Kramers-Kronig关系
Kramers-Kronig关系的研究与发展

基于Kramers-Kronig关系对薄膜材料光学特征的数值反演

( . p r n fP y i ,X a y n e c e olg , a y n 1 0 0 C ia 1De at t h s s in a g T a h rsC l e Xin a g 7 2 0 , hn me o c e 2 S h o fS i c , i i nv r t ,X n 7 0 7 , hn ) . c o lo ce e X da U ies y ia 1 0 1C i a n n i
b s d o a e s Kr n g r l to s a e n Kr m r - o i e a i n
WA n - n, hnsn, IYn — X A igj g NG Mi j wU Z e — L i l , I NG N n -n gu e ge i
p ls rfm r u r al n esd uig te KrmesKr ng ( K)rlt n n ti p p r I e r oy t l wee n me cl iv re s h a r — o i K- e i i y n eai si hs a e . n n a o
【2019年整理】电子能量损失谱仪EELS在材料科学中的应用

°
°
取向效应:石墨的ELNES
取向效应:石墨的 EXELFS
取向效应:ALCHEMI(改变s)
•Substitutional/interstitutional impurity identification
•Atom row selectivity
S<0
S>0
取向效应: ALCHEMI(改变g)氮化镓的极性
求出相应的实部 Re(
1 ) ,得到材料的复介电常数 ( E , )
Re(
1 1 ) i Im( ) ( E , ) ( E , ) ( E , ) r ( E , ) i i ( E , ) 1 1 2 [Re( )] [Im( )]2 ( E , ) ( E , )
近边精细结构:八面体结构
近边精细结构:八面体结构和四面体结构
近边精细结构:过渡族金属L23
近边精细结构:氧化铜的L23
近边精细结构:确定锰元素的价态
Photodiode Counts (a.u.)
Mn-L3
4
MnCO3 MnO
Mn-L2
Intensity ratio L3/L2
3
Mn3O4 Mn2O3 MnO2
EELS的背底扣除:窗口位置的影响
EELS的背底扣除: 指数定律失效
低能损失谱的应用:损失函数
等离子散射可以看作是多体散射问题,根据电磁场理论介质的 损失函数可以推导出了二阶微分散射截面的表达形式:
d 2 ( E, ) 1 1 dEd a m v 2 n ( 2 2 ) Im[ ] in 0 0 a E
l 1
S-like Ef
3p
介电弛豫17070125102356

了反映这个情况,引入两个与频率有关的介
电常数:
1()E D01
D0 E0
cos)(
2()D E02
D0 E0
sin()
并有:
tan() 2() 1()
因1和2与频率有关,所以相角也与频率 有关。当频率趋近于零时,极化不出现滞 后,这时相角=0。
1() 0
'r'()2P 0'r(')r() 2'2d'
式中积分前的字母P表示积分时取Cauchy 积分主值,即积分路径绕开奇点= ’。
上式表明,如果在足够宽的频率范围内已 知r’,则可以计算出r”,反之亦然。 频率范围足够宽的含义就是在该范围以外,
r’ 和r” 无明显的色散现象。 前边的统一式子表明,不同系统的特性表 现在衰减函数(x)上。
Dynamic dielectric constant, real and imaginary part, dielectric loss
Frequency spectrum of dielectric constant, Kramers-Kronig relation
Debye relaxation, damped resonantor relaxation.
介电性质
极化机制(3) 有效场计算(Lorenz) 介电常数(Clausius-Mossotti)
定性(OK), 定量(?) 各向异性介质+对称性(点群)介电常
数张量(独立数目) 动态介电常数:弛豫+损耗,德拜弛豫和
阻尼谐振子弛豫
对上边两个式子作傅里叶变换,可得到衰 减函数为
(x)2
0'r(')r()
电化学交流阻抗测量原理

等效电路频谱图的频率坐标可任意设置。
EIS、IMVS、IMPS对比
EIS、IMPS、IMVS原理
WE
Cdl
Ru
Ref
电化学工作站原理图
四电极连接示意图
二电极连接示意图
三电极连接示意图
四电极连接示意图
电化学交流阻抗谱图解析
根据测量得到的EIS谱图,确定等效电路。 根据已建立的等效电路,设置各个元件的参数值。 应用等效电路拟合软件,自动调整各个元件的参数值, 使得等效电路的EIS谱图与测量的EIS谱图逐渐逼 近,直到满足拟合软件所控制的误差条件 为止。 可用拟合软件查看在频率坐标范围内的拟合误差分 布图、各个元件的影响频谱图、预测阻抗等效 电路在更低频率或更高频率范围内的变化趋势。
电化学交流阻抗测量原理
阻抗基本定义:
对于一个稳定的线性系统M,如果以一个角频率为ω的正弦波电信 号 X(电压或电流)输入该系统,相应的从该系统输出一个角频 率为ω 的正弦波电信号Y(电流或电压), 此时 线性系统的频响 函数 G=Y/X就是阻抗或导纳。
X
M
Y
G=Y/X
欧姆定律:E(电压)= I(电流)× Z(阻抗)
ZHIT转换:
将相位对频率变化的曲线经过ZHIT转换后 得到阻抗模值随频率的变化曲线。 K-K转换(Kramers-Kronig): 交流阻抗谱图实部和虚部的关系。
电极/溶液界面的等效电路
未补偿的溶液电阻(Ru) Ru = L/(σA); σ--为电导率,A--电极面积 L--为工作电极与参比电极之间的距离 双电层电容(Cdl): 电极和溶液界面 之间的电容
色散模式拟合问题.

