第七章材料功能轉(zhuǎn)換

1、第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 張量張量 張量是一組有規(guī)則的數(shù)，這些數(shù)就叫做張張量是一組有規(guī)則的數(shù)，這些數(shù)就叫做張 量的元素，有時(shí)也叫做分量量的元素，有時(shí)也叫做分量 。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 三維笛卡兒坐標(biāo)系三維笛卡兒坐標(biāo)系 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 在笛卡兒坐標(biāo)系中，任一矢量在笛卡兒坐標(biāo)系中，任一矢量P可以按照一組單位基矢可以按照一組單位基矢ei （i=1,2,3）展開為）展開為 則矢量的三個(gè)坐標(biāo)分量則矢量的三個(gè)坐標(biāo)分量x1，x2，x3均為數(shù)量，且就是均為數(shù)量，且就是 矢量端點(diǎn)矢量端點(diǎn)P的坐標(biāo)（的坐標(biāo)（x1，x2，x3）。特別在正交坐標(biāo)系中，）。特別在正交坐標(biāo)系中， 它們恰好等于矢量它們恰好

2、等于矢量P在各個(gè)單位基矢上的投影。在各個(gè)單位基矢上的投影。 由上圖可以看出，每一個(gè)坐標(biāo)（或坐標(biāo)分量）只須用一由上圖可以看出，每一個(gè)坐標(biāo)（或坐標(biāo)分量）只須用一 個(gè)數(shù)就可以表示，所以叫做標(biāo)量。每一個(gè)矢量個(gè)數(shù)就可以表示，所以叫做標(biāo)量。每一個(gè)矢量P卻不能只卻不能只 用一個(gè)數(shù)來表示（這里需要三個(gè)數(shù)），而是需要用多個(gè)用一個(gè)數(shù)來表示（這里需要三個(gè)數(shù)），而是需要用多個(gè) 分矢量分矢量 ,(1,2,3) iii Px ei 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 1、一階張量（矢量）、一階張量（矢量） 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 2、二階張量、二階張量 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 3、三階張量、三階張量 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 4、

3、四階張量、四階張量 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 動(dòng)畫動(dòng)畫 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 熱膨脹熱膨脹壓熱效應(yīng)壓熱效應(yīng)形變熱形變熱熱壓力熱壓力 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 電熱效應(yīng)電熱效應(yīng) 電位移引起熵的極化熱電位移引起熵的極化熱 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 ijijklkl dsd 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 選擇選擇9個(gè)應(yīng)力分量個(gè)應(yīng)力分量 和和1 個(gè)溫度個(gè)溫度T作為獨(dú)立變量，由作為獨(dú)立變量，由 此可確定材料的狀態(tài)以及此可確定材料的狀態(tài)以及 應(yīng)變分量應(yīng)變分量 和熵和熵S。 對(duì)于單位體積，有對(duì)于單位體

4、積，有 ijij ijkl kl T dddT T kl kl T SS dSddT T 111213 111213 ijijijij kl kl TTTT dddd ij kl -代表代表9項(xiàng)求和項(xiàng)求和 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 上面兩式共代表上面兩式共代表10等式，每個(gè)等式的右邊都有等式，每個(gè)等式的右邊都有10項(xiàng)。項(xiàng)。 kl T S ijij ijkl kl T dddT T kl kl T SS dSddT T （i，j=1，2，3） S T T ij kl T ij T 恒定溫度下的恒定溫度下的 彈性柔度彈性柔度 恒定壓力下的恒定壓力下的 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 恒溫下應(yīng)力引起恒溫下應(yīng)力引起

5、的熵變化的熵變化 溫度變化但應(yīng)力溫度變化但應(yīng)力 恒定時(shí)產(chǎn)生的熱，恒定時(shí)產(chǎn)生的熱， 即恒定應(yīng)力下的即恒定應(yīng)力下的 單位體積的熱容量單位體積的熱容量 ijkl s ij C 微分項(xiàng)的物理意義：微分項(xiàng)的物理意義： 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 選擇外層參量（選擇外層參量（ ）為獨(dú)立變量，由此確定）為獨(dú)立變量，由此確定 從屬變量（從屬變量（ ）。）。 , iji E T , iji D S 彈性彈性逆壓電性逆壓電性熱膨脹熱膨脹 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 正壓電性正壓電性介電性介電性熱電性熱電性 壓熱效應(yīng)壓熱效應(yīng)電熱效應(yīng)電熱效應(yīng)熱容性熱容性 三個(gè)等式實(shí)際包含三個(gè)等式實(shí)際包含9+3+1=13個(gè)等式，每個(gè)等式的右邊又含有個(gè)

