Database dei materiali: Parte A – IntroduzioneDatabase dei materiali: Parte A – Introduzione
Questa pagina illustra il contenuto del database OghmaNano Materials, spiega come aprire e modificare le voci, come importare i dati n-k o di assorbimento (compresa la conversione delle unità di misura) e dove vengono memorizzati i materiali sul disco.Questa pagina illustra il contenuto del database OghmaNano Materials, spiega come aprire e modificare le voci, come importare i dati n-k o di assorbimento (compresa la conversione delle unità di misura) e dove vengono memorizzati i materiali sul disco.
1. Panoramica1. Panoramica
Il database OghmaNano Materials contiene una serie di proprietà fisiche e di riferimento per ciascun materiale. Queste proprietà sono organizzate in categorie, in modo che le simulazioni possano utilizzare dati coerenti e centralizzati. Le informazioni principali includono:Il database OghmaNano Materials contiene una serie di proprietà fisiche e di riferimento per ciascun materiale. Queste proprietà sono organizzate in categorie, in modo che le simulazioni possano utilizzare dati coerenti e centralizzati. Le informazioni principali includono:
- Costanti ottiche: Costanti ottiche:
- Metadati di base: colore fisico per i disegni 3D, tipo di materiale, impostazioni sulla privacy e registro delle modifiche ??.Metadati di base: colore fisico per i disegni 3D, tipo di materiale, impostazioni sulla privacy e registro delle modifiche ??.
- Script dei materiali: è possibile utilizzare un file Lua opzionale per definire i parametri dei materiali che variano in funzione della temperatura, della posizione (x, y, z), della composizione o della densità dei fotoni. Ciò consente di implementare modelli di materiali avanzati, come intervalli di energia variabili in funzione della temperatura, proprietà variabili in funzione della composizione e parametri elettrici o termici variabili nello spazio. Lo script non è necessario per i parametri dei materiali fissi, che possono essere inseriti direttamente utilizzando gli editor standard. Vedere la figura ??.Script dei materiali: è possibile utilizzare un file Lua opzionale per definire i parametri dei materiali che variano in funzione della temperatura, della posizione (x, y, z), della composizione o della densità dei fotoni. Ciò consente di implementare modelli di materiali avanzati, come intervalli di energia variabili in funzione della temperatura, proprietà variabili in funzione della composizione e parametri elettrici o termici variabili nello spazio. Lo script non è necessario per i parametri dei materiali fissi, che possono essere inseriti direttamente utilizzando gli editor standard. Vedere la figura ??.
- Dati relativi al ciclo di vita: densità, costo per chilogrammo ed energia per chilogrammo, utilizzati per il calcolo dell’energia incorporata e dei costi ??.Dati relativi al ciclo di vita: densità, costo per chilogrammo ed energia per chilogrammo, utilizzati per il calcolo dell’energia incorporata e dei costi ??.
Insieme, questi set di dati forniscono una definizione centralizzata e uniforme di ciascun materiale, da utilizzare in tutte le simulazioni.Insieme, questi set di dati forniscono una definizione centralizzata e uniforme di ciascun materiale, da utilizzare in tutte le simulazioni.
2. Accedere al database dei materiali2. Accedere al database dei materiali
Aprire il database dei materiali dalla scheda «Database» facendo clic sull’icona «Database dei materiali» ??. In questo modo si avvia il browser del database dei materiali ??, dove i materiali sono organizzati in cartelle in base alla loro classe, tra cui leghe, elementi, gas, vetri, metalli, ossidi, perovskiti, polimeri e piccole molecole. È inoltre disponibile una raccolta specifica importata da refractiveindex.info.Aprire il database dei materiali dalla scheda «Database» facendo clic sull’icona «Database dei materiali» ??. In questo modo si avvia il browser del database dei materiali ??, dove i materiali sono organizzati in cartelle in base alla loro classe, tra cui leghe, elementi, gas, vetri, metalli, ossidi, perovskiti, polimeri e piccole molecole. È inoltre disponibile una raccolta specifica importata da refractiveindex.info.
