Βάση δεδομένων υλικών: Μέρος Α – Εισαγωγή

Αυτή η σελίδα εξηγεί τι περιέχει η βάση δεδομένων OghmaNano Materials, πώς να ανοίξετε και να επεξεργαστείτε τις εγγραφές, πώς να εισαγάγετε δεδομένα n-k ή απορρόφησης (συμπεριλαμβανομένης της μετατροπής μονάδων) και πού αποθηκεύονται τα υλικά στον δίσκο.

1. Επισκόπηση

Η βάση δεδομένων OghmaNano Materials αποθηκεύει μια σειρά από φυσικές ιδιότητες και ιδιότητες αναφοράς για κάθε υλικό. Αυτές είναι οργανωμένες σε κατηγορίες, ώστε οι προσομοιώσεις να μπορούν να χρησιμοποιούν συνεπή, κεντρικά αποθηκευμένα δεδομένα. Οι κύριες πληροφορίες περιλαμβάνουν:

Οπτικές σταθερές:
- Δείκτης διάθλασης n(λ) (αδιάστατος – και αντιπροσωπεύει το πραγματικό μέρος του δείκτη διάθλασης) ??.
- Συντελεστής απορρόφησης α(λ) (m-1 – και αντιπροσωπεύει το φανταστικό μέρος του δείκτη διάθλασης) ??.
- Κανονικοποιημένο φάσμα εκπομπής ??.
Βασικά μεταδεδομένα: Φυσικό χρώμα για τρισδιάστατα σχέδια, τύπος υλικού, ρυθμίσεις απορρήτου και αρχείο καταγραφής αλλαγών ??.
Σενάριο υλικού: Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα προαιρετικό αρχείο Lua για τον ορισμό παραμέτρων υλικού που μεταβάλλονται ως συναρτήσεις της θερμοκρασίας, της θέσης (x, y, z), της σύνθεσης ή της πυκνότητας φωτονίων. Αυτό επιτρέπει προηγμένα μοντέλα υλικών, όπως τα ενεργειακά διαστήματα που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, οι ιδιότητες που εξαρτώνται από τη σύνθεση και οι χωρικά μεταβαλλόμενες ηλεκτρικές ή θερμικές παράμετροι. Το σενάριο δεν είναι απαραίτητο για σταθερές παραμέτρους υλικού, οι οποίες μπορούν να εισαχθούν απευθείας χρησιμοποιώντας τα τυπικά εργαλεία επεξεργασίας. Δείτε το Σχήμα ??.
Δεδομένα κύκλου ζωής: Πυκνότητα, κόστος ανά χιλιόγραμμο και ενέργεια ανά χιλιόγραμμο για υπολογισμούς ενσωματωμένης ενέργειας και κόστους ??.

Συνολικά, αυτά τα σύνολα δεδομένων παρέχουν έναν κεντρικό και συνεπή ορισμό για κάθε υλικό, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλες τις προσομοιώσεις.

OghmaNano Material editor showing refractive index of the material as a function of wavelength — Δείκτης διάθλασης έναντι μήκους κύματος.

OghmaNano Material editor showing absorption spectrum of the material as a function of wavelength — Φάσμα απορρόφησης έναντι μήκους κύματος.

OghmaNano Material editor showing optical emission spectrum of the material as a function of wavelength — Φάσμα οπτικής εκπομπής σε σχέση με το μήκος κύματος.

OghmaNano Material editor showing basic parameters including material color, type, privacy options, and change log — Βασικές παράμετροι: χρώμα, τύπος και αρχείο αλλαγών.

OghmaNano Material editor showing an optional Lua material script used to define electrical and physical material parameters. — Προαιρετικό σενάριο Lua για προηγμένα μοντέλα υλικών. Οι περισσότεροι χρήστες μπορούν να χρησιμοποιήσουν απευθείας τις τυπικές παραμέτρους υλικών χωρίς να χρειαστεί να γράψουν κώδικα· η δυνατότητα δημιουργίας σεναρίων είναι διαθέσιμη όταν οι ιδιότητες πρέπει να οριστούν δυναμικά ή να συνδεθούν με μια σαφώς καθορισμένη πηγή.

OghmaNano Material editor showing life cycle parameters including density, cost per kilogram, and energy per kilogram — Παράμετροι του κύκλου ζωής: πυκνότητα, κόστος και ενέργεια ανά κιλό.

2. Πρόσβαση στη βάση δεδομένων υλικών.

