第7章 新型功能材料

1、第七章第七章 新型功能材料新型功能材料第一節(jié) 光學(xué)功能材料第二節(jié) 電功能材料第三節(jié) 功能轉(zhuǎn)換材料7.1 光學(xué)光學(xué)功能材料功能材料7.1.1 激光材料激光材料 自第一臺(tái)激光器誕生后，激光技術(shù)便成為一門新興科學(xué)發(fā)展起來(lái)，并且激光的出現(xiàn)又大大促進(jìn)了光學(xué)材料的發(fā)展。1、激光的產(chǎn)生及特點(diǎn)、激光的產(chǎn)生及特點(diǎn) 當(dāng)激光工作物質(zhì)的粒子(原子或分子)吸收了外來(lái)的能量后，就要從基態(tài)躍遷到不穩(wěn)定的高能態(tài)，很快無(wú)輻射躍遷到一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。當(dāng)亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)大于基態(tài)粒子數(shù)時(shí)，即實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，粒子就要跌落到基態(tài)并放出新的光子。這樣便起到了放大作用。如果光的放大在一個(gè)光諧腔內(nèi)反復(fù)作用，便構(gòu)成光振蕩，并發(fā)出強(qiáng)大的激光。激光具

2、有下列特點(diǎn)：激光具有下列特點(diǎn)： (1)相干性好，所有發(fā)射的光具有相同的相位。 (2)單色性好：因?yàn)楣鈱W(xué)共振腔被調(diào)諧到某一特定頻率后，其它頻率的光受到相消干涉。 (3)方向性好：光腔中不調(diào)制的偏離軸向的輻射經(jīng)過(guò)幾次反射后被逸散掉。 (4)亮度高：激光脈沖有巨大的亮度，激光焦點(diǎn)處的輻射亮度比普通光強(qiáng)108 1010倍。2、常用激光材料、常用激光材料 激光工作物質(zhì)分為固體、液體和氣體激光工作物質(zhì)。(1)激光晶體材料激光晶體材料 激光晶體材料按晶體的組成分類可分為摻雜型激光晶體和自激活激光晶體兩類。 摻雜型激光晶體摻雜型激光晶體 摻雜型激光晶體由激活離子和基質(zhì)晶體兩部分組成。激活離子激活離子：現(xiàn)有的激

3、活離子主要有四類，分別是過(guò)渡族金屬離子、三價(jià)稀土離子、二價(jià)稀土離子和錒系離子，常用的主要為前兩類?；|(zhì)晶體：基質(zhì)晶體：它們是氧化物和復(fù)合氧化物、含氧金屬酸化合物及氟化物和復(fù)合氟化物三大類。 當(dāng)激活離子成為基質(zhì)的一種組分時(shí)，就形成了所謂的自激自激活晶體?；罹w。(2)激光玻璃激光玻璃激光玻璃與激光晶體一起構(gòu)成了固體激光材料的兩大類，并得到了迅速的發(fā)展。激活離子激活離子在激光玻璃中激活離子是以Nd3+離子為代表的三價(jià)稀土離子。基質(zhì)玻璃基質(zhì)玻璃玻璃中最早的激光輸出是由在摻釹、鋇的玻璃中實(shí)現(xiàn)的。7.1.2 紅外材料紅外材料 紅外材料是指與紅外線的輻射、吸收、透射和探測(cè)等相關(guān)的一些材料。1、紅外輻射材料

4、、紅外輻射材料 紅外輻射材料可分為熱型、“發(fā)光”型和熱“發(fā)光”混合型三類。紅外加熱技術(shù)主要采用熱型紅外輻射材料。(1)紅外輻射材料的輻射特性紅外輻射材料的輻射特性 紅外輻射材料的輻射特性決定于材料的溫度和發(fā)射率。根據(jù)不同的情況，發(fā)射率可分為以下幾種： 材料本身結(jié)構(gòu)對(duì)其發(fā)射率的影響材料本身結(jié)構(gòu)對(duì)其發(fā)射率的影響 一般說(shuō)金屬導(dǎo)電體的值較小，電介質(zhì)材料的值較高。這往往與材料的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。材料的發(fā)射率隨輻射波長(zhǎng)的變化材料的發(fā)射率隨輻射波長(zhǎng)的變化 多數(shù)紅外輻射材料其發(fā)射紅外線的性能，在短波主要與電子在價(jià)帶至導(dǎo)帶間的躍遷有關(guān)；在長(zhǎng)波段主要與晶格振動(dòng)有關(guān)。晶格振動(dòng)頻率取決于晶體結(jié)構(gòu)、組成晶體的元素的原子量及