6、等式，每個(gè)等式的右邊又含有9+3+1=13項(xiàng)項(xiàng) 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 （動(dòng)畫）（動(dòng)畫） 023 Dk EEE 斜率為斜率為k0的直線段的直線段負(fù)值負(fù)值 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 動(dòng)畫動(dòng)畫 02 /23kdD dEkEE D平行于平行于E： 曲線曲線A代表電場(chǎng)緩慢變化時(shí)代表電場(chǎng)緩慢變化時(shí)D與與E關(guān)系；關(guān)系； 曲線曲線B為電場(chǎng)以光頻變化時(shí)兩者的關(guān)系；為電場(chǎng)以光頻變化時(shí)兩者的關(guān)系； 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 當(dāng)一束光波穿過晶體材料，因光波而引起的振動(dòng)采用經(jīng)過原當(dāng)一束光波穿過晶體材料，因光波而引起的振動(dòng)采用經(jīng)過原 點(diǎn)的雙箭頭表示，則折射率正比于曲線點(diǎn)的雙箭頭表示，則折射率正比

7、于曲線B在原點(diǎn)處斜率的平在原點(diǎn)處斜率的平 方根；方根； 若施加一個(gè)靜電場(chǎng)若施加一個(gè)靜電場(chǎng)E0，使得靜電作用下的，使得靜電作用下的D與與E處于處于P點(diǎn)，此點(diǎn)，此 時(shí)由通過晶體的光波引起的振動(dòng)，采用經(jīng)過時(shí)由通過晶體的光波引起的振動(dòng)，采用經(jīng)過P點(diǎn)的雙箭頭點(diǎn)的雙箭頭C表表 示，這種的新折射率會(huì)比曲線示，這種的新折射率會(huì)比曲線A在在P點(diǎn)斜率小。點(diǎn)斜率小。 電光效應(yīng)是電光效應(yīng)是C點(diǎn)斜率隨偏壓電場(chǎng)點(diǎn)斜率隨偏壓電場(chǎng)E0變化而改變的一個(gè)量度變化而改變的一個(gè)量度。 02 000 /nk knaEbE 02 00 nnaEbE 02 0 nnbE 電場(chǎng)電場(chǎng)E0反向：反向： 晶體材料具有晶體材料具有 對(duì)稱中心，對(duì)稱中

8、心， 折射率相等折射率相等 克爾效應(yīng)克爾效應(yīng) 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 動(dòng)畫動(dòng)畫 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 鐵電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)不具有鐵電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)不具有 對(duì)稱中心，存在極化軸，正、對(duì)稱中心，存在極化軸，正、 負(fù)電荷中心不重合，有自發(fā)負(fù)電荷中心不重合，有自發(fā) 極化極化Ps存在。存在。 Ps可以隨外加電場(chǎng)轉(zhuǎn)向，在可以隨外加電場(chǎng)轉(zhuǎn)向，在 外電場(chǎng)去除后，還能保持一外電場(chǎng)去除后，還能保持一 定值定值剩余極化剩余極化Pr。 人工極化過程：利用鐵電材料晶體結(jié)構(gòu)的這種特人工極化過程：利用鐵電材料晶體結(jié)構(gòu)的這種特 性，可以對(duì)燒成后的鐵電陶瓷在一定條件下（溫性，可以對(duì)燒成后的鐵電陶

9、瓷在一定條件下（溫 度和時(shí)間），用強(qiáng)直流電場(chǎng)處理，使之在沿電場(chǎng)度和時(shí)間），用強(qiáng)直流電場(chǎng)處理，使之在沿電場(chǎng) 方向顯示出一定的凈極化強(qiáng)度。方向顯示出一定的凈極化強(qiáng)度。 經(jīng)過極化處理后，燒結(jié)的鐵電陶瓷將由各向經(jīng)過極化處理后，燒結(jié)的鐵電陶瓷將由各向 同性變成各向異性，因此具有鐵電效應(yīng)。同性變成各向異性，因此具有鐵電效應(yīng)。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)：壓電振子在諧振時(shí)儲(chǔ)存的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)：壓電振子在諧振時(shí)儲(chǔ)存的 機(jī)械能與在一個(gè)機(jī)械振動(dòng)周期內(nèi)消耗的機(jī)機(jī)械能與在一個(gè)機(jī)械振動(dòng)周期內(nèi)消耗的機(jī) 械能之比，反映壓電體振動(dòng)時(shí)因內(nèi)阻尼而械能之比，反映壓電體振動(dòng)時(shí)因內(nèi)阻尼而 消耗的能量的多少。消耗