Ανοίξτε τη Βάση Δεδομένων Υλικών από την καρτέλα "Βάσεις Δεδομένων" κάνοντας κλικ στο εικονίδιο "Βάση Δεδομένων Υλικών" ??. Αυτό θα ανοίξει το πρόγραμμα περιήγησης της Βάσης Δεδομένων Υλικών ??, όπου τα υλικά είναι οργανωμένα σε φακέλους ανάλογα με την κατηγορία υλικού, συμπεριλαμβανομένων των μειγμάτων, των στοιχείων, των αερίων, των γυαλιών, των μετάλλων, των οξειδίων, των περοβσκιτών, των πολυμερών και των μικρών μορίων. Παρέχεται επίσης μια ειδική συλλογή που έχει εισαχθεί από το refractiveindex.info.

Κάντε διπλό κλικ σε έναν φάκελο για να περιηγηθείτε στα περιεχόμενά του. Για παράδειγμα, ανοίγοντας τον φάκελο "Oxides", εμφανίζονται τα διαθέσιμα οξείδια και οι υποφάκελοι ??. Οι φάκελοι απεικονίζονται με τα συνηθισμένα εικονίδια φακέλων, ενώ τα μεμονωμένα υλικά απεικονίζονται με εικονίδια ατόμων, διευκολύνοντας έτσι τη διάκριση μεταξύ των υλικών που μπορούν να ανοιχτούν απευθείας και των περαιτέρω ομάδων υλικών. Κάντε διπλό κλικ σε ένα εικονίδιο ατόμου για να ανοίξετε το αντίστοιχο υλικό στον Επεξεργαστή Υλικών και να ελέγξετε τις οπτικές, ηλεκτρικές και άλλες φυσικές του ιδιότητες.

Databases ribbon in OghmaNano with the Materials database icon highlighted—the entry point for opening the materials database — Πρόσβαση στη βάση δεδομένων Υλικών μέσω της καρτέλας Βάσεις δεδομένων.

Initial OghmaNano Materials database browser showing the top-level material folders — Βάση δεδομένων με υλικά υψηλής ποιότητας, όπου τα υλικά είναι οργανωμένα σε φακέλους ανά κατηγορία υλικού.

OghmaNano Materials database browser showing the Oxides folder, with subfolders represented by folder icons and individual materials represented by atom icons — Μέσα στον φάκελο "Oxides". Οι φάκελοι εμφανίζονται με εικονίδια φακέλων, ενώ τα μεμονωμένα υλικά απεικονίζονται με εικονίδια ατόμων.

3. Προσθήκη υλικών στη βάση δεδομένων.

Για να προσθέσετε ένα νέο υλικό, ανοίξτε τη βάση δεδομένων Υλικών και, στη συνέχεια, κάντε κλικ στην επιλογή "Προσθήκη υλικού" στην επάνω δεξιά γωνία του παραθύρου (??). Αυτό θα ανοίξει ένα παράθυρο διαλόγου, στο οποίο θα σας ζητηθεί να δώσετε ένα όνομα για το νέο σας υλικό, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Στην περίπτωσή μας, ονομάσαμε το υλικό "my_new_material".

OghmaNano Materials database window showing the Add Material button highlighted — Βήμα 1: Προσθήκη ενός νέου υλικού στη βάση δεδομένων Υλικών χρησιμοποιώντας το κουμπί "Προσθήκη Υλικού".

Dialog window in OghmaNano prompting for a new material name, with example 'my_new_material' — Βήμα 2: Ονοματοδοσία ενός νέου υλικού στο παράθυρο διαλόγου της βάσης δεδομένων Υλικών.

OghmaNano Materials database window showing the newly created material 'my_new_material' highlighted in red — Βήμα 3: Το νέο υλικό `my_new_material` προστέθηκε στη βάση δεδομένων Υλικών.

OghmaNano Material editor window for a newly created material, showing empty data tabs for Absorption, Refractive index, Basic, Electrical parameters, and Thermal parameters — Βήμα 4: Το παράθυρο του επεξεργαστή υλικών για το νεοδημιουργημένο υλικό `my_new_material`, το οποίο αρχικά είναι άδειο.

Αφού κάνετε κλικ στο "OK", το νέο υλικό θα εμφανιστεί, όπως φαίνεται στην εικόνα. [εικ. υλικόπροσθήκη4], ανοίξτε το κάνοντας διπλό κλικ πάνω του. Αυτό θα ανοίξει ένα άδειο παράθυρο υλικού, χωρίς δεδομένα. Δείτε το Σχήμα. [εικ. υλικόπροσθήκη5].