Fate doppio clic su una cartella per visualizzarne il contenuto. Ad esempio, aprendo la cartella «Ossidi» si visualizzano i materiali ossidici disponibili e le sottocartelle ??. Le cartelle sono rappresentate dalle icone standard, mentre i singoli materiali sono rappresentati dalle icone degli atomi, il che facilita la distinzione tra i materiali che possono essere aperti direttamente e i gruppi di materiali più ampi. Fate doppio clic sull’icona di un atomo per aprire il materiale corrispondente nell’editor dei materiali e per esaminarne le proprietà ottiche, elettriche e altre proprietà fisiche.Fate doppio clic su una cartella per visualizzarne il contenuto. Ad esempio, aprendo la cartella «Ossidi» si visualizzano i materiali ossidici disponibili e le sottocartelle ??. Le cartelle sono rappresentate dalle icone standard, mentre i singoli materiali sono rappresentati dalle icone degli atomi, il che facilita la distinzione tra i materiali che possono essere aperti direttamente e i gruppi di materiali più ampi. Fate doppio clic sull’icona di un atomo per aprire il materiale corrispondente nell’editor dei materiali e per esaminarne le proprietà ottiche, elettriche e altre proprietà fisiche.
3. Aggiunta di materiali al database.3. Aggiunta di materiali al database.
Per aggiungere un nuovo materiale, aprire il database dei materiali, quindi fare clic su «Aggiungi materiale» nell’angolo in alto a destra della finestra (??). Si aprirà una finestra di dialogo in cui verrà richiesto di assegnare un nome al nuovo materiale, come si può vedere nella figura ??. In questo caso, abbiamo chiamato il materiale «my_new_material».Per aggiungere un nuovo materiale, aprire il database dei materiali, quindi fare clic su «Aggiungi materiale» nell’angolo in alto a destra della finestra (??). Si aprirà una finestra di dialogo in cui verrà richiesto di assegnare un nome al nuovo materiale, come si può vedere nella figura ??. In questo caso, abbiamo chiamato il materiale «my_new_material».
my_new_material è stato aggiunto al database dei materiali.Passaggio 3: il nuovo materiale my_new_material è stato aggiunto al database dei materiali.
my_new_material, che inizialmente è vuota.Passaggio 4: si apre la finestra dell’editor dei materiali per il nuovo materiale creato my_new_material, che inizialmente è vuota.Dopo aver fatto clic su «OK», il nuovo materiale verrà visualizzato, come illustrato nella figura. [fig:materialadd4]apritelo facendo doppio clic sull’icona. In questo modo si aprirà una finestra vuota relativa ai materiali, senza dati. Vedere la figura. [fig:materialadd5].Dopo aver fatto clic su «OK», il nuovo materiale verrà visualizzato, come illustrato nella figura. [fig:materialadd4]apritelo facendo doppio clic sull’icona. In questo modo si aprirà una finestra vuota relativa ai materiali, senza dati. Vedere la figura. [fig:materialadd5].
Suggerimento: molti dei materiali più comunemente utilizzati sono già disponibili nel database OghmaNano Materials, quindi, in molti casi, non sarà necessario definirne uno nuovo. È inoltre possibile scaricare dati n/k aggiuntivi da repository pubblici come refractiveindex.info. Per istruzioni su come aggiungere questi set di dati a OghmaNano, consultare la sezione Download di altri materiali. È anche possibile riutilizzare set di dati n/k esistenti quando le costanti ottiche precise non sono importanti per la simulazione; ad esempio, molti film semiconduttori organici hanno un indice di rifrazione di circa 3 e coefficienti di assorbimento compresi tra 106 e 107 m-1, quindi l'utilizzo di dati ottici provenienti da un materiale simile potrebbe non influire in modo significativo sul comportamento del dispositivo calcolato. La mancanza di parametri ottici o elettrici precisi nella letteratura non dovrebbe impedirvi di eseguire una simulazione, né la necessità di trovare un set completo di parametri dei materiali deve necessariamente rappresentare il punto di partenza. Spesso, una simulazione può iniziare con valori rappresentativi, che possono poi essere perfezionati