10、的能量的多少。 品質(zhì)因數(shù)一般越大越好。品質(zhì)因數(shù)一般越大越好。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 壓電材料壓電材料 石英晶體石英晶體 研究較早，機(jī)電性能穩(wěn)定，沒有內(nèi)耗，在頻率穩(wěn)定研究較早，機(jī)電性能穩(wěn)定，沒有內(nèi)耗，在頻率穩(wěn)定 器、擴(kuò)音器、電話、鐘表等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。器、擴(kuò)音器、電話、鐘表等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。 酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鉭酸鋰、鈮酸鋰、碘酸酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鉭酸鋰、鈮酸鋰、碘酸 鋰等鋰等 鈮酸鋰使用最多，屬畸變的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其單鈮酸鋰使用最多，屬畸變的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其單 晶機(jī)電耦合系數(shù)大，傳輸損耗小，具有優(yōu)良的壓電晶機(jī)電耦合系數(shù)大，傳輸損耗小，具有優(yōu)良的壓電 性能。性能。 鈦酸

11、鋇鈦酸鋇（BaTiO3） 第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)可以制成陶瓷的鐵電體。第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)可以制成陶瓷的鐵電體。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 壓電材料的應(yīng)用壓電材料的應(yīng)用 微聲技術(shù)（壓電半導(dǎo)體）微聲技術(shù)（壓電半導(dǎo)體） B-A族化合物：族化合物： CdS、CdSe、ZnO、ZnS、ZnTe、CdTe等等 A-A族化合物：族化合物： GaAs、GaSb、InSb、InAs、AlN等等 用得最多的是用得最多的是CdS、CdSe、ZnO 水聲轉(zhuǎn)換器水聲轉(zhuǎn)換器 壓電材料水聲轉(zhuǎn)換器是利用正、逆壓電效應(yīng)壓電材料水聲轉(zhuǎn)換器是利用正、逆壓電效應(yīng) 以發(fā)射聲波或接收聲波來完成水下觀察、通信和以發(fā)射聲波或接收聲波來完成水下觀察、通信和 探測(cè)工

12、作。探測(cè)工作。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 超聲技術(shù)超聲技術(shù) 利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，在高驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下產(chǎn)生利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，在高驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下產(chǎn)生 高強(qiáng)度超聲波，以此作為動(dòng)力，應(yīng)用在超聲清洗、超聲高強(qiáng)度超聲波，以此作為動(dòng)力，應(yīng)用在超聲清洗、超聲 乳化、超聲焊接、超聲打孔、超聲粉碎、超聲分散等乳化、超聲焊接、超聲打孔、超聲粉碎、超聲分散等 高電壓發(fā)生器高電壓發(fā)生器 利用了壓電材料的正壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電利用了壓電材料的正壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電 能，產(chǎn)生的電壓很高。應(yīng)用在壓電點(diǎn)火器、引燃引爆裝能，產(chǎn)生的電壓很高。應(yīng)用在壓電點(diǎn)火器、引燃引爆裝 置、壓電開關(guān)、小型電源。置、壓電開關(guān)、小型電源。

13、電聲器件電聲器件 利用壓電材料的優(yōu)良的機(jī)電性能、高的化學(xué)穩(wěn)定性，利用壓電材料的優(yōu)良的機(jī)電性能、高的化學(xué)穩(wěn)定性， 制成拾音器、揚(yáng)聲器、蜂鳴器等。制成拾音器、揚(yáng)聲器、蜂鳴器等。 壓電材料的應(yīng)用壓電材料的應(yīng)用 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 動(dòng)畫動(dòng)畫 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 晶體中存在熱釋電效應(yīng)的前提晶體中存在熱釋電效應(yīng)的前提 具有自發(fā)極化，即晶體結(jié)構(gòu)中的某些方具有自發(fā)極化，即晶體結(jié)構(gòu)中的某些方 向存在固有電矩。向存在固有電矩。 具有對(duì)稱中心的晶體將不可能具有熱釋具有對(duì)稱中心的晶體將不可能具有熱釋 電效應(yīng)。電效應(yīng)。 只有晶體的結(jié)構(gòu)中存在著與其他極軸不相同的只有晶體的結(jié)構(gòu)中存在著與其他極軸不相同的 唯一極軸（極化軸）

