(完整版)功能材料課件-功能轉(zhuǎn)換材料

1、功能轉(zhuǎn)換材料壓電材料熱釋電材料光電材料熱電材料電光材料磁光材料聲光材料 壓電材料壓電材料是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)變的工作物質(zhì)。壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)在某些特定方向上加力時(shí)，在力方向的垂直平面上出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷的現(xiàn)象。壓電材料壓電材料鈣鈦礦型： 鈦酸鋇 （鐵電相，四方結(jié)構(gòu) 0-120） 鈦酸鉛 （鐵電相，四方結(jié)構(gòu) 0-490 ） 鈦鋯酸鉛（PZT） 是由鋯酸鉛和鈦酸鉛構(gòu)成的固溶體（鐵電相，斜方反鐵電體，居里溫度在300以上）壓電材料壓電材料的應(yīng)用壓電薄膜 壓電材料壓電材料的應(yīng)用壓電材料壓電材料的應(yīng)用經(jīng)由雙簧式壓電致動(dòng)器出力使基板產(chǎn)生振動(dòng)從而構(gòu)成一揚(yáng)聲機(jī)制：用

2、于移動(dòng)電話、掌上電腦(PDA) 、筆記電腦等的發(fā)聲模塊壓電材料壓電材料的應(yīng)用美容保健用超音波按摩頭壓電材料壓電材料的應(yīng)用用于加濕機(jī)、精油霧化以及醫(yī)療霧化領(lǐng)域 壓電材料壓電材料的應(yīng)用汽車倒車?yán)走_(dá)熱釋電材料某些晶體的電極化強(qiáng)度隨溫度變化而引起表面電荷。 熱釋電材料是壓電材料中的一類，是不具有對(duì)稱中心。晶體受熱時(shí)，膨脹是在各個(gè)方向同時(shí)發(fā)生的，所以只有那些有著與其他方向不同的唯一極軸（極化軸）時(shí)，才有熱釋電性。熱釋電晶體一定是壓電晶體，而壓電晶體不一定是熱釋電晶體熱釋電材料熱釋電效應(yīng)基本參數(shù) 熱釋電電壓與熱釋電系數(shù)和溫度的變化率有關(guān)。熱釋電系數(shù)兩極板面積負(fù)載電阻溫度變化率dt dTARPViD熱釋電材

3、料熱釋電陶瓷 ZnO 、BaTiO3 、PMN (鎂鈮酸鉛) 、PST(鉭鈧酸鉛) 、BST (鈦酸鍶鋇) 、PbTiO3 、PLT (鈦酸鉛鑭) 、PZT (鋯鈦酸鉛) 、PZNFT ( PbZrO32Pb (NbFe) O32PbTiO3) 、PLZT (鋯鈦酸鉛鑭)等熱釋電材料 熱釋電材料熱釋電材料的應(yīng)用在物理學(xué)基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用，如確定晶體的非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)和相變溫度，確定晶體中原子(或離子)的相對(duì)位移等在探測(cè)器方面的應(yīng)用熱釋電紅外探測(cè)器 熱釋電探測(cè)器與常規(guī)紅外探測(cè)器相比，具有工作頻率范圍寬，靈敏度高，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、衛(wèi)星測(cè)控、銀行、電力等部門。熱釋電材料熱釋電材料的應(yīng)用

4、(1) 夜視裝置。熱釋電材料熱釋電材料的應(yīng)用(2) 衛(wèi)星遙感探測(cè)。森林火災(zāi)、探礦(3) 紅外探測(cè)報(bào)警。(4)利用熱釋電晶體的靜壓電效應(yīng)，可制作聲場(chǎng)校準(zhǔn)器，并且可以用作水聽器，監(jiān)測(cè)潛艇及水面艦艇的活動(dòng)情況。光電材料光電效應(yīng) 光照射在物體上可以看成是一連串的具有一定能量的光子轟擊這些物體的表面；光子與物體之間的聯(lián)接體是電子。所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。 光電效應(yīng)主要有光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電子發(fā)射效應(yīng)三種。光電材料光電效應(yīng)1） 光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，電子吸收光子的能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效