5、化學(xué)鍵特性。 原材料預(yù)處理工藝對(duì)發(fā)射率的影響原材料預(yù)處理工藝對(duì)發(fā)射率的影響 同一種原材料因預(yù)處理工藝不同而有不同的發(fā)射率值。經(jīng)700空氣氣氛處理與1400煤氣氣氛處理的氧化鈦的常溫發(fā)射率分別為0.81和0.86。 發(fā)射率與溫度的關(guān)系發(fā)射率與溫度的關(guān)系 溫度影響材料的發(fā)射率。電介質(zhì)材料的發(fā)射率較金屬大的多，有些隨溫度升高而降低，有些隨溫度的升高而有復(fù)雜的變化。 發(fā)射率受材料表面狀態(tài)的影響發(fā)射率受材料表面狀態(tài)的影響 一般來(lái)說(shuō)，材料表面愈粗糙，其發(fā)射率愈大。紅外線在金屬表面上的反射性能與紅外線波長(zhǎng)對(duì)表面不平整度的相對(duì)大小有關(guān)，與金屬表面上的化學(xué)特征和物理特征無(wú)關(guān)。 材料的體因素對(duì)發(fā)射率的影響材料的體

6、因素對(duì)發(fā)射率的影響 材料的體因素包括材料的厚度、填料的粒徑和含量等等。對(duì)某些材料，如紅外線透明材料或半透明的材料，其發(fā)射率值還與其體因素有關(guān)，原因是紅外線能量在傳播過(guò)程中被材料吸收所致。 材料的發(fā)射率隨工作時(shí)間而變化材料的發(fā)射率隨工作時(shí)間而變化 在工作條件下，由于與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生相互作用或其他物理化學(xué)變化，從而引起成分及結(jié)構(gòu)的變化，將使材料的發(fā)射率改變。(2)紅外輻射紅外輻射材料的應(yīng)用材料的應(yīng)用紅外輻射材料在熱能利用方面可用作紅外加熱、耐火材料等。紅外加熱與干燥是指利用熱輻射所發(fā)射出來(lái)的紅外線，照射到物體上并被吸收后轉(zhuǎn)換成熱能，從而達(dá)到加熱、干燥的目的。高發(fā)射率紅外輻射涂層屬于不定形耐火材料中的

7、一種，一般被涂于加熱爐的爐襯耐火磚或耐火纖維氈的表面，也可涂于測(cè)溫套管、燒嘴磚等表面，將十分有利于熱能的利用。 在航天領(lǐng)域，航天器用紅外輻射涂層是一種高溫高發(fā)射率涂層，涂在航天器蒙皮表面上作為輻射防熱結(jié)構(gòu)。(3) 用于用于軍事目的軍事目的 防紅外偽裝涂層防紅外偽裝涂層 紅外偽裝的最基本原理是降低和消除目標(biāo)和背景的輻射差別，以降低目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)和識(shí)別的可能性。 紅外誘鉺器紅外誘鉺器 紅外誘鉺器作為對(duì)付紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的一種對(duì)抗手段，正受到重視。選擇不同輻射頻率的材料做成的紅外誘鉺器可以模擬各種武器裝備的紅外輻射特征，更好地發(fā)揮紅外誘鉺假目標(biāo)的作用。2. 透透紅外材料紅外材料(1) 透透紅外材料的性質(zhì)紅外

8、材料的性質(zhì) 透紅外材料指的是對(duì)紅外線透過(guò)率高的材料。對(duì)透紅外材料的要求，紅外光譜透過(guò)率要高，透過(guò)的短波限要低，透過(guò)的頻帶要寬。(2) 透透紅外材料的種類紅外材料的種類 目前實(shí)用的光學(xué)材料只有二三十種，可以分為晶體、玻璃、透明陶瓷、塑料等。 單晶體主要有鍺、硅半導(dǎo)體作為紅外光學(xué)材料。硅在力學(xué)性能和抗熱沖擊性上比鍺好得多，溫度影響也小，但硅的折射率高，使用時(shí)需鍍?cè)鐾改ぃ詼p少反射損失。另一類單晶體是離子晶體-堿或堿土金屬鹵化物。 紅外光學(xué)玻璃主要有以下幾種：硅酸鹽玻璃、鋁酸鹽玻璃、鎵酸鹽玻璃、硫?qū)倩衔锊ＡА?氧化鋁透明陶瓷不只是透過(guò)近紅外，而且還可以透過(guò)可見(jiàn)光。稀有金屬氧化物陶瓷是一類耐高溫的紅

