Spektroskopia defektów i domieszek 1300-FZ12SDiD-SD
Wykład (WYK) Semestr letni 2018/19

1. C. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN, Warszawa, 1999.

2. Phosphor Handbook. Ed. by Shigeo Shionoya, William M. Yen and Hajime Yamamoto, CRC press. NY. 2006.

3. Inorganic Phosphors: Compositions, Preparation and Optical Properties, Ed. by William M. Yen, Marvin J. Weber, CRC Press, 2004.

4. Fundamentals of Phosphors, Ed. by William M. Yen, Shigeo Shionoya and Hajime Yamamoto, Taylor and Francis, 2006.

5. L.V. Azaroff, Struktura i własności ciał stałych, Warszawa, 1980.

6. A. Oleś. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, 1998.

7. Moje wykłady w formie prezentacji.

K_W01 posiada rozszerzoną wiedzę z zakresu fizyki i jej historycznego rozwoju, a także znaczenia cywilizacyjnego oraz wpływu fizyki na inne dziedziny nauki

K_W02 posiada wiedzę o najnowszych odkryciach fizycznych oraz współczesnych trendach rozwoju fizyki

K_W05 zna podstawy teoretyczne metod

obliczeniowych oraz techniki numeryczne stosowane do rozwiązywania typowych problemów fizycznych

W01 posiada rozszerzoną wiedzę z zakresu fizyki ciała stałego, dotyczącej spektroskopii defektów i domieszek;

W02 posiada wiedzę o najnowszych odkryciach fizycznych z zakresu fizyki ciała stałego oraz współczesnych trendach rozwoju spektroskopii optycznej

K_W05 zna podstawy teoretyczne metod

obliczeniowych oraz techniki numeryczne stosowane do rozwiązywania typowych problemów spektroskopii optycznej

K_U04 potrafi zastosować zdobytą wiedzę i umiejętności z zakresu fizyki do innych dziedzin

K_U07 potrafi w przystępny sposób, zarówno w formie pisemnej, jak i ustnej, przedstawić odkrycia fizyki współczesnej oraz dziedzin pokrewnych, zarówno w języku polskim, jak i angielskim

U04 potrafi zastosować zdobytą wiedzę i umiejętności dotyczące spektroskopii defektów i domieszek w ciałach stałych do innych dziedzin

U07 potrafi w przystępny sposób w formie pisemnej i ustnej, przedstawić odkrycia fizyki w zakresie spektroskopii optycznej oraz fizyki ciała stałego w językach polskim i angielskim

K_K01 zna ograniczenia własnej wiedzy i rozumie potrzebę dalszego kształcenia, potrafi inspirować i organizować proces uczenia się własny i innych

K_K05 rozumie potrzebę systematycznego zapoznawania się z czasopismami naukowymi i popularno-naukowymi z dziedziny fizyki w celu poszerzania i pogłębiania wiedzy

K01 zna ograniczenia własnej wiedzy i rozumie potrzebę dalszego kształcenia, potrafi i organizować własny proces uczenia

K05 rozumie potrzebę systematycznego zapoznawania się z czasopismami naukowymi i popularnonaukowymi z dziedziny fizyki ciała stałego i spektroskopii optycznej w celu poszerzania i pogłębiania wiedzy

Dwa kolokwium w formie 3 pytań z rożnych rozdziałów przedmioty (0.25+0.25) oraz egzamin - pisemna praca - 3 pytania z rożnych rozdziałów przedmioty oraz 1 zadanie praktyczne (0.5).

1. Nauka o defektach - wprowadzenie (2 godz.) Stan krystaliczny i oraz budowa krystalograficzna materiałów w stanie skondensowanym. Defekty sieci krystalicznej i domieszki. Rodzaje defektów punktowych: wakanse (luki), defekty antypołożeniowe oraz atomy międzywęzłowe. Energii formowania rożnych rodzajów defektów punktowych.

2. Defekty w materiałach optycznych w rożnej postaci krystalicznej. Formowanie defektów punktowych w monokryształach, warstwach, mikro- i nano- proszkach. Koncentracji i typy defektów przy rożnych metodach stworzenia materiałów w formie krystalicznej. Odmiany struktury defektów przy krystalizacji monokryształów ze stopów i roztworów oraz metodą reakcji w ciałach stałych. Formowanie defektów punktowych w mikro- i nano- materiałach.

3. Energetyczne diagramy fosforów (4 godz.)

Model pasm energetycznych. Pasma energetyce materiału. Absorpcja światła fosforem: absorpcja fundamentalna i absorpcja aktywatora. Poziomy lokalne w przerwie energetycznej. Jonizacja aktywatora. Luminescencja rekombinacyjna i luminescencja wewnętrzna oraz ich główne cechy. Pułapki energetyczne elektronów e i dziur h. Termoluminescencja i luminescencja stymulowana optycznie. Energia aktywacji. Zewnętrzne gaszenie luminescencji. Etapy wzbudzenia fosforu: mnożenie e/h par, transport i luminescencja. Model krzywych potencjalnych. Model oscylatora harmonicznego. Koordynata konfiguracyjna. Krzywe potencjalne. Zasada Franka-Kondona. Oddziaływanie elektronu z fononami. Zależność szerokości widma luminescencji od temperatury. Luminescencja w modelu krzywych potencjalnych. Przesunięcia Stockesa. „Gorąca” luminescencja. Wewnętrzne gaszenie luminescencji. Wzór Motta. Termiczna i optyczna energia aktywacji pułapki.