man mano che diventano disponibili dati sui materiali più accurati. Se è necessario definire un materiale personalizzato, è sufficiente aggiungere le proprietà richieste per la fisica che si desidera simulare. Ad esempio, un nuovo strato intermedio o substrato non elettricamente attivo potrebbe richiedere solo n(λ) e α(λ) per la modellazione ottica. Non è necessario definire uno script Lua a meno che non si desideri che i parametri dei materiali varino in funzione di quantità quali la temperatura, la posizione (x, y, z), la composizione o la densità dei fotoni. I dati di emissione sono necessari solo per i materiali emissivi e i dati relativi al ciclo di vita sono necessari solo per l'analisi del ciclo di vita.Suggerimento: molti dei materiali più comunemente utilizzati sono già disponibili nel database OghmaNano Materials, quindi, in molti casi, non sarà necessario definirne uno nuovo. È inoltre possibile scaricare dati n/k aggiuntivi da repository pubblici come refractiveindex.info. Per istruzioni su come aggiungere questi set di dati a OghmaNano, consultare la sezione Download di altri materiali. È anche possibile riutilizzare set di dati n/k esistenti quando le costanti ottiche precise non sono importanti per la simulazione; ad esempio, molti film semiconduttori organici hanno un indice di rifrazione di circa 3 e coefficienti di assorbimento compresi tra 106 e 107 m-1, quindi l'utilizzo di dati ottici provenienti da un materiale simile potrebbe non influire in modo significativo sul comportamento del dispositivo calcolato. La mancanza di parametri ottici o elettrici precisi nella letteratura non dovrebbe impedirvi di eseguire una simulazione, né la necessità di trovare un set completo di parametri dei materiali deve necessariamente rappresentare il punto di partenza. Spesso, una simulazione può iniziare con valori rappresentativi, che possono poi essere perfezionati man mano che diventano disponibili dati sui materiali più accurati. Se è necessario definire un materiale personalizzato, è sufficiente aggiungere le proprietà richieste per la fisica che si desidera simulare. Ad esempio, un nuovo strato intermedio o substrato non elettricamente attivo potrebbe richiedere solo n(λ) e α(λ) per la modellazione ottica. Non è necessario definire uno script Lua a meno che non si desideri che i parametri dei materiali varino in funzione di quantità quali la temperatura, la posizione (x, y, z), la composizione o la densità dei fotoni. I dati di emissione sono necessari solo per i materiali emissivi e i dati relativi al ciclo di vita sono necessari solo per l'analisi del ciclo di vita.
4. Comprensione dei dati n/k (dati n/alfa)4. Comprensione dei dati n/k (dati n/alfa)
Prima di provare ad aggiungere i dati n/k (dati n/alfa) a OghmaNano, è importante capire cosa sono i dati n-k. I dati n-k descrivono l’indice di rifrazione complesso di un materiale: la parte reale n e la parte immaginaria k.Prima di provare ad aggiungere i dati n/k (dati n/alfa) a OghmaNano, è importante capire cosa sono i dati n-k. I dati n-k descrivono l’indice di rifrazione complesso di un materiale: la parte reale n e la parte immaginaria k.
- n (indice di rifrazione reale): determina l’entità della deviazione della luce quando questa entra nel materiale (ad esempio, la deviazione del raggio che si osserva con un prisma).n (indice di rifrazione reale): determina l’entità della deviazione della luce quando questa entra nel materiale (ad esempio, la deviazione del raggio che si osserva con un prisma).
- k (coefficiente di estinzione): determina la perdita ottica dovuta all’assorbimento. Un materiale con un valore di k elevato assorbe fortemente (ad esempio, acqua torbida); un materiale con un valore di k basso assorbe debolmente (ad esempio, acqua limpida).k (coefficiente di estinzione): determina la perdita ottica dovuta all’assorbimento. Un materiale con un valore di k elevato assorbe fortemente (ad esempio, acqua torbida); un materiale con un valore di k basso assorbe debolmente (ad esempio, acqua limpida).