9、外光學(xué)材料，其中的代表是氧化釔透明陶瓷。 塑料也是紅外光學(xué)材料，但近紅外性能不如其他材料，故多被用于遠(yuǎn)紅外。(3) 透紅外材料的應(yīng)用透紅外材料的應(yīng)用 透紅外材料是用來(lái)制造紅外光學(xué)儀器透鏡、調(diào)制盤、整流罩等不可缺少的材料。7.1.3 發(fā)光發(fā)光材料材料 發(fā)光是一種物體把吸收的能量，不經(jīng)過(guò)熱的階段，直接轉(zhuǎn)換為特征輻射的現(xiàn)象。發(fā)光材料品種很多，按激發(fā)方式或分為：光致發(fā)光材料、電致發(fā)光材料、陰極射線發(fā)光材料、熱致發(fā)光材料、等離子發(fā)光材料。1、材料的發(fā)光機(jī)理分立中心發(fā)光發(fā)光材料的發(fā)光中心受激后，激發(fā)和發(fā)射過(guò)程發(fā)生在彼此獨(dú)立的、個(gè)別的發(fā)光中心內(nèi)部的發(fā)光就叫做分立中心發(fā)光。它是單分子過(guò)程。復(fù)合發(fā)光 發(fā)光材料受

10、激發(fā)時(shí)分離出一對(duì)帶異號(hào)電荷的粒子，一般為正離子和電子，這兩種粒子在復(fù)合時(shí)便發(fā)光，即復(fù)合發(fā)光。2.發(fā)光材料的發(fā)光特征發(fā)光材料的發(fā)光特征(1) 顏色特征：材料的發(fā)光光譜可分為三種類型，寬帶(100nm，如CaWO4) ；窄帶(50nm)；線譜(0.1nm)(2) 強(qiáng)度特征：發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)強(qiáng)度而變，通常我們用發(fā)光效率來(lái)表征材料的發(fā)光本領(lǐng)。發(fā)光效率有三種表示方法：量子效率、能量效率及光度效率；(3) 持續(xù)時(shí)間特征：最初發(fā)光分為熒光及磷光兩種。熒光是指在激發(fā)時(shí)發(fā)光，磷光是指激發(fā)停止后發(fā)出的光。以時(shí)間108s區(qū)分這兩種光。3.發(fā)光材料發(fā)光材料(1)光致發(fā)光材料光致發(fā)光材料用紫外光、可見(jiàn)光及紅外光激發(fā)發(fā)光材

11、料而產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象稱為光致發(fā)光，相應(yīng)的這種材料便被稱為光致發(fā)光材料。一般可分為熒光材料和磷光材料兩種。熒光材料主要是以苯環(huán)為基的芳香族化合物和雜環(huán)化合物。具有缺陷的某些復(fù)雜的無(wú)機(jī)晶體物質(zhì)，在光激發(fā)時(shí)和光激發(fā)停止后一定時(shí)間內(nèi)能夠發(fā)光，這些晶體稱為磷光材料。光致發(fā)光材料主要用于顯示、顯像、照明和日常生活中。如洗滌增白劑、熒光涂料等屬于熒光材料。而一些燈用熒光粉材料都屬于磷光材料?？偟膩?lái)說(shuō)，磷光材料比熒光材料的應(yīng)用更為普遍。(2) 電致發(fā)光材料電致發(fā)光材料電致發(fā)光材料是指在直流或交流電場(chǎng)作用下，依靠電流和電場(chǎng)的激發(fā)使材料發(fā)光的現(xiàn)象。電致發(fā)光材料是禁帶寬度比較大的半導(dǎo)體。在這些半導(dǎo)體內(nèi)場(chǎng)致發(fā)光的微觀過(guò)

12、程主要是碰撞激發(fā)或離化雜質(zhì)中心。電致發(fā)光材料主要用途是制造電致發(fā)光顯示器件。交流粉末電致發(fā)光顯示板除了作照明板使用外，主要用作大面積顯示。(3)射線致發(fā)光材料射線致發(fā)光材料射線致發(fā)光材料可分為陰極射線致發(fā)光材料和放射線致發(fā)光材料兩種。陰極射線致發(fā)光是由電子束轟擊發(fā)光物質(zhì)而引起的發(fā)光現(xiàn)象。放射線致發(fā)光是由高能的射線，或光射線轟擊發(fā)光物質(zhì)而引起的發(fā)光現(xiàn)象。(4)等離子發(fā)光材料等離子發(fā)光材料等離子體是高度電離化的多種粒子存在的空間，其中帶電粒子有電子、正離子、不帶電的粒子有氣體原子、分子、受激原子、亞穩(wěn)原子等。等離子體發(fā)光材料的主要應(yīng)用是制作等離子體發(fā)光顯示屏，是目前顯示技術(shù)中很受重視的顯示方式之一

