IR da seguinte forma

Interações atômicas e eletrônicas

• Entre as interações da radiação eletromagnética a nível atômico, duas das mais importantes são a polarização

eletrônica e a transição energética eletrônica.

• Polarização eletrônica: O campo elétrico da radiação eletromagnética interage com a nuvem eletrônica dos

átomos (íons) do material e induz uma polarização eletrônica. As duas consequências mais importantes são:

1: parte da energia pode ser absorvida e

2: a velocidade da onda é retardada enquanto passa pelo meio.

Transições Eletrônicas

• Conceitos importantes: Segundo a MQ, os estados energéticos do átomo são discretos, somente são

possíveis alguns valores de energia.

• Vamos considerar um átomo isolado. Um elétron pode ser excitado e ocupar um estado E2 ou maior, pela

absorção de um fóton de energia. A troca energética depende da frequência do fóton, logo somente fótons

com valores de energia ΔΕ são absorvidos.

Propriedades ópticas dos metais

Propriedades ópticas dos não-metais

• Temos para os não-metais, além da reflexão e absorção, fenômenos como refração e transmissão

• Refração: A luz no interior de um material sofre uma redução em sua velocidade. Esse fenômeno é

conhecido como refração. O índice de refração n de um material é definido como a razão da velocidade no

vácuo c pela velocidade no material v:

• Para o vácuo, a velocidade da luz possui a seguinte expressão:

• Porém, para um meio material, a equação acima torna-se:

Reflexão• Quando a luz passa de um meio para outro com índices

de refração diferentes, parte da luz é refletida para o meio do feixe incidente. A refletividade representa a fração da luz incidida que é refletida na superfície.

• Se o feixe é perpendicular a superfície, então temos:

• Quando a luz é transmitida do vácuo (ou ar) temos:

Absorção• Materiais não metálicos podem ser opacos ou transparentes à luz visível. • Nesse grupo de materiais, a radiação luminosa é absorvida de duas

maneiras:

1) Polarização eletrônica;

2) Transições eletrônicas da banda de valência para a banda de condução.

Polarização Eletrônica.

• O campo elétrico da radiação interage com a nuvem eletrônica que envolve cada átomo na sua trajetória.

• Parte da energia da radiação pode ser absorvida pela nuvem.

• A absorção por polarização será importante apenas para freqüências da radiação próximas a freqüência de relaxação do átomo.

Transições Eletrônicas.

• A absorção de um fóton de luz

pode ocorrer pela excitação de um

elétron da banda de valência para um

estado de energia vazio dentro da

banda de condução.

• Essas excitações podem ocorrer

somente se a energia do fóton for

maior do que a energia do

espaçamento entre bandas:

Luz Visível.• O comprimento de onda da luz visível está na faixa de:

• Assim, a energia máxima do espaçamento entre bandas para a qual é possível uma absorção da luz visível é:

• E a energia mínima é:

Interações nos Sólidos Dielétricos.

• A interação da luz com os dielétricos envolve transições eletrônicas diferentes das ocorridas nos não-metais.

• Se impurezas estiverem presentes no dielétrico, podem ser introduzidos níveis eletrônicos no espaçamento entre bandas.

• Uma radiação luminosa pode ser emitida de transições eletrônicas que envolvam esses níveis.

Interações nos Sólidos Dielétricos.• A energia que foi absorvida na

excitação eletrônica deve ser dissipada.

• Essa dissipação pode ocorrer através de uma recombinação direta de elétrons e buracos.

• Um mecanismo de dissipação, que envolve níveis de impureza, é a emissão de dois fótons.

• Uma das transições pode envolver a geração de um fônon, onde a energia associada é dissipada na forma de calor.

A intensidade da Radiação.• A intensidade da radiação absorvida depende da natureza do meio e do

comprimento da trajetória em seu interior.

• A intensidade da radiação transmitida (não absorvida) diminui com a distância que a luz percorre:

• O coeficiente de absorção é característico de cada material e varia em função do comprimento de onda da radiação incidente.

• A distância, x, é medido a partir da superfície incidente para o interior do material.

Transmissão.• Para um feixe que incide a

superfície frontal de uma amostra de um sólido transparente, a intensidade transmitida será:

• Intensidade que chega a face posterior:

• Intensidade refletida na face posterior:

• Assim, a intensidade transmitida na face posterior será:

• A intensidade da luz incidente que é transmitida através de um material transparente depende das perdas devido absorção e reflexão.

Fração da radiação X Comp. de Onda

• A refletividade R, absortividade A e transmissividade T depende do comprimento de onda da luz.