Συμβουλή: Πολλά από τα υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι ήδη διαθέσιμα στη βάση δεδομένων υλικών OghmaNano, επομένως σε πολλές περιπτώσεις δεν θα χρειαστεί να ορίσετε ένα νέο υλικό μόνοι σας. Επιπλέον δεδομένα n/k μπορούν επίσης να ληφθούν από ανοιχτά αποθετήρια, όπως το refractiveindex.info. Δείτε το Λήψη περισσότερων υλικών για οδηγίες σχετικά με τον τρόπο προσθήκης αυτών των συνόλων δεδομένων στο OghmaNano. Μπορείτε επίσης να επαναχρησιμοποιήσετε υπάρχοντα σύνολα δεδομένων n/k όταν οι ακριβείς οπτικές σταθερές δεν είναι σημαντικές για την προσομοίωση· για παράδειγμα, πολλές οργανικές ημιαγώγιμες μεμβράνες έχουν δείκτη διάθλασης περίπου 3 και συντελεστές απορρόφησης στην περιοχή 106–107 m-1, επομένως η χρήση οπτικών δεδομένων από ένα παρόμοιο υλικό μπορεί να μην έχει μεγάλη διαφορά στη συμπεριφορά της προσομοιωμένης συσκευής. Η έλλειψη ακριβών οπτικών ή ηλεκτρικών παραμέτρων από τη βιβλιογραφία δεν θα πρέπει να σας εμποδίζει να πραγματοποιήσετε μια προσομοίωση, ούτε η εύρεση ενός πλήρους συνόλου παραμέτρων υλικού χρειάζεται απαραίτητα να είναι το σημείο εκκίνησης. Μια προσομοίωση μπορεί συχνά να ξεκινήσει με αντιπροσωπευτικές τιμές, οι οποίες στη συνέχεια μπορούν να βελτιωθούν καθώς διατίθενται καλύτερα δεδομένα υλικού. Εάν χρειάζεται να ορίσετε το δικό σας υλικό, χρειάζεται μόνο να προσθέσετε τις ιδιότητες που απαιτούνται για τη φυσική που θέλετε να προσομοιώσετε. Για παράδειγμα, ένα νέο μη ηλεκτρικά ενεργό ενδιάμεσο στρώμα ή υπόστρωμα μπορεί να απαιτεί μόνο n(λ) και α(λ) για οπτική μοντελοποίηση. Δεν χρειάζεται να ορίσετε ένα σενάριο Lua, εκτός εάν θέλετε οι παράμετροι του υλικού να μεταβάλλονται ανάλογα με ποσότητες όπως η θερμοκρασία, η θέση (x, y, z), η σύνθεση ή η πυκνότητα φωτονίων. Δεδομένα εκπομπής απαιτούνται μόνο για υλικά που εκπέμπουν, και δεδομένα κύκλου ζωής απαιτούνται μόνο για ανάλυση κύκλου ζωής.

4. Κατανόηση των δεδομένων n/k (δεδομένων n/άλφα)

Πριν επιχειρήσετε να προσθέσετε δεδομένα n/k (δεδομένα n/alpha) στο OghmaNano, είναι σημαντικό να κατανοήσετε τι είναι τα δεδομένα n-k. Τα δεδομένα n-k περιγράφουν τον σύνθετο δείκτη διάθλασης ενός υλικού: το πραγματικό μέρος n και το φανταστικό μέρος k.

n (πραγματικός δείκτης διάθλασης): καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο διαθλάται το φως όταν εισέρχεται σε ένα υλικό (π.χ. την εκτροπή της δέσμης που παρατηρείτε με ένα πρίσμα).
k (συντελεστής απορρόφησης): καθορίζει την οπτική απώλεια λόγω απορρόφησης. Ένα υλικό με υψηλό k απορροφά έντονα (π.χ. θολό νερό), ενώ ένα υλικό με χαμηλό k απορροφά ασθενώς (π.χ. καθαρό νερό).

