材料化學導論第8章_功能轉換材料

1、 第八章第八章 功能轉換材料功能轉換材料 利用能量轉換效應制造具有特殊功能元器件的材料叫功能轉換材料功能轉換材料。該類材料能實現不同形式的能量轉換，在測量技術、傳感器技術中有廣泛應用。 8-1 壓電材料壓電材料+- 一、壓電效應一、壓電效應 某些電介質晶體在機械外力作用下發(fā)生形變時，電極化強度發(fā)生變化，因而在某些對應表面產生異號電荷。 這種沒有電場作用而只由于形變使晶體電極化狀態(tài)發(fā)生變化的現象叫做壓電效應壓電效應，即因形變產生的電效應。 也稱為正壓電效應正壓電效應。 反之，在壓電晶體上加電場，晶體會產生應力而使晶體形變。該效應稱為逆壓電效應逆壓電效應，也叫電致伸縮效應電致伸縮效應。（加交變電場

2、，產生機械振動） 壓電效應使機械能和電能發(fā)生轉化。壓電效應使機械能和電能發(fā)生轉化。二、壓電機制二、壓電機制1、非鐵電晶體（如石英）、非鐵電晶體（如石英） 不受外力作用時，晶體內正負電荷中心重合，總電距為0，晶體表面無電荷。當受到外力作用時，晶格變形，正負電荷中心不重合，出現電極化，表面呈現束縛電荷。2、鐵電晶體、鐵電晶體 當加電場后再撤去，鐵電體有剩余極化強度，處于極化狀態(tài)，在表面上有異號極化電荷。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離子和電子），鐵電體不呈電性。當鐵電體作機械變形時，極化強度（包括極化電荷）隨之變化。導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

3、極移至另一極形成電流。從而實現機械能向電能轉變即壓電效應壓電效應。 鐵電晶體一定有壓電效應，但有壓電效應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。電疇取向混亂，總電矩為0。經電場處理后的鐵電體可以成為壓電材料。電極電極電極電極 電極電極電極電極電源電源 反之，接入電源，電極上呈現電壓，壓電體就會變形（壓縮或伸長）。加交變電源，壓電體交替出現伸縮即發(fā)生振動。三、壓電材料工作參數三、壓電材料工作參數1、機械品質因數、機械品質因數 當輸入電信號時，壓電晶片產生振動，會產生內耗（發(fā)熱），造成機械能損耗。反映損耗程度的參數稱為機械品質因數。2mQ諧振時振子儲存的能量諧振時振子每

4、周損耗的機械能2K通過壓電效應轉換的能量輸入機械能2、機電耦合系數、機電耦合系數四、壓電材料種類四、壓電材料種類 1、非鐵電壓電晶體、非鐵電壓電晶體 石英（SiO2）、酒石酸鉀鈉（NaKC4H64H2O)、鍺酸鉍（Bi12Ge20）等 壓電半導體CdS、ZnO、ZnS等 2、鐵電晶體（壓電陶瓷）、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PbTiO3等。3、壓電聚合物、壓電聚合物 幾乎所有聚合物都有壓電性，但有實用價值的不多。 1940年，俄羅斯人發(fā)現木材壓電性后，相繼發(fā)現苧麻、絲竹、動物某些生物組織有壓電性。1960年，人工合成了聚合物

5、有壓電性。 1969年，日本河合平司發(fā)現聚偏四氟乙烯（極化處理后）有強壓電性，使壓電聚合物逐步進入實用化。 與壓電陶瓷相比：柔性、耐沖擊、能制成大面積薄膜傳感材料。兩類：兩類：（1）固有壓電性聚合物）固有壓電性聚合物 一些結晶聚合物化學結構不對稱，有極性基團。未拉伸時，微晶取向隨機，總極化強度為0。 拉伸時，晶粒有壓電響應，不經極化也有壓電性。稱為固有壓電聚合物固有壓電聚合物。（2）駐極體聚合物）駐極體聚合物 如木材、絲竹、動物骨骼、肌肉、皮、頭發(fā)等，在自然生長條件下，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，分子中無極性基團，在電場中無偶極取向極化。這類材料