13、。等離子體發(fā)光顯示屏又分為交流驅(qū)動(dòng)及直流驅(qū)動(dòng)兩種。其中等離子體具有以下特征：其中等離子體具有以下特征：氣體高度電離。極限情況時(shí)所有中性粒子都被電離了。具有很大的帶電粒子濃度，由于帶正電與帶負(fù)電的粒子濃度接近相等，等離子體具有良好的導(dǎo)體特性。等離子體具有電振蕩的特性。在帶電粒子穿過(guò)等離子體時(shí)，能夠產(chǎn)生等離子基元，等離子基元的能量是量子化的。等離子體具有加熱氣體的特性。在高氣壓收縮等離子體內(nèi)，氣體可被加熱到數(shù)萬(wàn)度。在穩(wěn)定情況下，氣體放電等離子體中的電場(chǎng)相當(dāng)弱，并且電子與氣體原子進(jìn)行著頻繁的碰撞，因此氣體在等離子體中的運(yùn)動(dòng)可看作是熱運(yùn)動(dòng)。除了上述發(fā)光材料外，熱致發(fā)光材料的發(fā)現(xiàn)和使用最早，目前常用的材

14、料如鎢絲，主要用于白熾燈中，但是隨著對(duì)光源亮度、發(fā)光效率、顏色等各種性能要求的不斷提高，鎢絲等熱致發(fā)光材料逐漸為上述幾種發(fā)光材料所取代。7.2 電電功能材料功能材料7.2.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 半導(dǎo)體的導(dǎo)電來(lái)源于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)，電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。激發(fā)既可以是熱激發(fā)，也可以是非熱激發(fā)，通過(guò)激發(fā)，半導(dǎo)體中產(chǎn)生載流子，從而導(dǎo)電。2. 半導(dǎo)體的分類半導(dǎo)體的分類 按成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體又可分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。化合物半導(dǎo)體又可分為合金、化合物、陶瓷和有機(jī)高分子四種半導(dǎo)體。 按摻雜原子的價(jià)電子數(shù)可分為施主型和受主型

15、，前者摻雜原子的價(jià)電子多于純?cè)氐膬r(jià)電子，后者正好相反。 按晶態(tài)分為結(jié)晶、微晶和非晶半導(dǎo)體。 此外，還有按半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和電子躍遷狀態(tài)來(lái)分類的。3. 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 本節(jié)我們就晶態(tài)半導(dǎo)體，半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料，非晶態(tài)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體陶瓷分別作一下介紹。(1)晶態(tài)半導(dǎo)體晶態(tài)半導(dǎo)體從原子間鍵合的觀點(diǎn)看，它們往往是共價(jià)鍵合。下面分別介紹元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體和高溫半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體一般從下列元素中考察元素半導(dǎo)體：C、Si、Ge、-Sn、P、As、Te、I等。但C (石墨)、Bi、As、Sb與其說(shuō)是半導(dǎo)體，不如稱之為半金屬，P、S及I稱作絕緣體更合適。 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體 由于半導(dǎo)體

16、多成共價(jià)鍵結(jié)合，而周期表中A族和A族元素通常結(jié)合成為很強(qiáng)的離子型晶體，為具有NaCl型或者CsCl型晶體結(jié)構(gòu)的絕緣體。A族和A族也較多地形成離子性強(qiáng)的NaCl型化合物，而族A族和A族形成的化合物離子性減小。高溫半導(dǎo)體高溫半導(dǎo)體 目前廣泛使用的半導(dǎo)體硅器件，工作溫度大多不超過(guò)200，因此在高溫工作時(shí)，產(chǎn)生和耗散的熱量無(wú)法達(dá)到平衡，在半導(dǎo)體器件內(nèi)產(chǎn)生了不可恢復(fù)的破壞。但軍事工業(yè)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和宇航等產(chǎn)業(yè)要求研制可在500600溫度范圍內(nèi)工作的電子器件。因此，高溫半導(dǎo)體的研究便開(kāi)始了。(2) 半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、超晶格和量子阱材料統(tǒng)稱為半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料。由兩種不同半導(dǎo)體材料

17、所組成的結(jié)，稱為異質(zhì)結(jié)。兩種或兩種以上不同材料的薄層周期性地交替生長(zhǎng)，構(gòu)成超晶格。當(dāng)兩個(gè)同樣的異質(zhì)結(jié)背對(duì)背接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)量子阱。(3) 非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體 非晶態(tài)半導(dǎo)體根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為共價(jià)鍵非晶半導(dǎo)體和離子鍵非晶半導(dǎo)體。 共價(jià)鍵非晶半導(dǎo)體有3種類型：四面體非晶半導(dǎo)體，如Si、SiC等；“鏈狀”非晶半導(dǎo)體，如S、Se、As2S3等；交鏈網(wǎng)絡(luò)非晶半導(dǎo)體，它們是由上述兩類非晶半導(dǎo)體結(jié)合而成的，后丙類都含有S,Se或Te，所以被稱為硫系化合物。離子鍵非晶半導(dǎo)體主要是氧化物玻璃。(4) 半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷 半導(dǎo)體陶瓷是指導(dǎo)電性介于導(dǎo)電陶瓷和絕緣介質(zhì)陶瓷之間的一類材料，其電阻率介于10-410-