Στη βιβλιογραφία, η οπτική απώλεια παρουσιάζεται με διάφορους τρόπους. Οι πιο συνηθισμένες μορφές περιλαμβάνουν τον συντελεστή απορρόφησης α (απώλεια ανά μέτρο, μονάδες m-1), τον συντελεστή εξασθένησης k (το φανταστικό μέρος του δείκτη διάθλασης, χωρίς μονάδες) και την απορροφητικότητα (επίσης γνωστή ως οπτική πυκνότητα), η οποία είναι μια λογαριθμική μέτρηση της διαπερατότητας και χρησιμοποιείται συνήθως στη φασματοσκοπία. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι όλα αυτά είναι, στην ουσία, η ίδια φυσική ποσότητα, απλώς εκφράζονται με διαφορετικούς τρόπους. Η OghmaNano δέχεται τον συντελεστή απορρόφησης α σε μονάδες m-1. Το παρακάτω πλαίσιο εξηγεί τις διαφορές μεταξύ αυτών των ποσοτήτων και τον τρόπο μετατροπής μεταξύ τους.

n, k και απορρόφηση α – με μια ματιά.

Ο μιγαδικός δείκτης διάθλασης είναι \( N(\lambda) = n(\lambda) + i\,k(\lambda) \), όπου \(n\) (δείκτης διάθλασης) και \(k\) (συντελεστής απορρόφησης) είναι αδιάστατες ποσότητες. Το OghmaNano αποθηκεύει:

n(λ) στο n.csv (αδιάστατο)
α(λ) — συντελεστής απορρόφησης — σε alpha.csv (\(\mathrm{m^{-1}}\))

Εάν έχετε \(k(\lambda)\) αντί για \( \alpha(\lambda) \), το πρόγραμμα εισαγωγής πραγματοποιεί τη μετατροπή χρησιμοποιώντας: \( \displaystyle \alpha(\lambda) = \frac{4\pi\,k(\lambda)}{\lambda} \) (με \( \lambda \) σε μέτρα → \( \alpha \) σε \( \mathrm{m^{-1}} \)).

Από την απορρόφηση/οπτική πυκνότητα (Α) ή τη διαπερατότητα (Τ)

\( A = -\log_{10}(T) \)
\( \displaystyle \alpha = (\ln 10)\,\frac{A}{d} \) πού \( d \) είναι το πάχος της μεμβράνης (m);

Μονάδες μέτρησης: \( \lambda \) σε μέτρα (m), \(n\) και \(k\) είναι χωρίς μονάδες, \( \alpha \) σε \( \mathrm{m^{-1}} \). Οι καμπύλες που φέρουν την ένδειξη «a.u.» για την απορρόφηση δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα.

Παράδειγμα εφαρμογής — μετατροπή \(k \rightarrow \alpha\)

Δεδομένου ότι \( k=0.02 \) στο \( \lambda=500\,\mathrm{nm}=5.00\times10^{-7}\,\mathrm{m} \):

\( \displaystyle \alpha = \frac{4\pi k}{\lambda} = \frac{4\pi \times 0.02}{5.00\times10^{-7}} \approx 5.03\times10^{5}\ \mathrm{m^{-1}} \).

5. Εισαγωγή δεδομένων n/alpha (ή δεδομένων n/k)

Κάντε κλικ στην επιλογή «Εισαγωγή δεδομένων από αρχείο» στην επάνω αριστερή γωνία του παραθύρου υλικού ?? για να ανοίξετε τον οδηγό «Εισαγωγή δεδομένων» ??. Η καρτέλα που είναι επιλεγμένη καθορίζει πού θα αποθηκευτούν τα εισαγόμενα δεδομένα. Εάν είναι ανοιχτή η καρτέλα «Δείκτης διάθλασης», τα δεδομένα θα εισαχθούν στο σύνολο δεδομένων του δείκτη διάθλασης· εάν είναι επιλεγμένη η καρτέλα «Απορρόφηση», θα εισαχθούν στο σύνολο δεδομένων της απορρόφησης. Βεβαιωθείτε ότι εισάγετε τα σωστά δεδομένα στη σωστή καρτέλα.

Η OghmaNano αποθηκεύει τα οπτικά δεδομένα εσωτερικά στις ακόλουθες μορφές SI:

Δείκτης διάθλασης n(λ): μήκος κύματος (m) έναντι δείκτη διάθλασης (αδιάστατο).
Απορρόφηση α(λ): μήκος κύματος (m) έναντι συντελεστή απορρόφησης (m-1).