6、本身無壓電性。但由于材料在加工過程中存在不對稱雜質電荷或由外界注入的電荷在電場中不對稱分布而引起壓電性。但壓電常數低，重復性差，難于實用。 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，并在冷卻后撤出電壓，使極化狀態(tài)凍結下來，就成為半永久性極化且有半永久性表面電荷的介質材料。稱為駐極體聚合物駐極體聚合物。 PVDF駐極體有很強的壓電效應，已實用化。 聚合物除PVDF等少數品種外，一般壓電常數小，應用受限。而壓電陶瓷質脆，不易加工。因此開發(fā)具有優(yōu)良加工性能和高壓電性的聚合物-陶瓷復合壓電材料應用前景廣泛。 五、壓電材料的應用五、壓電材料的應用1

7、、水聲、超聲換能器、水聲、超聲換能器 發(fā)射、接收聲波，完成水下觀察、通訊、探測。2、高電壓發(fā)生裝置（機械能、高電壓發(fā)生裝置（機械能 電能）電能） 壓電點火器（打火機、煤氣灶、汽車火花塞，高壓使空氣發(fā)生火花） 引燃引爆、壓電開關、小型電源、壓電變壓器等3、電聲設備、電聲設備揚聲器、話筒等4、濾波器、濾波器 各種無線電通訊和測量儀器（電能 機械能 電能）。壓電振子對某些頻率信號衰減大，而對另一些衰減小，從而濾波。5、壓電傳感器、壓電傳感器 非電信號 電信號。力敏傳感器、應變儀、血壓計、壓力計等。 8-2 熱釋電材料熱釋電材料一、熱釋電效應一、熱釋電效應 一些材料由于溫度變化而引起電極化狀態(tài)改變，在

8、某些相對應表面產生異號電荷。該現象叫熱釋電效應熱釋電效應。 其逆效應為電生熱效應電生熱效應外加電場變化，引起材料溫度變化。 最早在電氣石晶體中發(fā)現熱釋電效應 重要應用重要應用：熱敏傳感器（用作溫度計、紅外探測器等）二、熱釋電機制與壓電機制比較二、熱釋電機制與壓電機制比較電介質電介質壓電體壓電體熱釋電熱釋電鐵電體鐵電體電介質電介質壓電體壓電體熱釋電熱釋電鐵電體鐵電體 1、熱釋電晶體前提是具有自發(fā)極化，、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。但壓電晶體不一定都有自發(fā)極化。SPP TSPPT 自發(fā)極化強度， 熱釋電系數，溫度 所以，必須有自發(fā)極化必須有自發(fā)極化即晶體某些方向存在

9、固有電矩。故有對稱中心的晶體無熱釋電效應有對稱中心的晶體無熱釋電效應。 溫度變化引起自發(fā)極化強度變化，而在晶體一定方向上產生表面電荷。 壓電效應反映晶體電量與機械應力間的關系，機械應力有方向，引起正負電荷相對位移。 熱釋電效應中晶體電荷變化來自于溫度變化。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。 2、熱釋電晶體一定存在壓電效應，但壓電晶體不、熱釋電晶體一定存在壓電效應，但壓電晶體不一定存在熱釋電效應。一定存在熱釋電效應。三、熱釋電材料三、熱釋電材料 1、有自發(fā)極化的非鐵電性晶體、有自發(fā)極化的非鐵電性晶體 如CaS、CuSe、ZnO、電氣石等 2、有自發(fā)極化

10、的鐵電性晶體、有自發(fā)極化的鐵電性晶體 LiNbO3（鈮酸鋰）、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3、PLZT透明鐵電陶瓷。 3、聚合物材料、聚合物材料PVDF4、鐵電陶瓷、鐵電陶瓷-聚合物復合材料聚合物復合材料 如Pb（Zr，Ti）O3-硅橡膠復合物電介質電介質壓電體壓電體熱釋電熱釋電鐵電體鐵電體應用應用： 紅外光譜儀、紅外遙感、熱輻射探測器（防火用） 8-3 光電材料光電材料一、光電效應一、光電效應 物質受光照后引起某些電學性質變化的現象叫光電效應，包括光電導、光生伏特、光電子發(fā)射三種。1、光電導、光電導物質（主要是半導體）受光照而電導率增加的現象。原因原因：半導體吸收光子引起載流子激發(fā)

