材料化學(xué)導(dǎo)論第章-功能轉(zhuǎn)換材料課件

1、材料化學(xué)導(dǎo)論第章_功能轉(zhuǎn)換材料 也稱為正壓電效應(yīng)。 反之，在壓電晶體上加電場(chǎng)，晶體會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力而使晶體形變。該效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)，也叫電致伸縮效應(yīng)。（加交變電場(chǎng)，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)） 壓電效應(yīng)使機(jī)械能和電能發(fā)生轉(zhuǎn)化。二、壓電機(jī)制1、非鐵電晶體（如石英） 不受外力作用時(shí)，晶體內(nèi)正負(fù)電荷中心重合，總電距為0，晶體表面無(wú)電荷。當(dāng)受到外力作用時(shí)，晶格變形，正負(fù)電荷中心不重合，出現(xiàn)電極化，表面呈現(xiàn)束縛電荷。2、鐵電晶體 當(dāng)加電場(chǎng)后再撤去，鐵電體有剩余極化強(qiáng)度，處于極化狀態(tài)，在表面上有異號(hào)極化電荷。極化電荷吸附空氣中的自由電荷而中和（空氣中總存在微量正負(fù)離子和電子），鐵電體不呈電性。當(dāng)鐵電體作機(jī)械變形時(shí)，極化強(qiáng)度

2、（包括極化電荷）隨之變化。導(dǎo)致表面吸附的自由電荷隨之而變。變化著的自由電荷便從一個(gè)極移至另一極形成電流。從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)變即壓電效應(yīng)。 鐵電晶體一定有壓電效應(yīng)，但有壓電效應(yīng)的晶體不一定是鐵電體。 鐵電體中有許多自發(fā)極化小區(qū)域，稱為電疇。電疇取向混亂，總電矩為0。經(jīng)電場(chǎng)處理后的鐵電體可以成為壓電材料。電極電極2、機(jī)電耦合系數(shù)四、壓電材料種類(lèi) 1、非鐵電壓電晶體 石英（SiO2）、酒石酸鉀鈉（NaKC4H64H2O)、鍺酸鉍（Bi12Ge20）等 壓電半導(dǎo)體CdS、ZnO、ZnS等 2、鐵電晶體（壓電陶瓷） 鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛Pb（ZrxTi1-x）O3即PZT、鈦酸鉛PbTi

3、O3等。 一些結(jié)晶聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，有極性基團(tuán)。未拉伸時(shí)，微晶取向隨機(jī)，總極化強(qiáng)度為0。 拉伸時(shí)，晶粒有壓電響應(yīng)，不經(jīng)極化也有壓電性。稱為固有壓電聚合物。（2）駐極體聚合物 如木材、絲竹、動(dòng)物骨骼、肌肉、皮、頭發(fā)等，在自然生長(zhǎng)條件下，微晶粒已擇優(yōu)取向。 某些合成聚合物拉伸后，也顯示壓電性。 聚乙烯、聚丙烯等，分子中無(wú)極性基團(tuán)，在電場(chǎng)中無(wú)偶極取向極化。這類(lèi)材料本身無(wú)壓電性。但由于材料在加工過(guò)程中存在不對(duì)稱雜質(zhì)電荷或由外界注入的電荷在電場(chǎng)中不對(duì)稱分布而引起壓電性。但壓電常數(shù)低，重復(fù)性差，難于實(shí)用。 聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、尼龍等是極性高分子。若在高溫下用高直流電壓使之極化

4、，并在冷卻后撤出電壓，使極化狀態(tài)凍結(jié)下來(lái)，就成為半永久性極化且有半永久性表面電荷的介質(zhì)材料。稱為駐極體聚合物。 PVDF駐極體有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)，已實(shí)用化。 聚合物除PVDF等少數(shù)品種外，一般壓電常數(shù)小，應(yīng)用受限。而壓電陶瓷質(zhì)脆，不易加工。因此開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良加工性能和高壓電性的聚合物-陶瓷復(fù)合壓電材料應(yīng)用前景廣泛。 五、壓電材料的應(yīng)用1、水聲、超聲換能器 發(fā)射、接收聲波，完成水下觀察、通訊、探測(cè)。 8-2 熱釋電材料一、熱釋電效應(yīng) 一些材料由于溫度變化而引起電極化狀態(tài)改變，在某些相對(duì)應(yīng)表面產(chǎn)生異號(hào)電荷。該現(xiàn)象叫熱釋電效應(yīng)。 其逆效應(yīng)為電生熱效應(yīng)外加電場(chǎng)變化，引起材料溫度變化。 最早在電氣石晶體中發(fā)