5、應(yīng)。 本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo) 導(dǎo)帶 價(jià)帶 禁帶 自由電子所占能帶 價(jià)電子所占能帶 Eg光電材料光電效應(yīng)2） 光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、光敏三極管。 當(dāng)光子入射到p-n結(jié)時(shí)，如果光子能量hEg，在p-n結(jié)附近激發(fā)出電子空穴對(duì)，在自建電場(chǎng)的作用下，n區(qū)的光生空穴被拉向p區(qū)，p區(qū)的光生電子被拉向n區(qū)，結(jié)果n區(qū)積累了負(fù)電荷，p區(qū)積累了正電荷，產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。光電材料光電效應(yīng)3）光電發(fā)射效應(yīng) 在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。光子能量逸出電子動(dòng)能

6、逸出功光電材料光電材料1、光電導(dǎo)材料光電導(dǎo)增益光電流與入射光引起的單位時(shí)間電荷量的比值。 電導(dǎo)率正比于載流子濃度及其遷移率的乘積。增大光電導(dǎo)增益的途徑：減小樣品長(zhǎng)度增加載流子的壽命增大遷移率光電導(dǎo)材料的性能 見P175表13-2光電材料光電材料2、光電池材料（太陽能電池）要求：半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；0.9-1.5eV要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率：材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。常用太陽能電池材料：硅光電材料光電材料2、光電池材料（太陽能電池）化合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池 主要有銅銦硒(CIS)和銅銦鎵硒(CIGS)、CdTe、GaAs等。 它們都是直接帶隙材料，帶隙寬度

7、在1-1.6eV之間，具有很好大范圍太陽光譜響應(yīng)特性所需材料只要幾個(gè)微米厚就能吸收陽光的絕大部分，是制作薄膜太陽電池的優(yōu)選活性材料。熱電材料熱電效應(yīng) 在不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合電路中，若其結(jié)合部出現(xiàn)溫差，則在此閉合回路中將出現(xiàn)熱電流，或產(chǎn)生熱電勢(shì)，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 熱電效應(yīng)有塞貝克(Seebeck)效應(yīng)、帕爾帖(Peltire)效應(yīng)和湯姆遜(Thomson)效應(yīng)三種。熱電材料熱電效應(yīng)（1）塞貝克效應(yīng)（1821年T. J. Seebeck發(fā)現(xiàn)） 由兩種不同導(dǎo)體組成的開路中，如果導(dǎo)體的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)存在溫度差，則開路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于結(jié)點(diǎn)溫度之差。T：兩接觸點(diǎn)的溫差a(T)：相對(duì)塞貝克系數(shù)

8、原理：溫差及材料差異導(dǎo)致兩種材料的電子濃度差，在結(jié)點(diǎn)處擴(kuò)散，形成內(nèi)電場(chǎng)，即產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。熱電材料熱電效應(yīng)（2）帕爾帖效應(yīng)（1834年J. C. A. Peltier發(fā)現(xiàn)） 電流流經(jīng)兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，將從外接吸收熱量或向外界放出熱量。物理解釋： 電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，當(dāng)它從高能級(jí)向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便釋放出多余的能量；相反，從低能級(jí)向高能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。熱電材料熱電效應(yīng)（3）湯姆遜效應(yīng)（1856年發(fā)現(xiàn)，Thomson） 電流通過具有溫度梯度的均勻?qū)w時(shí)，導(dǎo)體將吸收或放出熱量。單位長(zhǎng)度上吸收或放

9、出的熱量：三種熱效應(yīng)的比較：P177表133 湯姆遜系數(shù)熱電材料熱電材料塞貝克效應(yīng)的應(yīng)用測(cè)溫用熱電偶要求：(1) 溫度測(cè)量范圍廣。要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)有較高的測(cè)量精確度，有較大的熱電動(dòng)勢(shì)。溫度與熱電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系是單值函數(shù)，最好是呈線性關(guān)系。(2) 性能穩(wěn)定。要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)使用時(shí)熱電性能穩(wěn)定，均勻性和復(fù)現(xiàn)性好。(3) 物理化學(xué)性能好。要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性或抗還原性能。熱電材料熱電材料塞貝克效應(yīng)的應(yīng)用測(cè)溫用熱電偶鉑銠-鉑熱電偶13001600 高溫鎳鉻-鎳硅熱電偶 -200+1300鎳鉻-銅 -200+1000鐵-銅鎳熱電偶 -200+1300銅-