11、（載流子濃度變化）（1）本征光電導）本征光電導ghE價電子從價帶 導帶，出現一個自由電子和空穴，都參與導電。（2）雜質光電導）雜質光電導 附加載流子來自禁帶中的雜質能級上的電子或空穴，從而改變導電率。CECEVEVE2、光生伏特、光生伏特 光照射下，半導體p-n結產生電勢差的現象。機理：機理：npnpE 載流子擴散，形成p-n結空間電荷區(qū)。自建電場從n p,阻止擴散，最后平衡。自建電場作用：自建電場作用：（1）阻止：n區(qū)電子向p區(qū)擴散；（2）驅使：p區(qū)空穴向n區(qū)擴散n區(qū)空穴向p區(qū)擴散p區(qū)電子向n區(qū)擴散；勢壘勢壘npgE 當光照在p-n結附近， ，p-n結附近形成電子空穴對。光生電子和空穴擴散到

12、勢壘區(qū)，內建電場使：空穴掃向p區(qū)；電子掃向n區(qū)。ghEnpgEnpnpnpgEnpnp 則p區(qū)積累正電荷，n區(qū)積累負電荷，產生光生電動勢。接通外電路，由p經外電路達到n區(qū)形成電流。3、光電子發(fā)射（外光電效應）、光電子發(fā)射（外光電效應） 金屬（或半導體）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表面勢壘（逸出功）從表面離開（初動能），稱為光電子發(fā)射光電子發(fā)射。212hmvAhA 時產生光電發(fā)射效應二、光電子材料及其應用二、光電子材料及其應用1、光電導材料及應用、光電導材料及應用 CdS,CdSe,CdTe,ZnSe,HgSe,HgTe,PbS,PbSe,InP,InAs,InSb,G

13、aAs,GaSb,Ge,Si. 光電探測器（光敏器件），光電導攝像管，固體圖像傳感器。2、結型光電二極管、結型光電二極管（1）高速響應的光電探測器）高速響應的光電探測器 對非結型光電探測器，光電子在外電路中產生光電流的響應慢。光照停止時，載流子平均壽命內仍存在光電子，故有延遲光電流產生。 對結型光電二極管，光電子主要產生于結中吸收區(qū)內。 空間電荷層產生的光生載流子在高電場（自建電場）中穿行距離不大于空間電荷層厚度。所以，對光響應快（實用中盡量使光生載流子產生于結區(qū)）。 用作高速響應光電探測器（2）光電池）光電池 也是p-n結二極管。 對太陽能電池，要研究Eg小的材料，以充分利用太陽光譜。 Eg

14、在0.91.5eV內最好。Si是最理想材料。 還有：硫化鎘，鍗化鎘，砷化鎵3、光電子發(fā)射應用、光電子發(fā)射應用 光電管是利用光電子發(fā)射（外光電效應）制成。用于光控繼電器（自動報警器等）、光電光度計（光電流反應入射光強度） 光電倍增管（非常弱的光照，產生很大電流），在工程、天文、軍事上有重要應用。 電視攝像管 8-4 熱電材料熱電材料一、熱電效應（溫差電效應）一、熱電效應（溫差電效應） 用不同導體構成回路，兩接頭保持溫差，則閉合回路中有電流流過。該現象叫溫差電效應溫差電效應或熱電效應熱電效應?；芈分械碾妱觿萁袦夭铍妱觿轀夭铍妱觿?。1T2TABV1、塞貝克效應、塞貝克效應 兩種不同材料A、B構成開路

15、，接點保持不同溫度，則回路產生電動勢，稱為塞貝克效應塞貝克效應。12( ,)Va T TT實質實質：兩接頭處帕爾貼效應+兩金屬中湯姆遜效應2、帕爾貼效應、帕爾貼效應1T2TABI 兩種不同導體A、B構成回路，接電源。則一個接點吸熱，另一個放熱，該現象稱為帕爾貼效應帕爾貼效應。（電流反向時，吸放熱相反）。 原因：接頭處有接觸電勢差（接觸電動勢）帕爾貼電動勢帕爾貼電動勢。ABABnnE 兩金屬A、B接觸，電子相互擴散。由于電子密度不同，交換電子數不同。 接頭處非靜電力，一個做正功，吸熱；一個做負功，放熱。A到B的電子數多 接觸處形成電荷層，產生電場，阻止擴散，達平衡，形成電勢差即帕爾貼電動勢帕爾貼