5、現(xiàn)熱釋電效應(yīng) 重要應(yīng)用：熱敏傳感器（用作溫度計(jì)、紅外探測(cè)器等）二、熱釋電機(jī)制與壓電機(jī)制比較電介質(zhì)壓電體熱釋電鐵電體電介質(zhì)壓電體熱釋電鐵電體 1、熱釋電晶體前提是具有自發(fā)極化，但壓電晶體不一定都有自發(fā)極化。 所以，必須有自發(fā)極化即晶體某些方向存在固有電矩。故有對(duì)稱中心的晶體無(wú)熱釋電效應(yīng)。 溫度變化引起自發(fā)極化強(qiáng)度變化，而在晶體一定方向上產(chǎn)生表面電荷。 壓電效應(yīng)反映晶體電量與機(jī)械應(yīng)力間的關(guān)系，機(jī)械應(yīng)力有方向，引起正負(fù)電荷相對(duì)位移。 熱釋電效應(yīng)中晶體電荷變化來(lái)自于溫度變化。熱膨脹各向同性。只有晶體存在著與其他極軸不同的唯一極化軸，才有可能發(fā)生熱釋電。應(yīng)用： 紅外光譜儀、紅外遙感、熱輻射探測(cè)器（防火用

6、） 8-3 光電材料一、光電效應(yīng) 物質(zhì)受光照后引起某些電學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，包括光電導(dǎo)、光生伏特、光電子發(fā)射三種。1、光電導(dǎo)物質(zhì)（主要是半導(dǎo)體）受光照而電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象。原因：半導(dǎo)體吸收光子引起載流子激發(fā)（載流子濃度變化）（1）本征光電導(dǎo)價(jià)電子從價(jià)帶 導(dǎo)帶，出現(xiàn)一個(gè)自由電子和空穴，都參與導(dǎo)電。（2）雜質(zhì)光電導(dǎo) 附加載流子來(lái)自禁帶中的雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴，從而改變導(dǎo)電率。2、光生伏特 光照射下，半導(dǎo)體p-n結(jié)產(chǎn)生電勢(shì)差的現(xiàn)象。機(jī)理：npnp 載流子擴(kuò)散，形成p-n結(jié)空間電荷區(qū)。自建電場(chǎng)從n p,阻止擴(kuò)散，最后平衡。自建電場(chǎng)作用：（1）阻止：n區(qū)電子向p區(qū)擴(kuò)散；（2）驅(qū)使：p區(qū)空穴向n區(qū)

7、擴(kuò)散n區(qū)空穴向p區(qū)擴(kuò)散p區(qū)電子向n區(qū)擴(kuò)散；勢(shì)壘np 當(dāng)光照在p-n結(jié)附近， ，p-n結(jié)附近形成電子空穴對(duì)。光生電子和空穴擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)，內(nèi)建電場(chǎng)使：空穴掃向p區(qū)；電子掃向n區(qū)。npnpnpnpnpnp 則p區(qū)積累正電荷，n區(qū)積累負(fù)電荷，產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。接通外電路，由p經(jīng)外電路達(dá)到n區(qū)形成電流。3、光電子發(fā)射（外光電效應(yīng)） 金屬（或半導(dǎo)體）受光照，電子吸收光子被激發(fā)，激發(fā)了的電子有足夠能量越過(guò)表面勢(shì)壘（逸出功）從表面離開(kāi)（初動(dòng)能），稱為光電子發(fā)射。二、光電子材料及其應(yīng)用 空間電荷層產(chǎn)生的光生載流子在高電場(chǎng)（自建電場(chǎng)）中穿行距離不大于空間電荷層厚度。所以，對(duì)光響應(yīng)快（實(shí)用中盡量使光生載流子產(chǎn)生于結(jié)區(qū)