Nella letteratura scientifica, la perdita ottica può essere espressa in diversi modi. Le forme più comuni includono il coefficiente di assorbimento α (perdita per metro, unità di misura m-1), il coefficiente di estinzione k (la parte immaginaria dell’indice di rifrazione, quantità adimensionale) e l’assorbanza (chiamata anche densità ottica), che è una misura logaritmica della trasmissione, utilizzata in particolare nella spettroscopia. È importante notare che, in linea di principio, tutte queste grandezze rappresentano la stessa quantità fisica, semplicemente espressa in forme diverse. OghmaNano utilizza il coefficiente di assorbimento α, espresso in unità di misura m-1. Nella casella qui sotto sono spiegate le differenze tra queste grandezze e il modo in cui è possibile convertirle l’una nell’altra.Nella letteratura scientifica, la perdita ottica può essere espressa in diversi modi. Le forme più comuni includono il coefficiente di assorbimento α (perdita per metro, unità di misura m-1), il coefficiente di estinzione k (la parte immaginaria dell’indice di rifrazione, quantità adimensionale) e l’assorbanza (chiamata anche densità ottica), che è una misura logaritmica della trasmissione, utilizzata in particolare nella spettroscopia. È importante notare che, in linea di principio, tutte queste grandezze rappresentano la stessa quantità fisica, semplicemente espressa in forme diverse. OghmaNano utilizza il coefficiente di assorbimento α, espresso in unità di misura m-1. Nella casella qui sotto sono spiegate le differenze tra queste grandezze e il modo in cui è possibile convertirle l’una nell’altra.
n, k e coefficiente di assorbimento α: una panoramica.n, k e coefficiente di assorbimento α: una panoramica.
L’indice di rifrazione complesso è \( N(\lambda) = n(\lambda) + i\,k(\lambda) \), dove \(n\) (indice di rifrazione) e \(k\) (coefficiente di estinzione) sono grandezze adimensionali. I dati di OghmaNano sono memorizzati in:L’indice di rifrazione complesso è \( N(\lambda) = n(\lambda) + i\,k(\lambda) \), dove \(n\) (indice di rifrazione) e \(k\) (coefficiente di estinzione) sono grandezze adimensionali. I dati di OghmaNano sono memorizzati in:
- n(λ) in
n.csv(adimensionale)n(λ) inn.csv(adimensionale) - α(λ) — coefficiente di assorbimento — in
alpha.csv(\(\mathrm{m^{-1}}\))α(λ) — coefficiente di assorbimento — inalpha.csv(\(\mathrm{m^{-1}}\))
Se si dispone di \(k(\lambda)\) invece di \( \alpha(\lambda) \), il programma di importazione effettua la conversione utilizzando: \( \displaystyle \alpha(\lambda) = \frac{4\pi\,k(\lambda)}{\lambda} \) (con \( \lambda \) in metri → \( \alpha \) in \( \mathrm{m^{-1}} \)).Se si dispone di \(k(\lambda)\) invece di \( \alpha(\lambda) \), il programma di importazione effettua la conversione utilizzando: \( \displaystyle \alpha(\lambda) = \frac{4\pi\,k(\lambda)}{\lambda} \) (con \( \lambda \) in metri → \( \alpha \) in \( \mathrm{m^{-1}} \)).
A partire dall’assorbanza/densità ottica (A) o dalla trasmittanza (T).A partire dall’assorbanza/densità ottica (A) o dalla trasmittanza (T).
- \( A = -\log_{10}(T) \)\( A = -\log_{10}(T) \)
- \( \displaystyle \alpha = (\ln 10)\,\frac{A}{d} \) dove \( d \) rappresenta lo spessore del film (in metri).\( \displaystyle \alpha = (\ln 10)\,\frac{A}{d} \) dove \( d \) rappresenta lo spessore del film (in metri).
Unità di misura da utilizzare: \( \lambda \) in metri (m); \(n\) e \(k\) sono adimensionali; \( \alpha \) in \( \mathrm{m^{-1}} \). Le curve contrassegnate con «u.a.» per l’assorbimento non possono essere utilizzate direttamente.Unità di misura da utilizzare: \( \lambda \) in metri (m); \(n\) e \(k\) sono adimensionali; \( \alpha \) in \( \mathrm{m^{-1}} \). Le curve contrassegnate con «u.a.» per l’assorbimento non possono essere utilizzate direttamente.