14、時(shí)，才有可能因熱膨脹而唯一極軸（極化軸）時(shí)，才有可能因熱膨脹而 引起總電矩的變化，即出現(xiàn)熱釋電效應(yīng)。引起總電矩的變化，即出現(xiàn)熱釋電效應(yīng)。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 熱釋電晶體中一定存在壓電效應(yīng)，熱釋電晶體中一定存在壓電效應(yīng)， 壓電晶體不一定具備熱釋電效應(yīng)。壓電晶體不一定具備熱釋電效應(yīng)。 熱釋電晶體：熱膨脹（在各個(gè)方向）引起熱釋電晶體：熱膨脹（在各個(gè)方向）引起 正、負(fù)電荷中心的相對(duì)位移。正、負(fù)電荷中心的相對(duì)位移。 壓電晶體：機(jī)械力沿一定方向引起正、負(fù)壓電晶體：機(jī)械力沿一定方向引起正、負(fù) 電荷中心的相對(duì)位移。電荷中心的相對(duì)位移。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 熱釋電晶體作紅外探測(cè)器的工作原理熱釋電晶體作紅外探測(cè)器

15、的工作原理 當(dāng)紅外熱輻射照到晶片上時(shí)，其溫度變化率：當(dāng)紅外熱輻射照到晶片上時(shí)，其溫度變化率： dT/dt 垂直于熱電軸方向的晶體單位表面的電荷發(fā)生變化：垂直于熱電軸方向的晶體單位表面的電荷發(fā)生變化： dQ/dt =dP/dt 熱釋電電壓熱釋電電壓V V = AR(dQ/dt)=AR(dP/dt)=ARpi (dT/dt） A兩極板面積；兩極板面積； R負(fù)載電阻；負(fù)載電阻； Q晶體表面的電荷面密度晶體表面的電荷面密度 P自發(fā)極化強(qiáng)度自發(fā)極化強(qiáng)度 pi晶體熱釋電系數(shù)晶體熱釋電系數(shù) 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 可見，熱釋電晶體兩極板輸出的信號(hào)電壓可見，熱釋電晶體兩極板輸出的信號(hào)電壓 與紅外輻射的溫度變化率成

16、正比。與紅外輻射的溫度變化率成正比。 通過測(cè)量信號(hào)電壓的變化實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)距離通過測(cè)量信號(hào)電壓的變化實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)距離 熱輻射目標(biāo)溫度變化率的測(cè)量。熱輻射目標(biāo)溫度變化率的測(cè)量。 這種測(cè)量不需要使熱釋電晶體同輻射源達(dá)這種測(cè)量不需要使熱釋電晶體同輻射源達(dá) 到溫度平衡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離的熱目標(biāo)的探到溫度平衡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離的熱目標(biāo)的探 測(cè)成為可能。測(cè)成為可能。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 用作熱電紅外探測(cè)器晶體的主要性能參數(shù)：用作熱電紅外探測(cè)器晶體的主要性能參數(shù)： 熱釋電系數(shù)熱釋電系數(shù) 此外，要求晶體對(duì)紅外輻射具有吸收此外，要求晶體對(duì)紅外輻射具有吸收 大、熱容量小、電容率小、介電損耗大、熱容量小、電容率小、介電損

17、耗tan小、小、 相對(duì)密度小、易加工成薄片等。相對(duì)密度小、易加工成薄片等。 熱釋電晶體應(yīng)用熱釋電晶體應(yīng)用 除作探測(cè)器外，還可用于非接觸測(cè)溫、除作探測(cè)器外，還可用于非接觸測(cè)溫、 火車熱軸探測(cè)、森林防火、無損探傷等。火車熱軸探測(cè)、森林防火、無損探傷等。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 本征光電導(dǎo)：光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度本征光電導(dǎo)：光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg， 則價(jià)電子將可以被激發(fā)至導(dǎo)帶則價(jià)電子將可以被激發(fā)至導(dǎo)帶Ec，出現(xiàn)附加的電子，出現(xiàn)附加的電子- 空穴對(duì)，從而使電導(dǎo)率增大?？昭▽?duì)，從而使電導(dǎo)率增大。 用于檢測(cè)可見光、近紅外輻射用于檢測(cè)可見光、近紅外輻射