8、）。 用作高速響應(yīng)光電探測(cè)器（2）光電池 也是p-n結(jié)二極管。 對(duì)太陽(yáng)能電池，要研究Eg小的材料，以充分利用太陽(yáng)光譜。 Eg在0.91.5eV內(nèi)最好。Si是最理想材料。 還有：硫化鎘，鍗化鎘，砷化鎵3、光電子發(fā)射應(yīng)用 光電管是利用光電子發(fā)射（外光電效應(yīng)）制成。用于光控繼電器（自動(dòng)報(bào)警器等）、光電光度計(jì)（光電流反應(yīng)入射光強(qiáng)度） 光電倍增管（非常弱的光照，產(chǎn)生很大電流），在工程、天文、軍事上有重要應(yīng)用。 電視攝像管 8-4 熱電材料一、熱電效應(yīng)（溫差電效應(yīng)） 用不同導(dǎo)體構(gòu)成回路，兩接頭保持溫差，則閉合回路中有電流流過(guò)。該現(xiàn)象叫溫差電效應(yīng)或熱電效應(yīng)?；芈分械碾妱?dòng)勢(shì)叫溫差電動(dòng)勢(shì)。1、塞貝克效應(yīng) 兩種不

9、同材料A、B構(gòu)成開(kāi)路，接點(diǎn)保持不同溫度，則回路產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為塞貝克效應(yīng)。實(shí)質(zhì)：兩接頭處帕爾貼效應(yīng)+兩金屬中湯姆遜效應(yīng)2、帕爾貼效應(yīng) 兩種不同導(dǎo)體A、B構(gòu)成回路，接電源。則一個(gè)接點(diǎn)吸熱，另一個(gè)放熱，該現(xiàn)象稱為帕爾貼效應(yīng)。（電流反向時(shí)，吸放熱相反）。 原因：接頭處有接觸電勢(shì)差（接觸電動(dòng)勢(shì)）帕爾貼電動(dòng)勢(shì)。 兩金屬A、B接觸，電子相互擴(kuò)散。由于電子密度不同，交換電子數(shù)不同。 接頭處非靜電力，一個(gè)做正功，吸熱；一個(gè)做負(fù)功，放熱。A到B的電子數(shù)多 接觸處形成電荷層，產(chǎn)生電場(chǎng)，阻止擴(kuò)散，達(dá)平衡，形成電勢(shì)差即帕爾貼電動(dòng)勢(shì)。用 表示（與溫度T有關(guān)）兩接觸點(diǎn)溫度不同， ，方向相反。存在于兩金屬接觸面上3、湯姆遜

10、效應(yīng) 金屬棒 ，兩端流過(guò)電流，棒吸熱，電流反向時(shí)放熱。稱為湯姆遜效應(yīng)。 所以，只有不同金屬構(gòu)成回路，總電動(dòng)勢(shì)才不為0.二、熱電材料及其應(yīng)用1、用于測(cè)溫恒溫裝置電位差計(jì) 熱電偶：通過(guò)測(cè)電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)溫。把熱學(xué)量變?yōu)殡妼W(xué)量測(cè)量。 非電量電測(cè)法2、用做溫差電源3、用于制冷 利用半導(dǎo)體帕爾貼效應(yīng)（比金屬?gòu)?qiáng)得多），實(shí)現(xiàn)熱、電能轉(zhuǎn)換，制成半導(dǎo)體制冷機(jī)（電流流過(guò)時(shí)，低溫端吸熱，高溫端放熱） 優(yōu)點(diǎn)：壽命長(zhǎng)，可靠，小型化，無(wú)空氣污染4、材料 熱電偶：銅-康銅（60%Cu，40%Ni），200-4000C；鎳鉻（90%Ni，10%Cr）-鎳鋁（95%Ni，5%Al），010000C；鉑-銠，達(dá)15000C；金-鐵，低