18、7之間。一般是由一種或數(shù)種金屬氧化物。彩陶瓷制備工藝制成的多晶半導(dǎo)體材料。這種材料的基本特征是具有半導(dǎo)體性質(zhì)。且多半用于敏感元件，因此也稱半導(dǎo)體陶瓷為第三陶瓷。 目前實(shí)用的半導(dǎo)體陶瓷可分為以下三種： 主要利用晶體本身性質(zhì)：主要利用晶體本身性質(zhì)：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻、高溫?zé)崦綦娮?、氧化傳感器。主要利用晶界和晶粒析出相性質(zhì)的：主要利用晶界和晶粒析出相性質(zhì)的：正溫度系數(shù)熱敏電阻、ZnO系壓敏電阻。 主要利用表面性質(zhì)的：主要利用表面性質(zhì)的：各種氧化傳感器、溫度傳感器。7.2.2 超導(dǎo)性和超導(dǎo)材料超導(dǎo)性和超導(dǎo)材料 1911年荷蘭物理學(xué)家翁奈在研究水銀低溫電阻時(shí)首先發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。后來(lái)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些金屬、

19、合金和化合物在低溫時(shí)電阻也變?yōu)榱悖淳哂谐瑢?dǎo)現(xiàn)象。物質(zhì)在超低溫下，失去電阻的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性；相應(yīng)的具有這種性質(zhì)的物質(zhì)就稱這超導(dǎo)體。超導(dǎo)體在電阻消失前的狀態(tài)稱為常導(dǎo)狀態(tài)；電阻消失后狀態(tài)稱為超導(dǎo)狀態(tài)。1.超導(dǎo)體的基本物理性質(zhì)超導(dǎo)體的基本物理性質(zhì)(1)零電阻現(xiàn)象零電阻現(xiàn)象超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象與常導(dǎo)體零電阻在實(shí)質(zhì)上截然不同。常導(dǎo)體的零電阻是指在理想的金屬晶體中，由于電子運(yùn)動(dòng)暢通無(wú)阻，因此沒(méi)有電阻；而超導(dǎo)體零電阻是指當(dāng)溫度降至某一數(shù)值Tc或以下時(shí)，其電阻突然變?yōu)榱?。電阻率與溫度T的關(guān)系見(jiàn)圖(2) 完全抗磁性完全抗磁性 1933年邁斯納和奧爾德首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體具有完全抗磁性的特點(diǎn)。把錫單晶球超導(dǎo)體在磁場(chǎng)(

20、HHc)中冷卻，在達(dá)到臨界溫度Tc以下時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通線一下子被排斥出去；或者先把超導(dǎo)體冷卻至Tc以下，再通以磁場(chǎng)，這時(shí)磁通線也被排斥出動(dòng)；如圖所示。即在超導(dǎo)狀態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.這就是邁斯納效應(yīng)。2. 超導(dǎo)體的臨界參數(shù)超導(dǎo)體的臨界參數(shù) 超導(dǎo)體有三個(gè)基本的臨界參數(shù)，即臨界溫度Tc，臨界Hc、臨界電流Ac。(1)臨界溫度臨界溫度Tc 超導(dǎo)體從常導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度就叫做臨界溫度，以Tc表示。(2)臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng)Hc使超導(dǎo)態(tài)的物質(zhì)由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌?dǎo)態(tài)時(shí)所需的最小磁場(chǎng)強(qiáng)度，叫做臨界磁場(chǎng)，以Hc。(3)臨界電流臨界電流Ic 破壞超導(dǎo)電性所需的最小極限電流就是臨界電流，以Ic表示。(4

21、)三個(gè)臨界參數(shù)的關(guān)系三個(gè)臨界參數(shù)的關(guān)系 三個(gè)臨界值的關(guān)系可用圖中的曲面表示。在臨界面以下的狀態(tài)為超導(dǎo)態(tài)，其余均為常導(dǎo)態(tài)3. 超導(dǎo)超導(dǎo)機(jī)理機(jī)理 當(dāng)前在闡明超導(dǎo)機(jī)理的幾種理論中，二流體模型是較有說(shuō)服力的，較為流行的一種。二流體模型認(rèn)為：超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，傳導(dǎo)電子分為兩部分，一部分叫常導(dǎo)電子，另一部分叫超流電子，兩種電子占據(jù)同一體積，彼此獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，在空間上互相滲透；常導(dǎo)電子的導(dǎo)電規(guī)律與常規(guī)導(dǎo)體一樣，受晶格振動(dòng)而散射，因而產(chǎn)生電阻，對(duì)熱力學(xué)熵有貢獻(xiàn)；超流電子處于某種凝聚狀態(tài)，不受晶格振動(dòng)而散射，對(duì)熵?zé)o貢獻(xiàn)，其電阻為零，它在晶格中無(wú)阻地流動(dòng)。這兩種電子的相對(duì)數(shù)目與溫度有關(guān)，TTc時(shí)，沒(méi)有凝聚；T=Tc