10、銅鎳熱電偶 -200+400熱電材料熱電材料塞貝克效應(yīng)的應(yīng)用溫差發(fā)電溫差發(fā)電的效率一般不超過14% 無噪音余熱利用熱電材料熱電材料塞貝克效應(yīng)的應(yīng)用溫差發(fā)電Bi2Te3- Sb2Te3系化合物PbTe型化合物FeSi2型化合物熱電材料熱電材料帕爾帖效應(yīng)的應(yīng)用電子制冷電光材料電光效應(yīng) 物質(zhì)的光學(xué)特性受電場(chǎng)影響而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。 其中物質(zhì)的折射率受電場(chǎng)的影響發(fā)生改變的電光效應(yīng)分為波克爾效應(yīng)和克爾效應(yīng)。電光材料電光效應(yīng)物質(zhì)的折射率同所加電場(chǎng)之間的關(guān)系：波克爾效應(yīng)折射率的變化同電場(chǎng)強(qiáng)度直線關(guān)系 （壓電晶體）克爾效應(yīng)折射率的變化同電場(chǎng)平方直線關(guān)系 各向同性物質(zhì)（液體）電光材料電光材料電光材料（

11、1）電光晶體P179表13-4（2）電光陶瓷PLZT（電光系數(shù)大） Pb1-xLax(Zr1-yTiy) O3電光材料電光材料電光材料的應(yīng)用（1）電光快門控制速度可達(dá)10-9 m/s，廣泛應(yīng)用于高速攝影、電影、電視和激光通訊等許多領(lǐng)域。（2）光調(diào)制磁光材料磁光效應(yīng) 置于磁場(chǎng)中的物體，受磁場(chǎng)影響后光學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。 磁光效應(yīng)：磁光法拉第效應(yīng)和磁光克爾效應(yīng)等磁光材料磁光效應(yīng)磁光法拉第效應(yīng) 平面偏振光（直線偏振光）通過帶磁性的物體時(shí)，其偏振光面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為磁光法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角維爾德常數(shù)光線通過的長(zhǎng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度磁光材料磁光效應(yīng)磁光克爾效應(yīng) 當(dāng)光入射到被磁化的物質(zhì)，或入射到外

12、磁場(chǎng)作用下的物質(zhì)表面時(shí)，其反射光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。其偏振角隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化。磁光材料磁光效應(yīng)科頓-蒙頓效應(yīng) 當(dāng)光照射到硝基苯等芳香族化合物時(shí)，若在與入射光相垂直的方向上加上外磁場(chǎng)，化合物便可呈現(xiàn)雙折射特性,即一束入射光變?yōu)閮墒錾涔庹９馀c異常光。這種現(xiàn)象稱為科頓-蒙頓效應(yīng)。磁光材料磁光材料磁光材料按其狀態(tài)分為三類：磁光晶體材料 磁光晶體的典型代表為亞鐵磁性石榴石。還有很多磁性材料，具有突出的磁光效應(yīng)，它們是尖晶石鐵氧體、正鐵氧體、鋇鐵氧體、二價(jià)銪的化合物、鉻的三鹵化物和一些金屬。見P182磁光材料磁光材料的應(yīng)用 稀土過渡族金屬薄膜，如CdCo，HoCo，CdFe，TeFe等，具有