18、 雜質(zhì)光電導(dǎo)：光照僅能激發(fā)禁帶中的雜質(zhì)能級(jí)上的雜質(zhì)光電導(dǎo)：光照僅能激發(fā)禁帶中的雜質(zhì)能級(jí)上的 電子或空穴而改變其電導(dǎo)率。電子或空穴而改變其電導(dǎo)率。 用于檢測(cè)中紅外、遠(yuǎn)紅外輻射用于檢測(cè)中紅外、遠(yuǎn)紅外輻射 這種效應(yīng)的產(chǎn)生，來自于材料因吸收光子后，這種效應(yīng)的產(chǎn)生，來自于材料因吸收光子后， 其中的載流子濃度發(fā)生變化。其中的載流子濃度發(fā)生變化。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 原理原理 空間電荷區(qū)：空間電荷區(qū)： 半導(dǎo)體材料形成半導(dǎo)體材料形成p-n結(jié)時(shí)，由于載流子存在濃度差，結(jié)時(shí)，由于載流子存在濃度差， n區(qū)的電子向區(qū)的電子向p區(qū)擴(kuò)散，而區(qū)擴(kuò)散，而p區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向n區(qū)擴(kuò)散，結(jié)果區(qū)擴(kuò)散，結(jié)果 在在p-n結(jié)附近，結(jié)附

19、近，p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了負(fù)電荷區(qū)，區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了負(fù)電荷區(qū)，n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)區(qū)一側(cè)出現(xiàn) 了正電荷區(qū)。了正電荷區(qū)。 空間電荷的存在形成自建電場(chǎng)：阻止電子由空間電荷的存在形成自建電場(chǎng)：阻止電子由n區(qū)向區(qū)向p區(qū)、區(qū)、 空穴由空穴由p區(qū)向區(qū)向n區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)散，卻能推動(dòng)區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)散，卻能推動(dòng)n區(qū)空穴、區(qū)空穴、p區(qū)區(qū) 電子分別向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)。電子分別向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 原理原理 當(dāng)光子入射到當(dāng)光子入射到p-n結(jié)時(shí)，若光子能量結(jié)時(shí)，若光子能量hvEg，在，在p- n結(jié)附近激發(fā)出電子空穴對(duì)。結(jié)附近激發(fā)出電子空穴對(duì)。 在自建電場(chǎng)的作用下，在自建電場(chǎng)的作用下，n區(qū)的光生空穴被拉向區(qū)的光生空穴被拉向p區(qū)，區(qū)， p區(qū)的光生

20、電子被拉向區(qū)的光生電子被拉向n區(qū)，結(jié)果區(qū)，結(jié)果n區(qū)積累了負(fù)電區(qū)積累了負(fù)電 荷，荷，p區(qū)積累了正電荷，從而產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。區(qū)積累了正電荷，從而產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。 光生伏特效應(yīng)：將外電路接通，則有電流由光生伏特效應(yīng)：將外電路接通，則有電流由p區(qū)區(qū) 流經(jīng)外電路至流經(jīng)外電路至n區(qū)。區(qū)。 應(yīng)用應(yīng)用 制作探測(cè)光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件制作探測(cè)光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件 光電池光電池太陽能電池太陽能電池 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 如果光子的頻率小于某一如果光子的頻率小于某一min值，即使增加光的強(qiáng)值，即使增加光的強(qiáng) 度，也不能產(chǎn)生光電子發(fā)射。度，也不能產(chǎn)生光電子發(fā)射。 量子效應(yīng)量子效應(yīng)： 一個(gè)光子與其所能引致的發(fā)生光電子數(shù)之比

21、。一個(gè)光子與其所能引致的發(fā)生光電子數(shù)之比。 實(shí)用材料的實(shí)用材料的值為值為0.10.2 應(yīng)用應(yīng)用 利用光電發(fā)射效應(yīng)可制成光電發(fā)射管。利用光電發(fā)射效應(yīng)可制成光電發(fā)射管。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 澤貝克效應(yīng)澤貝克效應(yīng) 當(dāng)由兩種不同的導(dǎo)體當(dāng)由兩種不同的導(dǎo)體a和和b構(gòu)成構(gòu)成 的電路開路時(shí)，若其接點(diǎn)的電路開路時(shí)，若其接點(diǎn)1和和2 分別保持不同的溫度分別保持不同的溫度T1（低溫）（低溫） 和和T2（高溫）下，則回路內(nèi)產(chǎn)（高溫）下，則回路內(nèi)產(chǎn) 生熱電勢(shì)，其感應(yīng)電勢(shì)正比于生熱電勢(shì)，其感應(yīng)電勢(shì)正比于 接點(diǎn)溫度接點(diǎn)溫度T1和和T2之差之差T （T=T2-T1）,即即 VTT T 熱電能或澤貝克系數(shù)，