22、時(shí)，開(kāi)始凝聚；T=0時(shí)，超流電子成分占100%。 上面即為二流體模型的理論觀點(diǎn)。它很好的解釋了超導(dǎo)體在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)零電阻現(xiàn)象。4. 超導(dǎo)材料的種類超導(dǎo)材料的種類 按成分分為：元素超導(dǎo)體、合金和化合物超導(dǎo)體，有機(jī)高分子超導(dǎo)體三類。按Meissner效應(yīng)分為：(1) 第一類超導(dǎo)體第一類超導(dǎo)體 超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有一同的規(guī)律，如圖a所示：當(dāng)HHc 時(shí)，B=H，即在超導(dǎo)態(tài)內(nèi)能完全排除外磁場(chǎng)，且只有一個(gè)值。除釩、鈮、釕外，元素超導(dǎo)體都是第一類超導(dǎo)體。(2) 第二類超導(dǎo)體第二類超導(dǎo)體 如圖b所示，第二類超導(dǎo)體的特點(diǎn)是：當(dāng)HHc1時(shí)，B=0，排斥外磁場(chǎng)。當(dāng)Hc1H0而B(niǎo)Hc2時(shí)，B= H ，磁場(chǎng)完全穿透。也就是在

23、超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間有一種混合態(tài)存在，Hc有兩個(gè)值Hc1和Hc2 。釩、鈮、釕及大多數(shù)合金或化合物超導(dǎo)體都是屬于第二類導(dǎo)體。5. 超導(dǎo)材料的性能超導(dǎo)材料的性能 超導(dǎo)材料的種類很多，大致可分為低溫超導(dǎo)體、高溫超導(dǎo)體、非晶超導(dǎo)材料、復(fù)合超導(dǎo)材料、重費(fèi)米超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)材料。(1)低溫超導(dǎo)材料：低溫超導(dǎo)材料：這種材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低，大約在30K以下。具體又可分為元素超導(dǎo)體、合金超導(dǎo)體、化合物超導(dǎo)體三種。(2)高溫超導(dǎo)材料：高溫超導(dǎo)材料：這種材料大多具有較高的臨界轉(zhuǎn)變溫度，超過(guò)了77K，可在液氮的溫度下工作。它們大多為氧化物陶瓷，首先開(kāi)發(fā)的氧化物超導(dǎo)體是釔系氧化物YBa2Cu3O7-(YBCuO)超

24、導(dǎo)體，隨后開(kāi)發(fā)的是鉍系氧化物超導(dǎo)體和鉈系氧化物超導(dǎo)體。少數(shù)的非氧化物高溫超導(dǎo)體主要是C60化合物。(3)非晶超導(dǎo)材料：非晶超導(dǎo)材料：非晶態(tài)超導(dǎo)體的研究始于20世紀(jì)50年代。非晶超導(dǎo)材料主要包括非晶態(tài)簡(jiǎn)單金屬及其合金和非晶態(tài)過(guò)渡金屬及其合金。(4) 復(fù)合超導(dǎo)材料：復(fù)合超導(dǎo)材料：由許多超導(dǎo)線(或帶)與良導(dǎo)體復(fù)合可得復(fù)合超導(dǎo)材料。它的優(yōu)點(diǎn)是：可承載更大的電流，減少退化效應(yīng)，增加超導(dǎo)的穩(wěn)定性，提高機(jī)械強(qiáng)度和超導(dǎo)性能。(5)重費(fèi)米子超導(dǎo)體：重費(fèi)米子超導(dǎo)體：重費(fèi)米子超導(dǎo)體是20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)的，這類超導(dǎo)體的比熱測(cè)量顯示其低溫電子比熱系數(shù)非常大，是普通金屬的幾百甚至幾千倍，由此被稱為重費(fèi)米子超導(dǎo)體。(6)

25、有機(jī)超導(dǎo)材料：有機(jī)超導(dǎo)材料：有機(jī)材料與無(wú)機(jī)材料相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，且十分容易進(jìn)行分子水平上的剪裁與設(shè)計(jì)。這些優(yōu)越條件使得有機(jī)超導(dǎo)體具有重要的應(yīng)用價(jià)值。7.超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用 在超導(dǎo)材料應(yīng)用中，一般分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用兩大方面。(1)低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用 低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用分為：強(qiáng)電應(yīng)用，主要包括超導(dǎo)在強(qiáng)磁場(chǎng)中的應(yīng)用和大電流輸送；弱電應(yīng)用，主要包括超導(dǎo)電性在微電子學(xué)和精密測(cè)量等方面的應(yīng)用。(2)高溫超導(dǎo)體材料的應(yīng)用與進(jìn)展高溫超導(dǎo)體材料的應(yīng)用與進(jìn)展 目前高溫超導(dǎo)材料大量應(yīng)用在磁體、電子器件、電力等方面。但仍有許多材料和技術(shù)方面的問(wèn)題需要解決。在材料方