16、電動勢。用 表示（與溫度T有關）ABABnnE( )ABT1T2TAB2TAB1T兩接觸點溫度不同， ，方向相反。12( )()ABABTT ( )ABT存在于兩金屬接觸面上存在于兩金屬接觸面上3、湯姆遜效應、湯姆遜效應1T2Tab 金屬棒 ，兩端ab12TTI流過電流，棒吸熱，電流反向時放熱。稱為湯姆遜效應湯姆遜效應。12TT原因原因：棒ab存在電動勢（湯姆遜電動勢）ab1T2TEkE 溫度高處（a）電子動能較大，向低溫處擴散，形成電動勢。非靜電力（擴散力）做負功，吸熱；電流反向時，非靜電力做正功，放熱。 金屬棒中，兩端溫度不同，電子擴散形成的電動勢即湯姆遜電動勢湯姆遜電動勢。發(fā)生在同種金屬

17、兩端之間發(fā)生在同種金屬兩端之間。AB1( )ABT2()ABT( )kdTETdl210( )lTkTEdlT dT回路總電動勢：21121 212()( )()( )( )ABABABTTABTTTTTTT dTT dT 21121 212()( )()( )( )TTABABABABTTTTTTT dTT dT AB1( )ABT2()ABT 所以，只有不同金屬構成回路，總電動勢才不為0.二、熱電材料及其應用二、熱電材料及其應用1、用于測溫、用于測溫ABCC0TT恒溫裝置恒溫裝置電位電位差計差計 熱電偶：通過測電動勢來測溫。把熱學量變?yōu)殡妼W量測量。 非電量電測法2、用做溫差電源、用做溫差電

18、源3、用于制冷、用于制冷 利用半導體帕爾貼效應（比金屬強得多），實現熱、電能轉換，制成半導體制冷機（電流流過時，低溫端吸熱，高溫端放熱） 優(yōu)點優(yōu)點：壽命長，可靠，小型化，無空氣污染4、材料、材料 熱電偶熱電偶：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15000C；金-鐵，低溫、超低溫測量。 制冷和低溫溫差電源：制冷和低溫溫差電源：鍗化鉍，硒化鉍，鍗化銻。 最多的應用是溫差發(fā)電，但效率低，成本高。然而在一些場合其它能源無法使用時，便成為獨一無二的發(fā)電方式，如南極、高山、空間及月球工作的大功率電

19、源必須采用它。 8-5 電光材料電光材料一、電光效應一、電光效應 電光效應電光效應物質光學特性受電場影響而發(fā)生改變的現象。 研究證實：折射率受電場影響20nnaEbE20nnaEbE 右邊第一項：線性電光效應（壓電晶體）（波克爾波克爾效應效應） 右邊第二項：二次電光效應（各向同性物質）（克克爾效應爾效應） 對上述兩種效應：在與入射光垂直的方向上加電壓，物質發(fā)生雙折射。電極電極異常光異常光正常光正常光壓電晶體壓電晶體入射光入射光電極電極電極電極異常光異常光正常光正常光各向同性物質各向同性物質入射光入射光電極電極波克爾效應波克爾效應克爾效應克爾效應不同材料表現不同效應：不同材料表現不同效應： 波克

20、爾效應只存在于無對稱中心的晶體中，所有壓電晶體。 克爾效應存在于各向同性物質（固體、液體、氣體）中，強電場下，在壓電晶體中較波克爾效應弱得多，忽略不計。還有電旋光效應電旋光效應： 線性偏振光通過外加電場的壓電晶體時，偏振面發(fā)生旋轉。二、電光材料二、電光材料大部分為晶體 KH2PO4, NH4H2PO4,BaTiO3,SrTiO3, LiTiO3, ZnS,GaAs等三、應用三、應用1、電場測定、電場測定 因為電場大小影響雙折射程度。2、電光器件、電光器件（1）電光開關（快門）電光開關（快門） 基本思想基本思想：利用脈沖電信號控制光信號（通信和微波技術，Q開關）V晶體晶體光源光源00900I調制