• Para a luz com um comprimento de onda de 0,4um, as frações transmitidas, absorvidas, e refletidas são aproximadamente 0,90, 0,05 e 0,05. Enquanto com 0,55um as respectivas frações são aproximadamente 0,50, 0,48 e 0,02.

A variação das frações da luz incidente que são transmitidas, absorvidas e refletidas através de um vidro verde em função do comprimento de onda.

Cor• A cor observada em materiais transparentes é resultado da combinação

dos comprimentos de onda que são transmitidos.

• Se a absorção é uniforme para todos os comprimentos de onda visíveis, o material tem uma aparência incolor.

• Geralmente, a absorção seletiva ocorre nos materiais semicondutores que possuem espaçamentos entre bandas dentro da faixa de energia dos fótons para a luz visível (1,8 a 3,1 eV).

• Uma parte dessa radiação absorvida é reemitida no decaimento dos elétrons.

• A cor irá depender da distribuição das freqüências tanto dos feixes transmitidos quanto dos reemitidos.

A influência das impurezas na Cor.• O monocristal de óxido de

alumínio de alta pureza, a safira, é incolor.

• O rubi, que possui uma coloração vermelho brilhante, é a safira à qual foi adicionado entre 0,5 a 2% de óxido de cromo.

• Para a safira, a transmitância é quase constante em função do comprimento de onda. Enquanto para o rubi ocorre fortes picos de absorção, um na região azul violeta e o outro em amarelo-esverdeada.

• A luz não absorvida ou transmitida, misturada à luz reemitida, confere ao rubi a sua intensa cor vermelha.

Opacidade e Translucidez em dielétricos.• Materiais dielétricos que são intrinsecamente transparentes podem ficar

translúcidos ou até mesmo opacos devido a reflexão e à refração no seu interior.

• A opacidade resulta quando o espalhamento é tão intenso que virtualmente nenhuma fração do feixe incidente é transmitida sem deflexão.

• Tanto a reflexão quanto a refração ocorrem nos contornos de grão e nas fronteiras entre as fases (Materiais Bifásicos).

• Isso se deve à uma diferença nos índices de refração entre os grãos e entre as fases.

A dispersão devido a porosidade. • Muitas peças cerâmicas contêm

porosidade residual.

• Esses poros também dispersam a radiação luminosa de uma maneira eficiente.

• A figura mostra a diferença nas características de transmissão óptica de amostras de óxido de alumínio monocristalina, policristalina totalmente densa e policristalina com ~5% de porosidade.

• Em polímeros, o grau de translucidez é influenciado principalmente pelo grau de cristalinidade.

Aplicações dos Fenômenos Ópticos

•Luminescência•Fotocondutividade

•Lasers•Fibras Ópticas em Comunicações

Luminescência• Alguns materiais são capazes de absorver energia e então reemitir luz

visível, este fenômeno se denomina luminescência.

• Esse fenômeno ocorre mesmo quando a energia absorvida foi fornecida por uma radiação eletromagnética de maior energia.

• A luminescência depende da magnitude do tempo de retardo entre a absorção e reemissão: Fluorescência e Fosforecência.

• Materiais puros não exibem esses fenômenos, devem ser adicionadas impurezas para induzi-los.

• A luminescência tem diversas aplicações comerciais.

Fotocondutividade

• A absorção de fótons pelos elétrons em materiais semicondutores causam aumento das transições eletrônicas e também dos buracos. Com o aumento dos elétrons na banda de condução a condutividade elétrica aumenta, este fenômeno por ser induzido por fótons é chamado de fotocondutividade.

Fotocondutividade

• A condutividade dos materiais semicondutores depende do número de elétrons livres, do número de buracos e da energia térmica de vibração.

• Assim, quando uma amostra de um material fotocondutivo é iluminada, há uma aumento na condutividade.

Lasers

• As transições vista até aqui , são todas espontâneas, isto é, um elétron decai de um estado de alta energia para um estado de menor energia sem provocação externa.

• Com os lasers, uma luz coerente é gerada por transições eletrônicas que são iniciadas por um estimulo externo; de fato, “laser” significa amplificação da luz por emissão estimulada de radiação.(light amplification by stimulated emission of radiation).

Laser de Rubi

• O rubi é simplesmente um monocristal de Al2O3(Safira) ao qual foi adicionado um teor de íons de aproximadamente 0,05%; esses íons conferem ao rubi a coloração vermelha característica, e proporcionam estados eletrônicos essenciais para o funcionamento do laser.