Esempio pratico: convertire \(k \rightarrow \alpha\)Esempio pratico: convertire \(k \rightarrow \alpha\)
Considerando \( k=0.02 \) in data \( \lambda=500\,\mathrm{nm}=5.00\times10^{-7}\,\mathrm{m} \):Considerando \( k=0.02 \) in data \( \lambda=500\,\mathrm{nm}=5.00\times10^{-7}\,\mathrm{m} \):
\( \displaystyle \alpha = \frac{4\pi k}{\lambda} = \frac{4\pi \times 0.02}{5.00\times10^{-7}} \approx 5.03\times10^{5}\ \mathrm{m^{-1}} \).\( \displaystyle \alpha = \frac{4\pi k}{\lambda} = \frac{4\pi \times 0.02}{5.00\times10^{-7}} \approx 5.03\times10^{5}\ \mathrm{m^{-1}} \).
5. Importazione dei dati n/alpha (o n/k).5. Importazione dei dati n/alpha (o n/k).
Nella parte superiore sinistra della finestra dei materiali, fare clic su «Importa dati da file» ?? per aprire la procedura guidata di importazione dati ??. La scheda attualmente selezionata determina dove verranno memorizzati i dati importati. Se è aperta la scheda «Indice di rifrazione», i dati verranno importati nel set di dati dell’indice di rifrazione; se è selezionata la scheda «Assorbimento», i dati verranno importati nel set di dati dell’assorbimento. Assicurarsi di importare i dati corretti nella scheda appropriata.Nella parte superiore sinistra della finestra dei materiali, fare clic su «Importa dati da file» ?? per aprire la procedura guidata di importazione dati ??. La scheda attualmente selezionata determina dove verranno memorizzati i dati importati. Se è aperta la scheda «Indice di rifrazione», i dati verranno importati nel set di dati dell’indice di rifrazione; se è selezionata la scheda «Assorbimento», i dati verranno importati nel set di dati dell’assorbimento. Assicurarsi di importare i dati corretti nella scheda appropriata.
OghmaNano memorizza i dati ottici internamente nei seguenti formati SI:OghmaNano memorizza i dati ottici internamente nei seguenti formati SI:
- Indice di rifrazione n(λ): lunghezza d’onda (m) in funzione dell’indice di rifrazione (grandezza adimensionale).Indice di rifrazione n(λ): lunghezza d’onda (m) in funzione dell’indice di rifrazione (grandezza adimensionale).
- Assorbimento α(λ): lunghezza d’onda (m) in funzione del coefficiente di assorbimento (m-1).Assorbimento α(λ): lunghezza d’onda (m) in funzione del coefficiente di assorbimento (m-1).
Il file di origine non deve necessariamente utilizzare le unità del Sistema Internazionale (SI). Per l’asse x, la procedura guidata può accettare la lunghezza d’onda in nm, μm, cm o m, nonché l’energia dei fotoni in eV, la frequenza o la frequenza angolare. Per l’asse y, i dati ottici possono essere forniti sotto forma di indice di rifrazione n, coefficiente di estinzione k o coefficiente di assorbimento α, selezionando le unità appropriate in modo che corrispondano ai dati di origine. La procedura guidata converte quindi i dati di input nel formato SI utilizzato da OghmaNano, eseguendo conversioni come nm → m, cm-1 → m-1 ed eV → lunghezza d’onda utilizzando la formula λ = hc/E. Se il file contiene k(λ), la procedura guidata può anche calcolare α(λ) utilizzando la formula α(λ) = 4πk(λ)/λ.Il file di origine non deve necessariamente utilizzare le unità del Sistema Internazionale (SI). Per l’asse x, la procedura guidata può accettare la lunghezza d’onda in nm, μm, cm o m, nonché l’energia dei fotoni in eV, la frequenza o la frequenza angolare. Per l’asse y, i dati ottici possono essere forniti sotto forma di indice di rifrazione n, coefficiente di estinzione k o coefficiente di assorbimento α, selezionando le unità appropriate in modo che corrispondano ai dati di origine. La procedura guidata converte quindi i dati di input nel formato SI utilizzato da OghmaNano, eseguendo conversioni come nm → m, cm-1 → m-1 ed eV → lunghezza d’onda utilizzando la formula λ = hc/E. Se il file contiene k(λ), la procedura guidata può anche calcolare α(λ) utilizzando la formula α(λ) = 4πk(λ)/λ.