21、光調制光兩偏振片正交 不加電壓不加電壓：無光輸出（關關） 加電壓加電壓：電光效應使偏振方向旋轉，有光輸出。改變電壓，輸出光強變化?？梢宰C明：VTVV20sin2IVTIVV施加電壓V半波電壓TVV當時，透光率 最大 理想情況下，開關頻率可達1010次/秒。任何機械快門難于達到。（開）電極電極異常光異常光正常光正常光各向同性物質各向同性物質入射光入射光電極電極克爾效應克爾效應 光軸沿電場方向20ennbE222()oeUnn lblEbldUdloe 電壓 變化，光程差 變化，透過 光強變化。因此可以通過電壓對偏振光強進行調制?？藸栃a生和消失時間極短（10-9s），隨著電場的產隨著電場的產生

22、和消失迅速開和關生和消失迅速開和關。IUI 應用：用于高速攝影、激光通信、光速測量及電影、電視，更多地用作脈沖激光器的Q開關等。（2）電光調制器）電光調制器 在電光晶體上加交變調制信號電壓。折射率隨電信號交替變化。此時若有光波通過，則原來不帶信號的光波會含有調制信號。 光波載電信號 光通信技術 8-6 磁光材料磁光材料一、磁光效應一、磁光效應 磁光效應磁光效應物質受磁場影響而光學特性發(fā)生變化的現象 材料在外磁場下呈光學各向異性，本質上是磁場和光波電場共同作用產生的非線性極化過程。1、磁光法拉第效應、磁光法拉第效應LBxxyy 線偏振光通過磁性物體（沿磁場方向通過介質），偏振面轉一角度。LBxx

23、yy 原因原因：線偏振光通過磁性物體時，分解成左旋和右旋圓偏振光。因磁場作用，兩者傳播速度不同，出射合成的光偏振面發(fā)生了偏轉。 偏轉角 與磁場強度 、通過介質的長度 關系為：HLVHLV費爾德常數（隨光波長而）2、磁克爾效應、磁克爾效應 光照到強磁體表面反射后，偏振面轉一角度。偏轉方向與磁場強弱有關。B3、振蕩磁光效應、振蕩磁光效應 在與入射光垂直的方向上，對有冷卻氣體吹過的的物體加上磁場，物體對光的吸收系數隨光的頻率呈振蕩變化的現象，叫振蕩磁光效應振蕩磁光效應B冷氣入射光透射光吸收系數波長波長吸收系數4、科頓蒙頓效應、磁致雙折射、科頓蒙頓效應、磁致雙折射 芳香族化合物在外磁場中具有雙折射性質

24、叫科頓蒙頓效應。光波垂直磁化強度方向通過磁光晶體時，產生雙折射。B二、磁光材料種類二、磁光材料種類亞鐵磁石榴石：稀土過渡金屬膜：Cd-Co，Ho-Co，Cd-Fe尖晶石型鐵磁材料：CdCr2S4，CoCrS4等半導體材料：鍺、硅、硫化鉛等 512R Fe O三、應用三、應用 目前最多的是利用法拉第旋轉。用于激光器件：Q開關、調制器、隔離器、環(huán)形器等。還可以用于高密度存儲器（磁光存儲介質）。也可以用于激光雷達、測距、光通信、紅外探測等P1P2激光反射 磁光晶體以光隔離器為例說明應用： 激光通過P1，再通過晶體偏振面轉一角度（如450），然后過同偏振方向的P2。光反射，通過P2和晶體，再轉450.兩次共轉900，則不通過P1。達到了反射光與激光隔離的目的。 8-7 聲光材料聲光材料一、聲光效應一、聲光效應 聲光效應聲光效應聲波作用于物質使其光學特性發(fā)生改變的現象。超聲波引起的效應尤其顯著。 超聲波可以引起物質密度周期性