11、溫、超低溫測(cè)量。 制冷和低溫溫差電源：鍗化鉍，硒化鉍，鍗化銻。 最多的應(yīng)用是溫差發(fā)電，但效率低，成本高。然而在一些場(chǎng)合其它能源無(wú)法使用時(shí)，便成為獨(dú)一無(wú)二的發(fā)電方式，如南極、高山、空間及月球工作的大功率電源必須采用它。 8-5 電光材料一、電光效應(yīng) 電光效應(yīng)物質(zhì)光學(xué)特性受電場(chǎng)影響而發(fā)生改變的現(xiàn)象。 研究證實(shí)：折射率受電場(chǎng)影響 右邊第一項(xiàng)：線性電光效應(yīng)（壓電晶體）（波克爾效應(yīng)） 右邊第二項(xiàng)：二次電光效應(yīng)（各向同性物質(zhì)）（克爾效應(yīng)） 對(duì)上述兩種效應(yīng)：在與入射光垂直的方向上加電壓，物質(zhì)發(fā)生雙折射。電極異常光正常光壓電晶體入射光電極電極異常光正常光各向同性物質(zhì)入射光電極波克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)不同材料表現(xiàn)不同

12、效應(yīng)： 波克爾效應(yīng)只存在于無(wú)對(duì)稱中心的晶體中，所有壓電晶體。 克爾效應(yīng)存在于各向同性物質(zhì)（固體、液體、氣體）中，強(qiáng)電場(chǎng)下，在壓電晶體中較波克爾效應(yīng)弱得多，忽略不計(jì)。還有電旋光效應(yīng)： 線性偏振光通過(guò)外加電場(chǎng)的壓電晶體時(shí)，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。二、電光材料大部分為晶體 KH2PO4, NH4H2PO4,BaTiO3,SrTiO3, LiTiO3, ZnS,GaAs等三、應(yīng)用1、電場(chǎng)測(cè)定 因?yàn)殡妶?chǎng)大小影響雙折射程度。2、電光器件（1）電光開(kāi)關(guān)（快門(mén)） 基本思想：利用脈沖電信號(hào)控制光信號(hào)（通信和微波技術(shù)，Q開(kāi)關(guān)）V晶體光源00900調(diào)制光兩偏振片正交 不加電壓：無(wú)光輸出（關(guān)） 加電壓：電光效應(yīng)使偏振方向旋轉(zhuǎn)

13、，有光輸出。改變電壓，輸出光強(qiáng)變化?？梢宰C明：VT 理想情況下，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)1010次/秒。任何機(jī)械快門(mén)難于達(dá)到。電極異常光正常光各向同性物質(zhì)入射光電極克爾效應(yīng) 光軸沿電場(chǎng)方向 電壓 變化，光程差 變化，透過(guò) 光強(qiáng)變化。因此可以通過(guò)電壓對(duì)偏振光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制?？藸栃?yīng)產(chǎn)生和消失時(shí)間極短（10-9s），隨著電場(chǎng)的產(chǎn)生和消失迅速開(kāi)和關(guān)。 應(yīng)用：用于高速攝影、激光通信、光速測(cè)量及電影、電視，更多地用作脈沖激光器的Q開(kāi)關(guān)等。（2）電光調(diào)制器 在電光晶體上加交變調(diào)制信號(hào)電壓。折射率隨電信號(hào)交替變化。此時(shí)若有光波通過(guò)，則原來(lái)不帶信號(hào)的光波會(huì)含有調(diào)制信號(hào)。 光波載電信號(hào) 光通信技術(shù) 8-6 磁光材料一、磁光效應(yīng)