Importa flusso di lavoroImporta flusso di lavoro
- Apri il file di testo o CSV contenente i tuoi dati.Apri il file di testo o CSV contenente i tuoi dati.
- Verificare i dati originali nell’anteprima visualizzata a sinistra.Verificare i dati originali nell’anteprima visualizzata a sinistra.
- Selezionate la grandezza e le unità per l’asse x in modo che corrispondano alla prima colonna del file di input. Ad esempio, scegliete «Lunghezza d’onda (nm)» se i valori della lunghezza d’onda sono espressi in nanometri.Selezionate la grandezza e le unità per l’asse x in modo che corrispondano alla prima colonna del file di input. Ad esempio, scegliete «Lunghezza d’onda (nm)» se i valori della lunghezza d’onda sono espressi in nanometri.
- Selezionate la quantità e le unità sull’asse y in modo che corrispondano alla seconda colonna del file di input. Ad esempio, scegliete indice di rifrazione (unità arbitrarie), assorbimento (m^-1), assorbimento (cm^-1) o coefficiente di estinzione (k) (unità arbitrarie).Selezionate la quantità e le unità sull’asse y in modo che corrispondano alla seconda colonna del file di input. Ad esempio, scegliete indice di rifrazione (unità arbitrarie), assorbimento (m^-1), assorbimento (cm^-1) o coefficiente di estinzione (k) (unità arbitrarie).
- Verificare i dati SI convertiti nel riquadro a destra.Verificare i dati SI convertiti nel riquadro a destra.
- Fare clic su «Importa dati» per salvare i dati nel materiale.Fare clic su «Importa dati» per salvare i dati nel materiale.
Esempio: se il file contiene la lunghezza d’onda in nanometri nella prima colonna e il coefficiente di estinzione k nella seconda colonna, selezionate «Lunghezza d’onda (nm)» per l’asse x e «Coefficiente di estinzione (k) (unità arbitrarie)» per l’asse y. OghmaNano convertirà quindi la lunghezza d’onda in metri e calcolerà α(λ) a partire da k(λ) durante l’importazione.Esempio: se il file contiene la lunghezza d’onda in nanometri nella prima colonna e il coefficiente di estinzione k nella seconda colonna, selezionate «Lunghezza d’onda (nm)» per l’asse x e «Coefficiente di estinzione (k) (unità arbitrarie)» per l’asse y. OghmaNano convertirà quindi la lunghezza d’onda in metri e calcolerà α(λ) a partire da k(λ) durante l’importazione.
La procedura guidata è visualizzata in ??; dopo l’importazione, i grafici vengono aggiornati nell’editor dei materiali ??. Se si importa solo il coefficiente di assorbimento, ricordarsi di specificare anche l’indice di rifrazione prima di utilizzare il materiale in una simulazione.La procedura guidata è visualizzata in ??; dopo l’importazione, i grafici vengono aggiornati nell’editor dei materiali ??. Se si importa solo il coefficiente di assorbimento, ricordarsi di specificare anche l’indice di rifrazione prima di utilizzare il materiale in una simulazione.
Errori comuniErrori comuni
- Quando l’assorbanza è espressa in unità arbitrarie («a.u.») o è normalizzata a 1, i dati non sono utilizzabili, poiché si sono perse le informazioni sull’entità del valore.Quando l’assorbanza è espressa in unità arbitrarie («a.u.») o è normalizzata a 1, i dati non sono utilizzabili, poiché si sono perse le informazioni sull’entità del valore.
- I valori finali importati saranno espressi in unità del Sistema Internazionale (SI); esaminateli attentamente: hanno un senso? Verificate se l’ordine di grandezza è plausibile.I valori finali importati saranno espressi in unità del Sistema Internazionale (SI); esaminateli attentamente: hanno un senso? Verificate se l’ordine di grandezza è plausibile.