26、面，主要是要求超導(dǎo)體應(yīng)有較高的臨界溫度和臨界電流。7.2.3 熱電材料熱電材料1.熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)(1)賽貝克賽貝克(seebeck)效應(yīng)效應(yīng) 當(dāng)兩種不同金屬接觸時(shí)，它們之間會(huì)產(chǎn)生接觸電位差。如果兩種不同金屬形成一個(gè)回路時(shí)，兩個(gè)接頭的溫度不同，則由于該接頭的接觸電位不同，電路中會(huì)存在一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，因而有電流通過(guò)。電流與熱流之間有交互作用存在，其溫度梯度不但可以產(chǎn)生熱流，還可以產(chǎn)生電流，這是一種熱電效應(yīng)，稱為賽貝克效應(yīng)，其所形成的電動(dòng)勢(shì)，稱為賽貝克電動(dòng)勢(shì)。(2) 珀耳帖珀耳帖(Peltier)效應(yīng)效應(yīng) 在賽貝克效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后不久，珀耳帖發(fā)現(xiàn)賽貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)，即當(dāng)兩種金屬通過(guò)兩個(gè)接點(diǎn)組成一回路并通以電

27、流時(shí)，會(huì)使得一個(gè)接頭發(fā)熱而使另一個(gè)接頭致冷，這就是珀耳帖效應(yīng)。由此效應(yīng)而產(chǎn)生的熱稱為珀耳帖熱，其數(shù)值大小既取決于兩種材料的性質(zhì)，也與通過(guò)的電流成正比，即QAB=ABI，式中為材料A和B間的相對(duì)珀耳帖系數(shù)。通常規(guī)定，電流由A流向B時(shí)有熱吸收的，珀耳帖系數(shù)為正；反之為負(fù)。(3)湯姆遜湯姆遜(Thomson)效應(yīng)效應(yīng) 湯姆遜效應(yīng)是基于賽貝克效應(yīng)和珀耳帖效應(yīng)而發(fā)現(xiàn)的第三個(gè)熱電效應(yīng)。湯姆遜發(fā)現(xiàn)，只考慮兩個(gè)接頭處發(fā)生的效應(yīng)是不完全的，還必需同時(shí)考慮沿單根金屬線由于其兩端溫度差而產(chǎn)生的時(shí)勢(shì)。2.熱電材料及其應(yīng)用熱電材料及其應(yīng)用 合金熱電材料是最重要的熱電材料之一，根據(jù)賽貝克效應(yīng)的原理，被廣泛地應(yīng)用在測(cè)量溫度

28、方面，這便是我們熟知的熱電偶。此外，熱電效應(yīng)還被廣泛地應(yīng)用于加熱(熱泵)、制冷和發(fā)電等方面。7.2.4 壓電材料1.壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng) 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)。這是一類具有很大潛力的功能材料。當(dāng)壓電材料受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，會(huì)引起電極化，其極化值與機(jī)械應(yīng)力成正比，其符號(hào)則取決于力的方向，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)；反過(guò)來(lái)，材料在電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生一個(gè)在數(shù)量上與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。2. 壓電壓電材料及其應(yīng)用材料及其應(yīng)用 常用的壓電材料有石英(SiO2)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鈮酸鋰(LiNbO3)等單晶和鈣鈦礦型的壓電陶瓷，這種陶瓷是鈦酸鋇、鈦酸鉛(PbT

29、iO3)、鋯鈦酸鉛(Pb(ZrxTi1-x)O3，簡(jiǎn)寫為PZT等的多晶材料，其成分可根據(jù)應(yīng)用的要求進(jìn)行配料。 壓電材料的應(yīng)用很廣，首先是利用它的換能特性，即將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；其次是壓電晶體的諧振特性。 壓電效應(yīng)除了利用換能作用外，還有另一類重要的應(yīng)用，即利用壓電晶體的諧振特性。例如石英晶體存在一個(gè)固有的諧振頻率，當(dāng)給壓電晶體輸入一個(gè)電信號(hào)時(shí)，如果電信號(hào)的頻率與壓電晶體的諧振頻率相等，壓電晶體會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)又使壓電晶體輸出強(qiáng)的電信號(hào)。由于石英晶體的諧振頻率極為穩(wěn)定，可用以設(shè)計(jì)制造報(bào)時(shí)準(zhǔn)確的石英電子表。7.2.5 鐵電材料鐵電材料1. 鐵電材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