22、熱電能或澤貝克系數(shù)， 單位為單位為V/K 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 珀?duì)栙N效應(yīng)珀?duì)栙N效應(yīng) 若在兩種不同的導(dǎo)體若在兩種不同的導(dǎo)體a和和b構(gòu)成的構(gòu)成的 閉合電路中流過電流閉合電路中流過電流I，則在兩個(gè)，則在兩個(gè) 接點(diǎn)的一個(gè)接點(diǎn)處（接點(diǎn)接點(diǎn)的一個(gè)接點(diǎn)處（接點(diǎn)1）產(chǎn)生）產(chǎn)生 熱量熱量W，在另一個(gè)接點(diǎn)處（接點(diǎn)，在另一個(gè)接點(diǎn)處（接點(diǎn)2） 吸收熱量吸收熱量W，此現(xiàn)象稱為珀?duì)栙N，此現(xiàn)象稱為珀?duì)栙N 效應(yīng)。效應(yīng)。產(chǎn)生的熱量正比于流過回路產(chǎn)生的熱量正比于流過回路 的電流的電流 珀?duì)栙N系數(shù)珀?duì)栙N系數(shù) ab WWI ab 其大小取決于所用的兩種導(dǎo)體的種類其大小取決于所用的兩種導(dǎo)體的種類 和環(huán)境溫度和環(huán)境溫度。 ab T T

23、第七章材料功能轉(zhuǎn)換 湯姆遜效應(yīng)湯姆遜效應(yīng) 在溫度隨位置不同而不同的導(dǎo)體在溫度隨位置不同而不同的導(dǎo)體 （具有溫度梯度為（具有溫度梯度為 的導(dǎo)體）的導(dǎo)體） 中，流過電流中，流過電流I而產(chǎn)生熱的現(xiàn)象。而產(chǎn)生熱的現(xiàn)象。 在每單位長(zhǎng)度上，每秒產(chǎn)生的熱在每單位長(zhǎng)度上，每秒產(chǎn)生的熱 量量 正比于正比于 和和I，即，即 /Tx /Qx QT TI xx T /Tx 湯姆遜系數(shù)，單位為湯姆遜系數(shù)，單位為V/K。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 熱電材料的應(yīng)用熱電材料的應(yīng)用 熱電偶熱電偶-測(cè)量溫度測(cè)量溫度-澤貝克效應(yīng)澤貝克效應(yīng) 金屬的組合金屬的組合 適用的溫度范圍適用的溫度范圍 銅銅-康銅康銅（60%Cu+40%Ni） -2

24、00400 oC 鎳鉻鎳鉻-鎳鋁鎳鋁 （90%Ni+10%Cr+95%Ni+5%Al） 01000 oC 鉑銠（鉑銠（Pt-13%Rh） 1500 oC 金鐵（金鐵（Au-0.03%Fe） 低溫和超低溫測(cè)量低溫和超低溫測(cè)量 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 溫差發(fā)電溫差發(fā)電-澤貝克效應(yīng)澤貝克效應(yīng) 缺點(diǎn)：效率低，成本高缺點(diǎn)：效率低，成本高 優(yōu)勢(shì)：在特殊環(huán)境中發(fā)電，如在高山、南極、優(yōu)勢(shì)：在特殊環(huán)境中發(fā)電，如在高山、南極、 空間、月球上工作的大功率能源?？臻g、月球上工作的大功率能源。 制冷制冷-珀?duì)栙N效應(yīng)珀?duì)栙N效應(yīng) 缺點(diǎn)：效率低缺點(diǎn)：效率低 優(yōu)勢(shì)：不需大型設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)降溫，而且體優(yōu)勢(shì)：不需大型設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)降溫，而

25、且體 積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于小型設(shè)備，特別適用于積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于小型設(shè)備，特別適用于 狹窄場(chǎng)所保持低溫以及控制半導(dǎo)體激光器的溫度狹窄場(chǎng)所保持低溫以及控制半導(dǎo)體激光器的溫度 等。等。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 制冷與低溫溫差發(fā)電制冷與低溫溫差發(fā)電 碲化鉍（碲化鉍（Bi2Te3）、硒化鉍（）、硒化鉍（Bi2Se3）、碲化銻）、碲化銻 （Sb2Te3） 用于熱電轉(zhuǎn)換的材料：用于熱電轉(zhuǎn)換的材料： 氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物 硅化物的澤貝克系數(shù)高：硅化物的澤貝克系數(shù)高： MnSi-180、CrSi2-120 工作溫度也高工作溫度也高 第七章材料功能轉(zhuǎn)換