13、較強(qiáng)的磁光效應(yīng)，可制作磁光器件，實(shí)現(xiàn)高密度信息儲(chǔ)存。 磁光材料磁光材料的應(yīng)用激光調(diào)制器 磁光調(diào)制器是利用偏振光通過磁光介質(zhì)發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)來調(diào)制光束。磁光調(diào)制器有廣泛的應(yīng)用，可作為紅外檢測(cè)器的斬波器，可制成紅外輻射高溫計(jì)、高靈敏度偏振計(jì)，還可用于顯示電視信號(hào)的傳輸、測(cè)距裝置以及各種光學(xué)檢測(cè)和傳輸系統(tǒng)中。磁光材料磁光材料的應(yīng)用快速光開關(guān)隔離器 單向?qū)Ч馄?，隔離器放置于激光器及光放大器前面，防止系統(tǒng)中的反射光對(duì)器件性能的影響甚至損傷。 磁光材料磁光材料的應(yīng)用環(huán)行器 聲光材料聲光效應(yīng) 聲波作用于某些物質(zhì)之后，該物質(zhì)光學(xué)特性發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)。 超聲波引起的聲光效應(yīng)尤為顯著，這是因?yàn)槌暡?/p>

14、夠引起物質(zhì)密度的周期性疏密變化，使正在該物質(zhì)中傳輸?shù)墓飧淖冃羞M(jìn)方向。 聲光材料聲光效應(yīng)聲光效應(yīng)有兩種表現(xiàn)形式：外加的超聲波頻率較高時(shí)產(chǎn)生布拉格反射；外加的超聲波頻率較低時(shí)產(chǎn)生拉曼納斯衍射。 布拉格反射拉曼納斯衍射(20MHz)(20MHz)聲光材料聲光材料常用聲光材料：聲光晶體聲光玻璃聲光液體 聲光材料聲光材料聲光晶體 早期使用的聲光晶體有LiNbO3、LiTaO3、-Al2O3和R3Al5O2等，品質(zhì)因素較好的聲光晶體有PbMoO4、Pb2MoO5、TeO2、-LiIO3等。PbMoO4晶體具有較高的聲光品質(zhì)因素，其M2 = 36.310-18 s3/g，相當(dāng)于LiNbO3晶體的5倍多。聲波

15、損耗低，不吸潮，生長(zhǎng)、處理和加工都比較容易，是制作實(shí)用聲光器材的主要材料之一。 聲光材料聲光材料聲光晶體 TeO2晶體的聲光品質(zhì)因素M2遠(yuǎn)高于其他實(shí)用聲光材料。聲損耗比PbMoO4晶體稍高， TeO2晶體制作的聲光器件，驅(qū)動(dòng)功率小，器件體積小。-LiIO3晶體具有旋光、倍頻、壓電、電光、聲光等多種效應(yīng)。-LiIO3晶體的品質(zhì)因素M2高達(dá)86 x 10-18 s3/g，是PbMoO4、TeO2品質(zhì)因素的兩倍多，因而也是一種優(yōu)良的聲光材料。對(duì)許多紅外聲光掃描和調(diào)制應(yīng)用來說，Ge是一比較好的材料，易于生長(zhǎng)成優(yōu)質(zhì)的大晶體。 聲光材料聲光材料聲光玻璃 聲光玻璃通常分為四類:熔石英；含重金屬離子玻璃；硫?qū)倩衔锊ＡВ粏钨|(zhì)半導(dǎo)體玻璃。 盡管聲光玻璃的某些性能不如聲光晶體，但因其制造方便、體積大光學(xué)均勻性好和成本低廉，實(shí)際上仍然是重要的聲光材料。熔石英、碲玻璃、致密火石、As12Se55Ge55、As2Se3、非晶型Se等是有代表性的聲光玻璃。聲光材料聲光材料聲光液體聲光液態(tài)材料主要是水和一些有機(jī)碘化物、有機(jī)溴化物。水的M2值最低，但因聲損耗小，仍然被認(rèn)為是一種好的液態(tài)聲光介質(zhì)。液態(tài)材料應(yīng)用較少，常被一些性能優(yōu)良的固體聲光材料所代替。聲光材料聲光材料的應(yīng)用聲光調(diào)制器，改變超聲波的強(qiáng)度便可改變經(jīng)聲光材料衍射的衍射光束強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衍射光的強(qiáng)度調(diào)制。主要用在彩色印刷、激光成像和顯示、光纖通