База даних матеріалів: Частина А – Вступ

На цій сторінці пояснюється, що містить база даних матеріалів OghmaNano, як відкривати та редагувати записи, як імпортувати дані n-k або дані про поглинання (включно з перетворенням одиниць вимірювання) та де зберігаються матеріали на диску.

1. Загальний огляд

База даних OghmaNano Materials містить велику кількість фізичних і довідкових характеристик для кожного матеріалу. Ці дані організовано за категоріями, щоб забезпечити можливість використання узгоджених, централізованих даних у моделюванні. Основна інформація включає:

Оптичні константи:
- Показник заломлення n(λ) (безрозмірна величина, що представляє собою дійсну частину показника заломлення) ??.
- Коефіцієнт поглинання α(λ) (м⁻¹) – представляє собою уявну частину показника заломлення ??.
- Нормалізований спектр випромінювання ??.
Основні метадані: фізичний колір для тривимірних зображень, тип матеріалу, налаштування конфіденційності та журнал змін ??.
Сценарій матеріалу: за бажанням можна використовувати файл Lua для визначення параметрів матеріалу, які змінюються залежно від температури, положення (x, y, z), складу або щільності фотонів. Це дає змогу використовувати вдосконалені моделі матеріалів, такі як залежні від температури ширини забороненої зони, залежні від складу властивості та просторово змінні електричні або теплові параметри. Сценарій не є обов’язковим для фіксованих параметрів матеріалу, які можна ввести безпосередньо за допомогою стандартних редакторів. Див. рисунок ??.
Дані про життєвий цикл продукту: щільність, вартість за кілограм та енергоємність за кілограм для розрахунків енергоємності та вартості ??.

У сукупності ці набори даних забезпечують єдине, узгоджене визначення кожного матеріалу для використання в усіх моделюваннях.

OghmaNano Material editor showing refractive index of the material as a function of wavelength — Показник заломлення в залежності від довжини хвилі

OghmaNano Material editor showing absorption spectrum of the material as a function of wavelength — Спектр поглинання в залежності від довжини хвилі

OghmaNano Material editor showing optical emission spectrum of the material as a function of wavelength — Спектр оптичного випромінювання в залежності від довжини хвилі.

OghmaNano Material editor showing basic parameters including material color, type, privacy options, and change log — Основні параметри: колір, тип і журнал змін.

OghmaNano Material editor showing an optional Lua material script used to define electrical and physical material parameters. — Додатковий Lua-скрипт для матеріалів, призначений для використання в розширених моделях матеріалів. Більшість користувачів можуть використовувати стандартні параметри матеріалів безпосередньо, не створюючи жодного коду; можливість використання скриптів стає доступною, коли потрібно динамічно визначати властивості або прив’язувати їх до чітко визначеного джерела.

OghmaNano Material editor showing life cycle parameters including density, cost per kilogram, and energy per kilogram — Параметри життєвого циклу: щільність, вартість та енергоємність на кілограм.

2. Отримання доступу до бази даних матеріалів

Відкрийте базу даних матеріалів на стрічці «Бази даних», натиснувши на піктограму «База даних матеріалів» ??. Це відкриє переглядач бази даних матеріалів ??, де матеріали організовано в папки за класами, зокрема суміші, елементи, гази, скло, метали, оксиди, перовськити, полімери та невеликі молекули. Також надається спеціальна колекція, імпортована з ресурсу refractiveindex.info.

Двічі клацніть на папці, щоб переглянути її вміст. Наприклад, відкриття папки «Оксиди» відображає наявні оксидні матеріали та підпапки ??. Папки представлені стандартними іконками папок, а окремі матеріали – іконками атомів, що полегшує розрізнення матеріалів, які можна відкрити безпосередньо, від інших груп матеріалів. Двічі клацніть на іконці атома, щоб відкрити відповідний матеріал у редакторі матеріалів і переглянути його оптичні, електричні та інші фізичні властивості.

Databases ribbon in OghmaNano with the Materials database icon highlighted—the entry point for opening the materials database — Доступ до бази даних матеріалів через вкладку «Бази даних».

Initial OghmaNano Materials database browser showing the top-level material folders — База даних матеріалів вищого рівня, в якій матеріали згруповані за категоріями та організовані в папки.

OghmaNano Materials database browser showing the Oxides folder, with subfolders represented by folder icons and individual materials represented by atom icons — У папці «Оксиди». Папки відображаються за допомогою піктограм папок, а окремі матеріали – за допомогою піктограм атомів.

3. Додавання матеріалів до бази даних

Щоб додати новий матеріал, відкрийте базу даних матеріалів, а потім натисніть кнопку «Додати матеріал» у верхньому правому куті вікна (??). Відкриється діалогове вікно, в якому буде запропоновано ввести назву для нового матеріалу, що відображається на малюнку ??. У цьому випадку ми назвали матеріал «my_new_material».

OghmaNano Materials database window showing the Add Material button highlighted — Крок 1: Додавання нового матеріалу до бази даних матеріалів за допомогою кнопки «Додати матеріал».