k ( E ) A ( E E g ) /( E 2 BE C )
式中,n() 为无穷大能量时介质的折射率(电子跃迁的贡献), E 为带
g
隙能量,A、B、C为正常数。Forouhi-Bloomer模型适用于非晶半导体材 料的分析。
EMA有效介质模型
• 有效介质模型应用于两种或两种以上的不同组份合成的混合介质体系, 在拟合时,有效介质模型通常用于薄膜的粗糙表面和过渡层分析。 • 对两种材料组成的复合材料,其介电系数的统一公式为:
• 相对总公式,取 c ,即材料1,2性质相同并相互接触作用,每种材 料与基体介质材料也相互接触作用。复合后其介电系数的关系为:
(1 p)
L1 (1 L)
1
p
L 2 (1 L)
2
0
方程的解为:
1 (b 4 L(1 L)1 2 b 2 ) 2(1 L)
m
式中,A 为第j个振子的振幅,E 为相应振子的特征能量, 为由弛豫引 起的相应振子的线宽参数(与振子的阻力有关)。该模型适用于晶态非 导体材料,通常只需3个振子就可以描述材料的介电常关系
• Kramers-Kronig关系是由复变函数 的性质得 到的普遍规律,对于复折射率,也可以用Kramers-Kronig变换的频率积 分将吸收系数和折射率联系起来,即对实部(虚部)在整个光谱范围内 的积分得到虚部(实部)。其表达式为:
n A
B
2
C
4
k e
(12400 ( ))
1 1
是吸收带边 是振幅, 是指数, 式中,
Sellmeier模型
• 很多光学材料的折射率由Sellmeier公式来描述,其表达式为
mathematica里计算kramers-kronig_关系

mathematica里计算kramers-kronig 关系1. 引言1.1 概述引言部分将介绍本篇长文的主题和内容。
本文旨在研究Mathematica中计算Kramers-Kronig关系的方法,并探讨其在实际应用中的意义和作用。
Kramers-Kronig关系是一种重要的数学关系,它描述了连续函数之间的相互关系,尤其在频域与时间域之间的转换上具有广泛应用。
通过利用Mathematica 软件进行计算,我们可以更加准确和高效地获得Kramers-Kronig关系,从而为实验结果提供更深入的分析。
1.2 文章结构本文将按照以下结构展开论述:- 第一部分将对Kramers-Kronig关系进行介绍,解释其原理和数学表达式;- 第二部分将重点介绍Mathematica软件及其在计算Kramers-Kronig关系中的应用方法;- 第三部分将通过实例分析和讨论来验证Mathematica方法在计算Kramers-Kronig关系时的有效性和准确性;- 最后一部分总结全文并提出存在问题与改进方向。
1.3 目的本文旨在提供一个详细而清晰的指南,在使用Mathematica软件计算Kramers-Kronig关系方面给读者提供实用的方法和策略。
通过本文的阐述,读者将了解到Mathematica并能够掌握其在Kramers-Kronig关系计算中的应用技巧。
同时,通过实例分析与讨论,我们将深入研究该关系在实际问题中的应用,并进一步探索存在的问题与改进方向。
以上是"1. 引言"部分的详细内容,请逐条对照进行编写。
2. Kramers-Kronig关系:2.1 原理介绍:Kramers-Kronig关系是物理学中重要的数学关系,描述了一个实函数与其傅里叶变换之间的关系。
该关系最初由荷兰物理学家汉斯·克拉默斯(Hans Kramers) 和瑞典物理学家兰德尔·彭罗斯(Ralph Kronig) 在1927年独立提出。
kramers-kronig关系中折射率和色散