Laser de Rubi

• O rubi é iluminado com a luz proveniente de uma lâmpada flash de xenônio.Antes dessa exposição os íons de

estão inicialmente no estado fundamental, então os fótons da lâmpada de xenônio com comprimento de onda de 0,56μM excitam os íons, posteriormente os elétrons decaem ao estado fundamental de duas maneiras

Laser de Rubi

• Alguns decaem diretamente: As emissões de fóton nesse tipo de decaimento não fazem parte do feixe do laser

• Outros decaem para um estado intermediário metaestável, onde podem ficar até 3ms um tempo em termos de processos eletrônicos relativamente longo e suficiente para disparar uma avalanche de emissões dos demais elétrons no estado metaestável.

Laser de Rubi• Os fótons paralelos ao longo do

eixo do bastão de rubi, são transmitidos através da extremidade parcialmente espelhada, outros que colidem com a extremidade totalmente espelhada são refletidos.O feixe viaja repetidamente ao logo do bastão tornando-se mais intenso a medida que as emissões são estimuladas. No final um feixe de alta intensidade e de curta duração de luz laser é transmitido pela extremidade parcialmente prateada.

Laser Semicondutor

• No semicondutor a exigência é que o comprimento de onda λ, que está associado a energia de espaçamento entre bandas E e deve corresponder a luz visível ou seja:

• O valor de λ deve estar entre 0,4 e 0,7 μM.

• No material semicondutor uma voltagem aplicada nele excita os elétrons a partir da banda de valência e faz com que os elétrons atravessem o espaçamento entre as bandas e cheguem a banda de condução; como consequencia são criados buracos na banda de valência.

Laser Semicondutor

• Ao passar do tempo alguns desses elétrons excitados são recombinados espontaneamente com os buracos e para cada recombinação um fóton de luz é emitido, esse fóton estimulará a recombinação entre novos elétrons excitados-buracos, fazendo com que um novo fóton seja gerado.

Laser Semicondutor

• Temos que neste tipo de laser o resultado é um feixe contínuo e monocromático, uma vez que a aplicação de uma tensão constante assegura a existência a todo momento de buracos e elétrons excitados

Laser

Fibras ópticas nas comunicações

• A tecnologia das fibras ópticas revolucionou todo sistema de telecomunicações. Antigamente a transmissão de informação era feita através de um fio condutor metálico, este meio era ineficiente e tinha auto custo uma vez que duas pequenas fibras ópticas podem transmitir simultaneamente o equivalente a 24.000 chamadas telefônicas.para transmitir a mesma quantidade de informação é necessário 30 toneladas de cobre.

Fibras ópticas nas comunicações

• Componentes:• O núcleo: O sinal passa

através do núcleo.• Recobrimento: Envolve o

núcleo e restringe e trajetória dos raios de luz dentro do núcleo.

• Revestimento: protege o núcleo e o recobrimento contra danos que possam resultar da abrasão e pressões externas.

Fibras ópticas nas comunicações• A informação em formato eletrônico deve ser digitalizado em bits,

isto é, em números 1 e 0; isso é realizado no codificador.Em seguida converte-se esse sinal em óptico (fotônico). Na saída do conversor temos pulso de luz; um binário 1 é representado por um pulso de alta potência, enquanto um 0 representa um pulso de baixa potência. Estes pulsos são alimentados e conduzidos por fibra ótica até uma unidade receptora(para sinais longos o feixe pode passar pela repetidora que regenera o sinal). No final a unidade receptora decodifica o sinal.

Fibras ópticas nas comunicações

• O comprimento de onda fica normalmente entre 0,78 e 1,6μM, o que esta dentro da região do infravermelho, as perdas por absorção dentro dessa região de comprimento de onda são pequenas, o vidro de sílica de alta pureza é usado como material da fibra e o diâmetro da fibra varia de 5 e 100μM.

• A contenção da luz no interior da fibra é possibilitada por reflexão interna total.A reflexão interna é obtida variando os índices de refração dos materiais de vidro do núcleo e do seu recobrimento.

Fibras ópticas nas comunicações• Índice em degrau: Nesse projeto o índice de refração do

recobrimento é um pouco menor do que o do núcleo assim o pulso de saída é mais longo do que o pulso de entrada isso acontece devido o percurso dos raios serem diferentes logo as trajetórias diferentes geram comprimentos de percurso diferente.

Fibras ópticas nas comunicações• Índice em grau:• Nesse tipo de projeto as impurezas como o óxido de boro

(B2O3),são adicionados ao vidro de sílica de forma que o índice de refração varia de forma parabólica, assim o índice de refração no núcleo varia de modo a ser menor na periferia mais externa do núcleo,com isso a velocidade dos raios com percursos mais longos tem maior velocidade no material com menor índice de refração chegando ao final do material ao mesmo tempo dos raios de com percursos mais curtos.

OBRIGADO PELA ATENÇÃO