Dialog window in OghmaNano prompting for a new material name, with example 'my_new_material' — Крок 2: Присвоєння назви новому матеріалу в діалоговому вікні бази даних матеріалів.

OghmaNano Materials database window showing the newly created material 'my_new_material' highlighted in red — Крок 3: Новий матеріал `my_new_material` додано до бази даних матеріалів.

OghmaNano Material editor window for a newly created material, showing empty data tabs for Absorption, Refractive index, Basic, Electrical parameters, and Thermal parameters — Крок 4: Відкривається вікно редактора матеріалів для щойно створеного матеріалу `my_new_material`, яке спочатку не містить жодних даних.

Після того, як ви натиснете кнопку «OK», з’явиться новий матеріал, див. рисунок. [рис.: додавання матеріалу 4]відкрийте його, двічі клацнувши по ньому. Відкриється порожнє вікно матеріалів, у якому не буде жодних даних. Див. рисунок. [рис.: додавання матеріалу 5].

Порада: багато матеріалів, які зазвичай використовуються, вже є в базі даних матеріалів OghmaNano, тому в багатьох випадках вам не потрібно буде самостійно визначати новий матеріал. Додаткові дані n/k також можна завантажити з відкритих репозиторіїв, таких як refractiveindex.info. Інструкції щодо додавання цих наборів даних до OghmaNano див. у розділі Завантаження додаткових матеріалів. Ви також можете повторно використовувати наявні набори даних n/k, коли точні оптичні константи не мають вирішального значення для моделювання; наприклад, багато органічних напівпровідникових плівок мають показник заломлення близько 3 і коефіцієнти поглинання в діапазоні 106–107 м-1, тому використання оптичних даних від подібного матеріалу може не мати суттєвого впливу на розраховану поведінку пристрою. Відсутність точних оптичних або електричних параметрів у літературі не повинна перешкоджати проведенню моделювання, і пошук повного набору параметрів матеріалу не обов’язково має бути початковою точкою. Моделювання часто можна починати з репрезентативних значень, які потім можна уточнити, коли стануть доступні кращі дані про матеріал. Якщо вам все ж потрібно визначити власний матеріал, вам потрібно лише додати властивості, необхідні для фізики, яку ви хочете змоделювати. Наприклад, для оптичного моделювання новому неактивному електрично проміжному шару або підкладці може знадобитися лише n(λ) і α(λ). Вам не потрібно визначати сценарій Lua, якщо ви не хочете, щоб параметри матеріалу змінювалися залежно від таких величин, як температура, положення (x, y, z), склад або щільність фотонів. Дані про випромінювання потрібні лише для матеріалів, що випромінюють, а дані про життєвий цикл потрібні лише для аналізу життєвого циклу.

4. Розуміння даних n/k (даних n/альфа)

Перш ніж намагатися додати дані n/k (n/альфа) до OghmaNano, важливо зрозуміти, що таке дані n-k. Дані n-k описують комплексний показник заломлення матеріалу: дійсну частину n і уявну частину k.

n (дійсний показник заломлення): визначає, як світло заломлюється під час проходження крізь матеріал (наприклад, відхилення променя, яке ви спостерігаєте у призмі).
k (коефіцієнт поглинання): визначає оптичні втрати, спричинені поглинанням. Матеріал із високим значенням k сильно поглинає світло (наприклад, каламутна вода); матеріал із низьким значенням k слабо поглинає світло (наприклад, чиста вода).

В науковій літературі оптичні втрати описуються різними способами. Найпоширеніші форми включають коефіцієнт поглинання α (втрати на метр, одиниці вимірювання: м⁻¹), коефіцієнт екстинкції k (уявна частина показника заломлення, безрозмірна величина) та оптичну щільність (також називається поглинанням), яка є логарифмічною мірою пропускання і зазвичай використовується в спектроскопії. Важливо зазначити, що всі ці величини, по суті, є однією й тією ж фізичною величиною, просто вираженою в різних формах. OghmaNano використовує коефіцієнт поглинання α в одиницях вимірювання м⁻¹. У таблиці нижче пояснюються відмінності між цими величинами та способи їх перетворення.

n, k і коефіцієнт поглинання α — узагальнена інформація.

Комплексний показник заломлення дорівнює \( N(\lambda) = n(\lambda) + i\,k(\lambda) \), де \(n\) (показник заломлення) і \(k\) (коефіцієнт поглинання) є безрозмірними величинами. OghmaNano зберігає:

n(λ) у n.csv (безрозмірна величина)
α(λ) — коефіцієнт поглинання — в alpha.csv (\(\mathrm{m^{-1}}\))

Якщо у вас є \(k(\lambda)\) замість \( \alpha(\lambda) \), програма-імпортер виконує перетворення за допомогою: \( \displaystyle \alpha(\lambda) = \frac{4\pi\,k(\lambda)}{\lambda} \) (де \( \lambda \) вказано в метрах → \( \alpha \) в \( \mathrm{m^{-1}} \)).