26、第七章材料功能轉(zhuǎn)換 克爾效應(yīng)與泡克爾斯效應(yīng)的差別克爾效應(yīng)與泡克爾斯效應(yīng)的差別 克爾效應(yīng)除了表現(xiàn)在電場(chǎng)與物質(zhì)折射率的變化克爾效應(yīng)除了表現(xiàn)在電場(chǎng)與物質(zhì)折射率的變化 成二次方關(guān)系外，還表現(xiàn)在所用的材料不是壓電晶成二次方關(guān)系外，還表現(xiàn)在所用的材料不是壓電晶 體，而是各向同性材料（有時(shí)是液體）。體，而是各向同性材料（有時(shí)是液體）。 在入射光垂直的方向上加高電壓，各向同性體在入射光垂直的方向上加高電壓，各向同性體 呈現(xiàn)出雙折射率特性，即一束入射光變成兩束出射呈現(xiàn)出雙折射率特性，即一束入射光變成兩束出射 光，這種現(xiàn)象為電光克爾效應(yīng)。光，這種現(xiàn)象為電光克爾效應(yīng)。 電光材料的用途電光材料的用途 制造光調(diào)制元件、

27、用于光偏轉(zhuǎn)、可變諧振濾波、制造光調(diào)制元件、用于光偏轉(zhuǎn)、可變諧振濾波、 電場(chǎng)的測(cè)定等電場(chǎng)的測(cè)定等 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 電光效應(yīng)最重要的用途電光效應(yīng)最重要的用途-電光快門電光快門 電光晶體的作用：電光開關(guān)電光晶體的作用：電光開關(guān) 半波電壓：打開這個(gè)開關(guān)半波電壓：打開這個(gè)開關(guān) 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 維爾德常數(shù)，其值高，維爾德常數(shù)，其值高， 則是非常有用磁光材料。則是非常有用磁光材料。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 動(dòng)畫動(dòng)畫 動(dòng)畫動(dòng)畫 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 磁光效應(yīng)的應(yīng)用磁光效應(yīng)的應(yīng)用 應(yīng)用法拉第效應(yīng)制敏感元器件：應(yīng)用法拉第效應(yīng)制敏感元器件： 實(shí)驗(yàn)光對(duì)磁光敏感功能材料具有較好的穿透實(shí)驗(yàn)光對(duì)磁光敏感功能材料具有較好的

28、穿透 特性。特性。 應(yīng)用磁光克爾效應(yīng)制敏感元器件應(yīng)用磁光克爾效應(yīng)制敏感元器件 實(shí)驗(yàn)光不能穿透所用磁光材料實(shí)驗(yàn)光不能穿透所用磁光材料 右旋右旋左旋左旋 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 科頓科頓-穆頓效應(yīng)穆頓效應(yīng) 當(dāng)光照射到硝基苯等芳當(dāng)光照射到硝基苯等芳 香族化合物時(shí)，若在與香族化合物時(shí)，若在與 入射光相垂直的方向上入射光相垂直的方向上 加上外磁場(chǎng)，化合物呈加上外磁場(chǎng)，化合物呈 現(xiàn)雙折射特性，即一束現(xiàn)雙折射特性，即一束 入射光變?yōu)閮墒錾淙肷涔庾優(yōu)閮墒錾?光光正常光與異常光。正常光與異常光。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 磁光效應(yīng)的其它現(xiàn)象磁光效應(yīng)的其它現(xiàn)象 諾斯科夫和基科因諾斯科夫和基科因 將一片半導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，

29、將一片半導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中， 用于一個(gè)垂直于場(chǎng)力線的用于一個(gè)垂直于場(chǎng)力線的 輻射通量照射該半導(dǎo)體，輻射通量照射該半導(dǎo)體， 那么半導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生一那么半導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生一 個(gè)垂直于磁場(chǎng)和輻射通量個(gè)垂直于磁場(chǎng)和輻射通量 的電位差。的電位差。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 磁光材料磁光材料 磁光材料是在可見光和紅外波段具有磁光效應(yīng)的光磁光材料是在可見光和紅外波段具有磁光效應(yīng)的光 信息功能材料。信息功能材料。 磁性材料磁性材料 亞鐵磁性石榴石、尖晶石鐵氧體、正鐵氧體、鋇鐵亞鐵磁性石榴石、尖晶石鐵氧體、正鐵氧體、鋇鐵 氧體二價(jià)銪的化合物、鉻的三鹵化物、一些金屬氧體二價(jià)銪的化合物、鉻的三鹵化物、一些金屬 亞鐵磁石榴石：亞