Kramers-Kronig关系是物理学中一个非常重要的概念,它描述了介质的折射率与色散之间的关系。
这一关系的提出和发展对于我们深入理解光学和物质特性起到了至关重要的作用。
在本文中,我将从简单到复杂、由浅入深地探讨Kramers-Kronig关系的基本原理和具体应用,帮助您更全面、深入地理解这一概念。
1. 折射率和色散的基本概念在谈到Kramers-Kronig关系之前,我们首先需要了解折射率和色散的基本概念。
折射率是介质对光的折射能力的度量,它决定了光在介质中传播的速度和方向。
而色散则是介质对不同波长光的折射率不同,导致光在介质中传播速度和方向随波长的变化。
这两个概念是理解Kramers-Kronig关系的基础,也是光学研究中的重要内容。
2. Kramers-Kronig关系的基本原理Kramers-Kronig关系是描述介质光学特性的一个基本定律,它建立了介质的折射率和色散之间的数学关系。
该关系告诉我们,介质的折射率和色散是一对共轭变换关系,其中折射率的实部和虚部、色散的实部和虚部之间存在一定的数学关系。
这一关系在光学研究和技术应用中具有重要的意义,能够帮助我们更好地理解介质的光学性质,提高光学设备的性能。
3. Kramers-Kronig关系的具体应用Kramers-Kronig关系不仅在理论物理中具有重要作用,也在实际应用中得到了广泛的应用。
在光学材料的设计和制备过程中,我们需要考虑介质的折射率和色散特性,而Kramers-Kronig关系提供了一个理论框架来分析和计算这些特性。
另外,在光学器件的设计和优化中,我们也可以利用Kramers-Kronig关系来指导实验和分析结果,从而提高光学器件的性能和稳定性。
4. 我对Kramers-Kronig关系的个人理解在我看来,Kramers-Kronig关系是光学研究中一个非常重要的理论工具,它帮助我们理解介质的光学特性,指导实验和应用,促进光学技术的发展和应用。
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t t
(5.4)
Here (t) is called the step-response function or decay function of the polarization. For simplicity let us rewrite this expression in much convenient form:
E2
E (t) E1 ( E2 E1 )S(t t')
(5.1)
2
where S is the unit-step function:
S(t) 0 S(t)= 1 t 0 t>0
(5.2)
The time-dependent field given by (5.1) can be considered as the superposition of a static field, E2, and time-dependent field given by:
P (t ) E i (t ti t ) (t ti )
i
(5.10)
In the limit increasing the number of block functions (5.10) can be written in the integral form:
7
However, in the case of orientation polarization we can neglect the time necessary for the intermolecular motions by which the induced polarization adapts itself to the field strength. In this approximation, the induced polarization is given at any time t:
P(t) E1 ( t t1 t ) ( t t1 )
(5.9)
An arbitrary time dependence of E can be approximated by splitting it up in a number of block functions E=Ei for ti - t < t ti. The effect of one of these block functions is given by (5.9). Since the effects of all block functions may again be superimposed, we have:
4. The Kramers-Kronig relations
1
PHENOMENOLOGICAL THEORY OF LINEAR DIELECTRIC IN TIME-DEPENDENT FIELDS
2 The dielectric response functions. Superposition principle.
(5.15)
The unit step function in (5.14) implies that there is an instantaneous decrease of the function D (t-t‟), from the value D (0)=1 to a limit value given by: ( 1) (5.16) ( t t ' ) lim D
D(t ) E(t ')D (t t ')dt'
t
(5.13)
6
D (t t ') D (t t ') with
The relation between p and D is the following:
D (t t ')
1 4
1E1 S t t1 t E1 S t t1
(5.8)
The resulting polarization for t t1 can be considered as the superposition of the effects of both unit-step functions:
3
For a linear dielectric this response will be proportional to E1-E2, so that the total polarization is given by:
P(t) E2 E1 E2 t t ,
P(t) P(0) ( t ) E( 0 )( t )
At t=0 (t=t‟ in 5.4)
(5.5)
( 0 ) 1
(5.6)
In principle, both a monotonously decreasing and oscillating behavior of (t-t‟) are possible. For high values of t, P will approximate the equilibrium value of the polarization connected with the static field E2. From this it follows that
Lecture 5
1. The dielectric response functions. Superposition principle. 2. The complex dielectric permittivity. Loss factor.
3. The complex dielectric permittivity and the complex conductivity
5
(t t' ) P (t ) E (t ' ) dt' = t
t
(5.11)
= E (t ' ) (t t ' )dt'
t
p (t t ' ) p (t t ' ) where, called pulse-response function of polarization. The equation (5.11) gives the general expression for the polarization in the case of a time-dependent Maxwell field. Let us consider now the time dependence of the dielectric displacement D for a time dependent electric field E.
P 2
E(t) (E1 - E 2 ) 1 S (t t )
(5.3)
P
P 1
0
E2 E E1
0 t' t
Therefore, we find from the superposition principle that the polarization at times t t‟ due to the field given by eqn.(5.1) is the equilibrium polarization E2 for the static field E2 and the response of the field change E1-E2 (see fig. 5.1). Figure 5.1
p (t t ')
(5.14)
Taking the negative derivative of (5.14) we can get the relation between p and D :
D (t t ')
(t t ') 4 p (t t ')
( ) 0
(5.7)
4
Let us consider the case of block function. For t1-t<tt1 the field strength is equal to E1 , and for t t1-t and t> t1 it equal to zero. This block function can be considered as the superposition of two fields with unit-step time dependence:
t t '
In contrast the step-response function of the polarization cannot show,
in principle, such an instantaneous decrease, since any change of the polarization is connected with the motion of any kind of microscopic particles, that cannot be infinitely fast.
D(t) E(t) 4P(t )
(5.12)
For the linear dielectrics the dielectric displacement is a linear function of the electric field strength and the polarization, and for those dielectrics where the superposition principle holds for P, it will also hold for D. Thus, we can write for D analogously to (5.11):