За даними поглинання/оптичної щільності (A) або коефіцієнта пропускання (T).

\( A = -\log_{10}(T) \)
\( \displaystyle \alpha = (\ln 10)\,\frac{A}{d} \), де \( d \) – товщина плівки (м).

Одиниці вимірювання: \( \lambda \) – метри (м); \(n\) і \(k\) – безрозмірні величини; \( \alpha \) – в одиницях \( \mathrm{m^{-1}} \). Криві, позначені як «умовні одиниці» для поглинання, не можна використовувати безпосередньо.

Приклад практичного застосування — перетворення \(k \rightarrow \alpha\).

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

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

5. Імпорт даних n/alpha (або даних n/k).

У верхньому лівому куті вікна матеріалу натисніть «Імпорт даних із файлу» ??, щоб відкрити майстер імпорту даних ??. Вкладка, яка зараз вибрана, визначає, куди будуть збережені імпортовані дані. Якщо відкрито вкладку «Показник заломлення», дані будуть імпортовані в набір даних показника заломлення; якщо вибрано вкладку «Поглинання», дані будуть імпортовані в набір даних поглинання. Переконайтеся, що ви імпортуєте правильні дані у відповідну вкладку.

OghmaNano зберігає оптичні дані у внутрішній пам’яті в таких форматах SI:

Показник заломлення n(λ): залежність довжини хвилі (м) від показника заломлення (безрозмірна величина).
Поглинання α(λ): залежність коефіцієнта поглинання (м⁻¹) від довжини хвилі (м).

У вашому вихідному файлі не обов’язково використовувати одиниці SI. Для осі X майстер може приймати довжину хвилі в одиницях нм, мкм, см або м, а також енергію фотонів в одиницях еВ, частоту або кутову частоту. Для осі Y оптичні дані можна подавати у вигляді показника заломлення n, коефіцієнта поглинання k або коефіцієнта поглинання α, при цьому слід вибирати відповідні одиниці, щоб вони відповідали вихідним даним. Потім майстер перетворює вхідні дані у формат SI, який використовується в OghmaNano, включаючи такі перетворення, як нм → м, см-1 → м-1 і еВ → довжина хвилі за формулою λ = hc/E. Якщо ваш файл містить k(λ), майстер також може обчислити α(λ) за формулою α(λ) = 4πk(λ)/λ.

Процес імпорту даних

Відкрийте текстовий файл або файл CSV, який містить ваші дані.
Перевірте вихідні дані у вікні попереднього перегляду зліва.
Оберіть величину та одиниці вимірювання для осі X так, щоб вони відповідали першому стовпчику вашого вхідного файлу. Наприклад, якщо значення довжини хвилі вказано в нанометрах, оберіть «Довжина хвилі (нм)».
Оберіть величину та одиниці вимірювання для осі Y так, щоб вони відповідали другій колонці вашого вхідного файлу. Наприклад, ви можете обрати показник заломлення (умовні одиниці), коефіцієнт поглинання (м⁻¹), коефіцієнт поглинання (см⁻¹) або коефіцієнт екстинкції (k) (умовні одиниці).
Перевірте відформатовані дані SI в правій панелі.
Натисніть «Імпортувати дані», щоб зберегти дані в матеріалі.

Приклад: якщо ваш файл містить значення довжини хвилі в нанометрах у першому стовпці та коефіцієнт поглинання k у другому стовпці, виберіть «Довжина хвилі (нм)» для осі X і «Коефіцієнт поглинання (k) (од. виміру)» для осі Y. Після цього OghmaNano перетворить значення довжини хвилі в метри та обчислить α(λ) на основі k(λ) під час імпорту.

Відображення майстра налаштувань можна побачити на ??; після імпорту графіки оновлюються в редакторі матеріалів ??. Якщо ви імпортуєте лише дані про поглинання, не забудьте також вказати показник заломлення перед використанням матеріалу в симуляції.

OghmaNano data importer window showing steps to import material data with labelled regions a) to f) — Вікно імпорту даних у OghmaNano, що відображає процес імпорту даних про матеріали: а) відкрити файл даних, б) перегляд імпортованого файлу, в) вибрати одиниці вимірювання для осі X, г) вибрати одиниці вимірювання для осі Y, д) перетворений файл у системі SI, е) імпортувати дані.

OghmaNano Material editor showing imported absorption spectrum data for my_new_material — Імпортований спектр поглинання.

Найпоширеніші помилки

Поглинання в одиницях «а.о.» або нормалізація до 1 → неможливо використовувати, оскільки втрачено інформацію про величину.
Остаточні імпортовані значення будуть представлені в одиницях СІ, перегляньте їх – чи мають вони сенс? Перевірте, чи відповідають вони очікуваним значенням.

👉 Наступний крок: Перейдіть до розділу Частина B, де ви знайдете поради щодо пошуку даних n/k для вашої матеріальної системи.