Το αρχείο πηγής σας δεν χρειάζεται να χρησιμοποιεί μονάδες SI. Για τον άξονα x, ο οδηγός μπορεί να δεχτεί μήκος κύματος σε nm, μm, cm ή m, καθώς και ενέργεια φωτονίων σε eV, συχνότητα ή γωνιακή συχνότητα. Για τον άξονα y, τα οπτικά δεδομένα μπορούν να παρέχονται ως δείκτης διάθλασης n, συντελεστής απορρόφησης k ή συντελεστής απορρόφησης α, με τις κατάλληλες μονάδες να επιλέγονται ώστε να ταιριάζουν με τα δεδομένα πηγής. Στη συνέχεια, ο οδηγός μετατρέπει την είσοδο στη μορφή SI που χρησιμοποιεί το OghmaNano, συμπεριλαμβανομένων μετατροπών όπως nm → m, cm-1 → m-1 και eV → μήκος κύματος χρησιμοποιώντας λ = hc/E. Εάν το αρχείο σας περιέχει k(λ), ο οδηγός μπορεί επίσης να υπολογίσει το α(λ) χρησιμοποιώντας α(λ) = 4πk(λ)/λ.

Διαδικασία εισαγωγής

Ανοίξτε το αρχείο κειμένου ή CSV που περιέχει τα δεδομένα σας.
Ελέγξτε τα αρχικά δεδομένα στην προεπισκόπηση που εμφανίζεται στην αριστερή πλευρά.
Επιλέξτε την ποσότητα και τις μονάδες που θα εμφανίζονται στον άξονα x, έτσι ώστε να ταιριάζουν με την πρώτη στήλη του αρχείου εισόδου σας. Για παράδειγμα, επιλέξτε «Μήκος κύματος (nm)» εάν οι τιμές του μήκους κύματος δίνονται σε νανόμετρα.
Επιλέξτε την ποσότητα και τις μονάδες του άξονα y, έτσι ώστε να ταιριάζουν με τη δεύτερη στήλη του αρχείου εισόδου σας. Για παράδειγμα, επιλέξτε Δείκτη διάθλασης (au), Απορρόφηση (m^-1), Απορρόφηση (cm^-1) ή Συντελεστή απορρόφησης (k) (au).
Ελέγξτε τα μετασχηματισμένα δεδομένα SI στο δεξιό πλαίσιο.
Κάντε κλικ στην επιλογή "Εισαγωγή δεδομένων" για να αποθηκεύσετε τα δεδομένα στο υλικό.

Παράδειγμα: Εάν το αρχείο σας περιέχει το μήκος κύματος σε νανόμετρα στην πρώτη στήλη και τον συντελεστή απορρόφησης k στη δεύτερη στήλη, επιλέξτε «Μήκος κύματος (nm)» για τον άξονα x και «Συντελεστής απορρόφησης (k) (au)» για τον άξονα y. Το OghmaNano θα μετατρέψει στη συνέχεια το μήκος κύματος σε μέτρα και θα υπολογίσει το α(λ) από το k(λ) κατά τη διάρκεια της εισαγωγής.

Η προβολή του οδηγού εμφανίζεται στην εικόνα ??. Μετά την εισαγωγή, τα διαγράμματα ενημερώνονται στον επεξεργαστή υλικών ??. Εάν εισάγετε μόνο την απορρόφηση, θυμηθείτε να παρέχετε επίσης τον δείκτη διάθλασης πριν χρησιμοποιήσετε το υλικό σε μια προσομοίωση.

OghmaNano data importer window showing steps to import material data with labelled regions a) to f) — Το παράθυρο εισαγωγής δεδομένων στο OghmaNano, που δείχνει τη διαδικασία εισαγωγής δεδομένων υλικού: α) άνοιγμα του αρχείου δεδομένων, β) προεπισκόπηση του εισαγόμενου αρχείου, γ) επιλογή μονάδων για τον άξονα x, δ) επιλογή μονάδων για τον άξονα y, ε) το αρχείο που έχει μετατραπεί σε μονάδες SI, στ) εισαγωγή των δεδομένων.

OghmaNano Material editor showing imported absorption spectrum data for my_new_material — Το εισαγόμενο φάσμα απορρόφησης.

Συνηθισμένες παγίδες

Η απορρόφηση σε «α.μ.» ή η ομαλοποίηση σε 1 → δεν είναι χρήσιμη, καθώς έχει χάσει τις πληροφορίες σχετικά με το μέγεθός της.
Οι τελικές εισαγόμενες τιμές θα είναι σε μονάδες SI, εξετάστε τις – έχουν νόημα – κάντε έναν έλεγχο τάξης μεγέθους;

👉 Επόμενο βήμα: Συνεχίστε στην ενότητα Μέρος Β για να βρείτε συμβουλές σχετικά με τον τρόπο εύρεσης δεδομένων n/k για το υλικό σας.