Zakresy stosowania modelu pasm energetycznych i modelu krzywych potencjalnych.

Spektroskopia w podczerwieniu i spektroskopia Ramana (2 godz.) Fizyczne zasady metod oraz aparatura pomiarowa. Przykłady zastosowania spektroskopii Ramana do określenia do badania widm wibracyjnych cząsteczek na przykładzie materiałów w rożnych strukturach krystalicznych.

4. Spektroskopowe metody obserwacji defektów punktowych (6 godz.)

Absorpcja. Centra barwne. Przykłady centrów barwnych w materiałach optycznych. Naładowane luki, jako centra barwne. Spektroskopia absorpcyjna F i F+ centrów. Spektroskopia absorpcyjna centrów barwnych, stworzonych agregatami wakansów.

Luminescencja. Oznaczenie luminescencji. Rodzaje luminescencji. Luminescencja w ciałach stałych. Parametry luminescencji. Centra luminescencji: wewnętrzne i zewnętrzne.

Typy centrów luminescencji. Defekty i domieszki.

Luminescencja matryc materiałów optycznych. Ekscytony, jako centra luminescencji i ich rodzaje: ekscytony samopułapkowane, lokalizowane i związane oraz charakterystyki ich absorpcji i emisji.

Defekty. Defekty antypołożeniowe oraz luki.

Defekty antypołożeniowe, jako centa luminescencji i ich przykłady w halogenkach i tlenkach. Główny cechy luminescencji defektów antypolozeniowych.

Naładowane luki anionów, jako centra luminescencji. Przykłady emisji i absorpcji F+ i F centrów w fosforach. F centry w halogenkach. Prawo Molwo - Iway’a w halogenkach. F+ i F centra w tlenkach. Główny cechy luminescencji F+ i F centrów.

Centra luminescencyjne typu defekt –domieszka, ich przykłady w halogenkach i tlenkach. Luminescencja ekscytonów, lokalizowanych przy rożnych typach defektów.

Defekty punktowe jako centry polakowania w materiałach optycznych. Zjawisko termoluminescencji (TSL) i luminescencji stymulowanej optycznie (OSL). Naładowane luki i defekty antypołożeniowe jako centra TSL i OSL w szczególnych przykładach materiałów optycznych.

5. Spektroskopowe metody obserwacji domieszek (12 godz.)

Typy przejść optycznych w domieszkach. Przejścia dosolone i wzbronione, siła oscylatora. Przejścia z przeniesieniem ładunku.

Domieszki izoelektronowe. Pierwiastki, tworzące domieszki izoelektronowe w matrycach. Czynniki wpływające na formowanie domieszek izoelektronowych. Defekty antypołożeniowe, jako analogi domieszek izoelektronowych. Luminescencja domieszek izoelektronowych i jej główne cechy w wybranych materiałach.

Domieszki ziem rzadkich. Ogólna charakterystyka ziem rzadkich codo formowania centrów absorpcji i luminescencji.

Absorpcja i luminescencja ziem rzadkich z przejęciami d-f. Przykłady lantanowców z przejęciami d-f. Optyczne właściwości przejść d-f. Cechy spektroskopowej obserwacji przejść d-f. Wpływ pola krystalicznego oraz symetrii otoczenia na przejęcia d-f. „Inżynieria” widm absorpcji i luminescencji lantanowców z przejęciami d-f (na przykładzie wybranych materiałów).

Absorpcja i luminescencja jonów ziem rzadkich z przejściami f-f. Przykłady lantanowców z przejściami f-f. Optyczne właściwości przejść f-f. Cechy spektroskopowej obserwacji przejść f-f. Przejęcia cross-relaksacyjne w lantanowcach; przykłady takich lantanowców.

Absorpcja i luminescencja metalów przejściowych. Domieszki, które należą do metali przejściowych. Struktura elektronowa dla rożnych konfiguracji metalów przejściowych. Osobliwości diagramy Tanabe-Sugano dla konfiguracji d1. Wpływ pola krystalicznego na poziomy 2E i 2T2 metali przejściowych. Kształt widm emisji metalów przejściowych dla konfiguracji d1 w zależności od siły pola krystalicznego. Możliwość istnienia domieszek metali przejściowych w rożnych stanach walencyjnych (na przykładzie wybranych materiałów). Przejścia z przekazywaniem ładunku z udziałem metali przejściowych.

Absorpcja i luminescencja jonów rtęci podobnych. Domieszki, który należą do jonów grupy rtęci o strukturze elektronowej ns2. Główne cechy absorpcji i luminescencji jonów grupy rtęci. Wpływ efektu Jana – Tellera na kształt widm luminescencji jonów grupy rtęci. Czynniki wpływające na stosunek wydajności luminescencji wewnętrznej i luminescencji ekscytonowej ns2 jonów oraz przykłady materiałów z dominującą luminescencją wewnętrzną i luminescencją ekscytonową.

1. 5. Procesy przekazy energii wzbudzenia (2 godz.)

2. Główne cechy obserwacji przekazu energii wzbudzenia. Przykłady jednoczesnego przekazywania energii wzbudzenia do rożnych aktywatorów. Up- i down-konwersja. Przykłady jonów ziem rzadkich z up- i down-konwersjami.

6. Radioskopowe metody obserwacji defektów punktowych i domieszek (4 godz.) Centra diamagnetyczne i paramagnetyczne. Zasady działania spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) i rezonansu magnetycznego jądrowego (NMR). Przykłady spektrów EPR i NMR dla rożnych defektów i domieszek w wybranych materiałach optycznych.