30、鐵磁石榴石：R3Fe5O12，R為稀土金屬離子為稀土金屬離子 亞鐵磁石榴石單晶薄片對(duì)可見光是透明的，對(duì)近紅亞鐵磁石榴石單晶薄片對(duì)可見光是透明的，對(duì)近紅 外輻射幾乎是完全透明的。外輻射幾乎是完全透明的。 弱磁材料（順磁性或逆磁性）弱磁材料（順磁性或逆磁性） 含有大量含有大量Ga、In、Tl、Ge、Sn、Pb、Bi的離子的的離子的 磁光玻璃，維爾德常數(shù)高。磁光玻璃，維爾德常數(shù)高。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 鐵鐵磁性材料磁性材料 CdCr2S4、CoCr2S4等尖晶石結(jié)構(gòu)的硫?qū)倩衔铮燃饩Y(jié)構(gòu)的硫?qū)倩衔铮?它們的光、電、磁性能適宜制作成紅外波段（它們的光、電、磁性能適宜制作成紅外波段（110 m）的

31、磁光器件，只能在液氮溫度以下應(yīng)用。）的磁光器件，只能在液氮溫度以下應(yīng)用。 稀土過渡金屬薄膜稀土過渡金屬薄膜 Cd-Co、Ho-Co、Cd-Fe、Te-Fe等，具有較強(qiáng)的等，具有較強(qiáng)的 磁光效應(yīng)，可制作磁光器件。錳鉍型合金薄膜具有磁光效應(yīng)，可制作磁光器件。錳鉍型合金薄膜具有 較大的克爾旋轉(zhuǎn)角。較大的克爾旋轉(zhuǎn)角。 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 鍺、硅、硫化鉛、銻化銦、砷化銦、亞錫酸鎂鍺、硅、硫化鉛、銻化銦、砷化銦、亞錫酸鎂 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 聲光效應(yīng)的表現(xiàn)形式：聲光效應(yīng)的表現(xiàn)形式： 布拉格反射布拉格反射-外加超聲波頻率較高外加超聲波頻率較高 拉曼拉曼-納斯衍射納斯衍射-超聲波頻率較低超聲波頻率較低 第七

32、章材料功能轉(zhuǎn)換 普通光柵的衍射現(xiàn)象普通光柵的衍射現(xiàn)象 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 布拉格反射布拉格反射 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 “活動(dòng)性光柵活動(dòng)性光柵” 聲光效應(yīng)產(chǎn)生的衍射，由于超聲波的作用，聲光效應(yīng)產(chǎn)生的衍射，由于超聲波的作用， 在物質(zhì)內(nèi)部形成密度疏密波起到光柵作用。在物質(zhì)內(nèi)部形成密度疏密波起到光柵作用。 超聲波彈性應(yīng)變傳播，光彈性效應(yīng)使介質(zhì)的折射超聲波彈性應(yīng)變傳播，光彈性效應(yīng)使介質(zhì)的折射 發(fā)生周期變化。發(fā)生周期變化。 超聲波引起的聲光效應(yīng)尤為顯著：超聲波引起的聲光效應(yīng)尤為顯著： 超聲波能夠引起物質(zhì)密度的周期性疏密變化，超聲波能夠引起物質(zhì)密度的周期性疏密變化， 可使正在該物質(zhì)中傳輸?shù)墓飧淖冃羞M(jìn)方向?？墒拐谠撐镔|(zhì)中傳輸?shù)墓飧淖冃羞M(jìn)方向。 第七章材料功能轉(zhuǎn)換 拉曼拉曼-納斯衍射納斯衍射 超聲波頻率較低（超聲波頻率較低（20 MHz），），聲光相互作用聲光相互作用 長(zhǎng)度較短（長(zhǎng)度較短（L2/2）， 光束與超聲波面平行時(shí)，光束與超聲波面平行時(shí)， 產(chǎn)生拉曼產(chǎn)生拉曼-納斯衍射，平納斯衍射，平 行光束垂直通過超聲波行光束垂直通過超聲波 柱相當(dāng)于通過一個(gè)很薄柱相當(dāng)于通過一個(gè)很