14、 磁光效應(yīng)物質(zhì)受磁場(chǎng)影響而光學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象 材料在外磁場(chǎng)下呈光學(xué)各向異性，本質(zhì)上是磁場(chǎng)和光波電場(chǎng)共同作用產(chǎn)生的非線性極化過(guò)程。1、磁光法拉第效應(yīng) 線偏振光通過(guò)磁性物體（沿磁場(chǎng)方向通過(guò)介質(zhì)），偏振面轉(zhuǎn)一角度。 原因：線偏振光通過(guò)磁性物體時(shí)，分解成左旋和右旋圓偏振光。因磁場(chǎng)作用，兩者傳播速度不同，出射合成的光偏振面發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。 偏轉(zhuǎn)角 與磁場(chǎng)強(qiáng)度 、通過(guò)介質(zhì)的長(zhǎng)度 關(guān)系為：2、磁克爾效應(yīng) 光照到強(qiáng)磁體表面反射后，偏振面轉(zhuǎn)一角度。偏轉(zhuǎn)方向與磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)。3、振蕩磁光效應(yīng) 在與入射光垂直的方向上，對(duì)有冷卻氣體吹過(guò)的的物體加上磁場(chǎng)，物體對(duì)光的吸收系數(shù)隨光的頻率呈振蕩變化的現(xiàn)象，叫振蕩磁光效應(yīng)冷氣入

15、射光透射光吸收系數(shù)波長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收系數(shù)4、科頓蒙頓效應(yīng)、磁致雙折射 芳香族化合物在外磁場(chǎng)中具有雙折射性質(zhì)叫科頓蒙頓效應(yīng)。光波垂直磁化強(qiáng)度方向通過(guò)磁光晶體時(shí)，產(chǎn)生雙折射。二、磁光材料種類(lèi)亞鐵磁石榴石：稀土過(guò)渡金屬膜：Cd-Co，Ho-Co，Cd-Fe尖晶石型鐵磁材料：CdCr2S4，CoCrS4等半導(dǎo)體材料：鍺、硅、硫化鉛等三、應(yīng)用 目前最多的是利用法拉第旋轉(zhuǎn)。用于激光器件：Q開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、隔離器、環(huán)形器等。還可以用于高密度存儲(chǔ)器（磁光存儲(chǔ)介質(zhì)）。也可以用于激光雷達(dá)、測(cè)距、光通信、紅外探測(cè)等P1P2激光反射 磁光晶體以光隔離器為例說(shuō)明應(yīng)用： 激光通過(guò)P1，再通過(guò)晶體偏振面轉(zhuǎn)一角度（如450），然后過(guò)

16、同偏振方向的P2。光反射，通過(guò)P2和晶體，再轉(zhuǎn)450.兩次共轉(zhuǎn)900，則不通過(guò)P1。達(dá)到了反射光與激光隔離的目的。 8-7 聲光材料一、聲光效應(yīng) 聲光效應(yīng)聲波作用于物質(zhì)使其光學(xué)特性發(fā)生改變的現(xiàn)象。超聲波引起的效應(yīng)尤其顯著。 超聲波可以引起物質(zhì)密度周期性變化，形成超聲光柵，引起光的衍射（聲光衍射效應(yīng)）。兩類(lèi)衍射形式： 一是類(lèi)似于普通光柵衍射的拉曼-納斯衍射； 二是類(lèi)似于晶體x射線衍射即布拉格衍射。1、拉曼-納斯衍射 物質(zhì)內(nèi)形成的疏密波相當(dāng)于光柵，光柵常數(shù)即聲波波長(zhǎng)超聲振子超聲波2、布拉格衍射光在介質(zhì)中波長(zhǎng)滿足該式，強(qiáng)反射。超聲振子超聲波二、聲光材料（兩大類(lèi)）1、聲光玻璃 常用材料：熔融石英玻璃，Te玻璃等 優(yōu)點(diǎn)：易生產(chǎn)加工，退火后光學(xué)均勻性好，損耗小，價(jià)廉。 缺點(diǎn)：可見(jiàn)光區(qū)，難獲得折射率2.1的玻璃2、聲光晶體 主要是氧化物晶體，其中重要的是：二氧化碲（TeO2）、鉬酸鉛（PbMoO4）、鍺酸鉍（Bi12GeO20） 氧化物晶體一般具有長(zhǎng)波吸收帶，很難用于紅外，特別是10.6微米波段。（紅外吸波）三、應(yīng)用1、聲光調(diào)制器 衍射