SZKŁA SPECJALNE PROJEKT: ZAAWANSOWANA NAUKA O MATERIAŁACH Marta Kasprzyk 31.03.2015
Szkło materiał uniwersalny SZKŁO
BUDOWNICTWO
Właściwości techniczne gęstość ρ = 2,4 2,6 g cm 3 twardość wg skali Mohsa ~5-7 2400 2600 kg m 3 wytrzymałość na zginanie ~30-50 MPa wytrzymałość na ściskanie 800 1100 MPa przewodność cieplna λ = 1 1,45 W m K przenikanie ciepła U = 6,16 W m 2 K SI: SI: J m 2 s K J m s K, dla szyby o gr. 5 mm
Wypełnienia niskoemisyjne Niskoemisyjne (ciepłochronne) PCMW (phase change material filled glass window) parafina Na 2 SO 4 10H 2 O (sól glauberska) CaCl 2 6H 2 O
Powłoki niskoemisyjne Niskoemisyjne (ciepłochronne) Cienkie powłoki metaliczne zwierciadło dla części promieniowania IR wysoka transmitancja promieniowania VIS niska emisyjność zminimalizowanie strat ciepła
Powłoki antyrefleksyjne ograniczenie odblasków zwiększenie ilości światła przechodzącego przez szkło obniżenie odbicia światła warstwa o współczynniku załamania światła niższym niż szkło najczęściej stosowane powłoki naprzemienne (o niskim i wysokim n w )
Powłoki samoczyszczące Hydrofilowa i fotokatalizująca (efekt samoczyszczący) pokryte tlenkiem tytanu właściwości katalityczne pod wpływem UV zabrudzenia ulegają rozkładowi
Powłoki samoczyszczące
Powłoki wielofunkcyjne SiO 2 TiO 2 (nanorurki) TiO 2 NiCrO x Ti Ag NiCr Si 3 N 4
Inne powłoki Barierowe (blokujące dyfuzję składników szkła do zawartości np. leków) Barwne Przeciwmgielne Bakteriobójcze
OPTOELEKTRONIKA
OPTOELEKTRONIKA Materiały optyczne i optoelektroniczne są przeznaczone do budowy elementów i układów generacji, wzmacniania, propagacji, formowania i modulacji promieniowania elektromagnetycznego o długości fali mieszczącej się w umownie przyjętym przedziale λ = 0,01 100μm
Szkło optyczne Współczynnik załamania światła n Współczynnik absorpcji α Dyspersja υ d = 120 30 Przepuszczalność światła w zakresie widzialnym Luminescencja i efekty radiacyjne Współczynnik odbicia Współczynnik transmisji
Luminescencja Emisja promieniowania świetlnego wywołana nie przez termiczne wzbudzanie atomów, lecz przez oddziaływanie energii innej niż cieplna następstwem są elektronowe przejścia międzypoziomowe w materiałach optycznych najbardziej interesująca jest fotoluminescencja
Luminescencja Nd 3+ Er 3+ Yb 3+
Luminescencja Tab. Charakterystyka emisji ważniejszych ośrodków laserowych (fragm.) Ośrodek Długość fali λ [nm] Czas życia w stanie wzbudzonym τ Szerokość linii spektralnej Δυ Nd 3+ : YAG 1,064 1,2ms 120 GHz 1,82 Nd 3+ : szkło 1,06 0,3ms 3 THz ~1,5 Er 3+ : włókno światłowodu ze szkła kwarcowego 1,55 10,0ms 4 THz 1,46 Współczynnik załamania n
Konwersja energii: up-conversion Konwersja w górę (up-conversion): proces emitowania promieniowania o niższej długości fali (równocześnie większej energii), niż promieniowanie wzbudzające. Mechanizmy: Absorpcja stanu wzbudzonego (excited state absorption ESA) Absorpcja z transferem energii (energy transfer upconversion ETU) Lawina fotonów (photon avalanche PA) źródło: http://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/biology/upconverting-ucp-nanocrystals.html
Konwersja energii Spektrum emisji Yb 3+ Er 3+ /Tm 3+ Intensywność Er 3+ vs. Er 3+ Yb 3+
Konwersja energii Scyntylatory konwertujące promieniowanie jonizujące w światło widzialne Światłoczułe płytki fosforowe (storage phosphors) przekształcające promieniowanie w pary dziuraelektron, które są obrazem utajonym, nazywane czujnikami pośrednimi Dwustronne komórki solarne (bifacial solar cells) zwiększające wydajność paneli słonecznych przez konwersję fotonów dalekiej podczerwieni Światłowody planarne (planar optical waveguides) Lasery bezpieczne dla oczu (eye-safe lasers) emitujące promieniowanie o długości ~1,4μm, które jest absorbowane przez rogówkę i soczewkę, przez co nie dociera do bardziej wrażliwej siatkówki żródło: http://www.laser2000.co.uk/hp/effect.jpg
Konwersja energii: down-conversion Konwersja w dół (down-conversion): proces emitowania promieniowania o wyższej długości fali (równocześnie mniejszej energii), niż promieniowanie wzbudzające. Komórki solarne (solar cells) zwiększające wydajność paneli słonecznych przez konwersję fotonów z zakresu ultrafioletu Fig.2 The visible (a) and NIR (b) emission spectra of Tm 3+ single doped sample TmYb0 and Tm 3+ /Yb 3+ co-doped Samples TmYb1, TmYb2, TmYb3 excited by 468 nm, respectively.
