PMR-2330
Materiais para Sistemas
Eletromecânicos
Aula-4
Propriedades Ópticas e Comportamentos
Características ópticas mais conhecidas:
Transparência, cor, refração, e reflexão
Atenção, comportamento óptico muda com o
comprimento de onda da luz
Luminescência
, radiação estimulada de alguns
materiais laser e photo-detectores
Interações de energia dos fótons com átomos
individuais
As Cerâmicas não apresentam grande numero de
elétrons livres que possam absorver luz.
Refração e Reflexão
Duas condições contribuem significantemente
para aumentar o índice de refração:
Alta densidade da fase
Presença de elementos
A Refração
Bi-refringência
A diferença no índice de refração entre os raios de
luz
Técnica para avaliação de tensões residuais
Dispersão
Índice de refração varia com o comprimento de
Propriedades óticas dos
materiais metálicos
Os materiais metálicos têm as suas bandas de alta energia
parcialmente preenchidas com elétrons.
A radiação incidente, com comprimentos de onda na faixa do
espectro visível, é absorvida pelos elétrons promovendo-os para posições desocupadas acima do nível de Fermi.
Todos os comprimentos de onda do espectro visível podem
ser absorvidos desta forma metais são opacos
Grande parte da radiação absorvida é reemitida pela
“superfície” do metal, na forma de luz visível, de mesmo
comprimento de onda da luz incidente. Isto ocorre porque os elétrons que foram promovidos acima do nível de Fermi pela absorção de fótons de luz retornam (decaem) para seus níveis originais de energia emitindo luz.
A refletância da maioria dos metais situa-se entre 0,90 e 0,95. Uma pequena parte da energia proveniente do decaimento
eletrônico é dissipada na forma de calor.
A cor de um metal é determinada pela distribuição dos
comprimentos de onda que são refletidos e portanto não são absorvidos. Por exemplo, o ouro reflete quase que
completamente luz vermelha e amarela e absorve
parcialmente comprimentos de onda mais curtos. Já a prata reflete eficientemente quase todos os comprimentos de onda do espectro visível, daí a sua cor esbranquiçada.
Os metais são opacos a todas as radiações eletromagnéticas
de alto comprimento de onda (ondas de rádio e TV,
microondas, infravermelho, luz visível e parte da radiação ultravioleta) e transparentes às radiações de baixo
comprimento de onda (raios x e raios γ). Naturalmente, a quantidade de radiação transmitida depende da espessura e do coeficiente de absorção do material.
Propriedades óticas dos materiais não
metálicos
Os materiais não metálicos (cerâmicos e polímeros) não dispõe
de elétrons livres (que absorvem os fótons de luz no caso dos metais) e podem ser transparentes à luz visível. Para os
materiais não metálicos, outros fenômenos tais como refração e
transmissão são importantes, além da reflexão e da absorção.
Refração e reflexão
A velocidade de propagação da luz
em um sólido transparente (v) é menor que a velocidade de propagação da luz no ar. Por esta razão, o feixe de luz
muda de direção na interface ar/sólido. O índice de refração (n) de um material é definido como:
Vidros Ópticos
Vidros de Soda e Soda-lime
Vidros de Soda tem baixo índice de refração e altos
valores de dispersão
Adição de BaO aumenta muito mais o índice de
refração que o incremento da dispersão
Adição de PbO no vidro de Soda-lime aumenta o
índice de refração e a dispersão
Ajuste nos índices de refração e dispersão podem ser
conseguidos misturando vidros de Soda com Soda-lime
Vidros para aplicações ópticas devem ser livres de
Transparência e Cor
A absorção, ou contrariamente
a transmissão, de um material cerâmico depende da sua
composição:
Vidros de alta Sílica
transmitem até ~200 nm
Vidros de Borosilicatos
transmitem até ~300 nm
Vidros de janela (soda-lime)
transmitem até ~350 nm
Fe2O3 reduz a transmissão
no ultravioleta
FeO reduz a transmissão no
Vidros Coloridos
Adição de óxidos modificadores de rede restringem a faixa
de transparência mas não o limite de transmissão da luz visível
Coloração com Pigmentos
Coloração por pigmentação são simplesmente adição de
opacificadores que restringem seletivamente a transmissão de certos comprimentos de onda ou cor
Pode ser adicionado ao corpo da cerâmica, ou em camadas Uma vez que o nível de oxidação afeta a cor do cristal ou
vidro, a cor de produtos cerâmicos queimados podem ser parcialmente controladas no processamento
Coberturas orgânicas, como pinturas, são adicionadas para
ajustar a cor
Tintas a base de pigmentos podem ter a viscosidade
controlada (adição de fillers) ou proteção contra corrosão (adição de metal primers)
Pigmentos
Inorgânicos
Luminescência
Os elétrons são ativados para níveis superiores de
energia por fótons. Seu subseqüente decaimento ao nível original de energia re-emite fótons de
comprimento de onda característico.
Incandescência Fluorescência
Luminescência
Temos os seguintes tipos de luminescência:
-Fluorescência: há emissão de luz enquanto permanece a
irradiação. Ex: scheelita, diamante
-Fosforescência: quando a luz permanece, mesmo após cessar
a irradiação. Ex: apatita, fluorita e barita.
-Termoluminescência: emissão de luz pelo aquecimento. Ex:
fluorita
-Triboluminescência: emissão de luz pela fricção, quebra ou
esmagamento.Ex: muscovita, esfalerita
-Radioluminescência: emissão de luz pelo bombardeio por
Lasers
Vantagens da Emissão Estimulada de Luz:
Luz intensa obtida por processo de emissão
quase espontâneo de fótons
Caráter coerente da luz (monocromático e de
mesma fase)
Paralelismo do feixe de luz
Parte critica do cristal de laser é o íon ativo:
Preferencialmente elementos de transição de
Laser de Rubi
O Rubi é um tipo de safira (Al2O3) com cerca de 3%atômico de
íons Cr+3 substituindo íons de Al+3.
Fótons de luz visível podem “bombear” elétrons dos íons de
SEMICONDUTORES
Um fato conhecido na física do estado sólido é que a
condutividade elétrica é devida somente aos elétrons em bandas parcialmente cheias. Portanto a condutividade dos semicondutores à temperatura ambiente é causada pela
exitação de uns poucos elétrons da banda de valência para a banda de condução.
Semicondutores são sólidos cristalinos de condutividade
elétrica intermediária entre condutores e isolantes.
A quantidade de energia necessária para tirar um elétron da
banda de valência e 'liberta-lo' na banda de condução é que determina se um sólido será um condutor, semicondutor ou
isolante. Para um semicondutor esta energia é em torno de 1
eV (elétron-volt), para isolantes este energia é dezenas de vezes maior. Nos condutores existem sempre bandas de energia semi preenchidas, portanto não existe uma
quantidade mínima de energia necessária para se 'libertar' seus elétrons.
Nos semicondutores a condutividade não é causada apenas
pelos elétrons que conseguiram pular para a banda de
condução. Os
buracos
também chamados delacunas
que eles deixaram na banda de condução também dãocontribuição importante. Tão importante que este
buracos
são tratados como partículas normais com carga positiva, oposta à do elétron.
Seu emprego é importante na fabricação de componentes
eletrônicos tais como díodos, transístores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nanocircuitos usados em nanotecnologia. Portanto
atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes.
De uma maneira geral, semicondutores são sólidos nos quais
à temperatura de 0 K (zero Kelvin) seus elétrons preenchem todos os estados disponíveis na banda de energia mais alta, isto é a banda de valência.