Bibliografia 1. A.Szwedowski, Materiałoznawstwo optyczne i optoelektroniczne. Ogólne właściwości materiałów, Warszawa: WNT, 1996 2. A.Szwedowski, R.Romaniuk, Szkło optyczne i fotoniczne. Właściwości techniczne, Warszawa: WNT, 2009 3. B.Sikora, Zaprojektowanie i scharakteryzowanie biosensorów opartych na koloidalnych nanocząstkach do zastosowań w biologii i medycynie, rozprawa doktorska, Warszawa: Instytut Fizyki PAN, 2013 4. M.Środa Tlenkowo-fluorkowa szkło-ceramika aktywna optycznie, rozprawa habilitacyjna, Kraków: Akademia Górniczo-Hutnicza, 2011 5. S.Schweizer, B.Henke, P.T.Miclea, B.Ahrens, J.A.Johnson, Multi-functionality of fluorescent nanocrystals in glass ceramics, Radiation Measurement (2010), 485-489 6. Ł.Grobelny, W.A.Pisarski, J.Pisarska, R.Lisiecki, W.Ryba-Romanowski, Up-conversion processes of rare earth ions in heavy metal glasses, Journal of Rare Earths (2011), 1192-1194 7. M.Ajroud, M.Haouari, H.Ben Ouada, H.Maaref, A.Brenier, B.Champagnon, Energy transfer processes in (Er 3+ - Yb 3+ )-codoped germanate glasses for mid-infrared and up-conversion applications, Materials Science and Engineering (2006), 523-529 8. F.Huang, Y.Han, L.Chen, J.Tang, Y.Xu, Q.Nie, Q.Jiao, S.Dai, Visible to Near-infrared Downconversion in Tm 3+ /Yb 3+ Co-doped Chalcohalide Glasses for Solar Spectra Converter, Infrared Physics & Technology (2015) 9. L.J.Borrero-Gonzalez, L.A.O.Nunes, J.L.Carmo, F.B.G.Astrath, M.L.Baesso, Spectroscopic studies and downconversio luminescence in OH - - free Pr 3+ - Yb 3+ co-doped low-silica calcium aluminosilicate glasses, Journal of Luminescence (2014), 615-619 10. S.Li, K.Zhong, Y.Zhou, X.Zhang, Comparative study on the dynamic heat transfer characteristics of PCM-filled glass window and hollow glass window, Energy and Buildings (2014), 483-492 11. L.Tian, Z.Xu, S.Zhao, Y.Cui, Z.Liang, J.Zhang, X.Xu, The Upconversion Luminescence of Er 3+ /Yb 3+ /Nd 3+ Triply-Doped β-nayf 4 Nanocrystals under 808-nm Excitation, Materials (2014), 7289-7303
Bibliografia c.d. 12. B.S.Reddy, H.Y.Hwang, Y.D.Jho, B.S.Ham, S.Sailaja, C.M.Reddy, B.V.Rao, S.J.Dhoble, Optical properties of Nd 3+ -doped and Er 3+ - Yb 3+ codoped borotellurite glass for use in NIR lasers and fiber amplifiers, Ceramics International (2015), 3684-3692 13. J.Mohelnikova, Materials for reflective coatings of window glass applications, Construction and Building Materials (2009), 1993-1998 14. Nabuda F., Lichograj R., Wrzosek P. Światłowodowe sieci teleinformatyczne, Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, Politechnika Warszawska, 15. http://www.icm.edu.pl/~mstol/fotonika/wyklady%20inz%20nanostruktur%20rb%202012/wyklad%201%20dwojlomnosc%20rb.pdf 16. http://home.howstuffworks.com/home-improvement/construction/green/smart-window2.htm 17. materialyinzynierskie.pl/jak-powstaja-dzialaja-szyby-kuloodporne 18. www.swiat-szkla.pl 19. www.pilkington.com 20. www.autoevolution.com/news/ice-and-fog-free-windshields-explained-26221.html 21. www.agc-automotive.com 22. en.wikipedia.org/wiki/self-cleaning_glass