30、鐵電材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)一般的電介質(zhì)只有在電場(chǎng)作用下才能電極化，但有一類電介質(zhì)具有自發(fā)極化，而且它的自發(fā)極化方向能隨電場(chǎng)的作用而轉(zhuǎn)向， 這一類電介質(zhì)稱為鐵電體。 晶體自發(fā)極化的性質(zhì)起源于晶體中原子的有序排列，出現(xiàn)正負(fù)電荷的重心沿某一方向發(fā)生相對(duì)位移，整個(gè)晶體在該方向上呈現(xiàn)極性，一端為正，一端為負(fù)，使晶體自發(fā)地出現(xiàn)極化現(xiàn)象。自發(fā)極化晶體的極化狀態(tài)，將隨溫度的改變而變化，這種性質(zhì)稱為熱電性。熱電性是所有呈現(xiàn)自發(fā)極化的晶體的共性。具有熱電性的晶體稱為熱電體。 鐵電材料對(duì)電信號(hào)表現(xiàn)出高介電常數(shù)，對(duì)溫度改變表現(xiàn)出大的熱釋電響應(yīng)，在應(yīng)力或聲波作用下，具有強(qiáng)的壓電效應(yīng)和聲光效應(yīng)。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，具有顯著的電光效

31、應(yīng)。另外鐵電材料在強(qiáng)光輻射下，電子被激發(fā)引起自發(fā)極化的變化，從而出現(xiàn)許多新的現(xiàn)象，如光折變效應(yīng)等。鐵電材料具有的這些性質(zhì)，已為它的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。7.3 功能功能轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換材料7.3.1 光電轉(zhuǎn)換材料光電轉(zhuǎn)換材料1.物質(zhì)由于受到光照而引發(fā)其某些電性質(zhì)變化的這一現(xiàn)象稱為光電效應(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。 光電導(dǎo)效應(yīng) 光電效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 光電子發(fā)射效應(yīng)-外光電效應(yīng)(發(fā)生于金屬中)內(nèi)光電效應(yīng)(發(fā)生于半導(dǎo)體中)(1) 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 物質(zhì)在受到光照射作用時(shí)，電導(dǎo)率發(fā)生變體的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。產(chǎn)生這種效應(yīng)的原因在于材料吸收光子后，其中的載流子濃度

32、發(fā)生了改變。(2) (2) 光生伏特效光生伏特效應(yīng)應(yīng) 如果光照射到半導(dǎo)體的p-n結(jié)上，則在p-n結(jié)兩端會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，p區(qū)為正極，n區(qū)為負(fù)極。這一電勢(shì)差可以用高內(nèi)阻的電壓表測(cè)量出來(lái)，這種效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。 利用光生伏特效應(yīng)原理不僅可以制作探測(cè)光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件，還可以制造光電池-太陽(yáng)能電池。(3) 光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng) 當(dāng)金屬或半導(dǎo)體受到照射時(shí)，其表面和體內(nèi)的電子因吸收光子能量而被激發(fā)，如果被激發(fā)的電子具有足夠的能量，足以克服表面勢(shì)壘而從表面離開(kāi)，就會(huì)產(chǎn)生了光電子發(fā)射效應(yīng)。利用光電發(fā)射效應(yīng)可制成光電發(fā)射管。2. 光電材料光電材料(1)光光電子發(fā)射材料電子發(fā)射材料 光電子發(fā)射材料又稱之為

33、外光電效應(yīng)材料。當(dāng)光照射到材料上，光被材料吸收產(chǎn)生發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射現(xiàn)象。具有這種現(xiàn)象的材料稱為光電子發(fā)射材料。光電子發(fā)射現(xiàn)象是光電子能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 光電子發(fā)射材料分為正電子親和勢(shì)陰極材料和負(fù)電子親和勢(shì)熱陰極材料兩類。 利用光電子發(fā)射原理，可以把光電子發(fā)射材料做成光電子陰極，這種光電子發(fā)射陰極通過(guò)電場(chǎng)并配以熒光屏成像就可以制成光電轉(zhuǎn)換器微光管，光電倍增管，高靈敏度電視攝像管，圖像倍增管等(2) 光電導(dǎo)光電導(dǎo)材料材料 受光照射電導(dǎo)急劇上升的現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象。具有此現(xiàn)象的材料稱為光電導(dǎo)材料。 積分靈敏度：光電導(dǎo)材料的積分靈敏度是單位光入射能量產(chǎn)生的電導(dǎo)率的附加值的大小。 “紅限”或

34、長(zhǎng)波限：由于光電導(dǎo)不存在明顯的長(zhǎng)波限，所以規(guī)定光電導(dǎo)數(shù)值降到最大值一半的波長(zhǎng)為長(zhǎng)波限“紅限”。其代表產(chǎn)生光電導(dǎo)的波長(zhǎng)上限。 光譜靈敏度：用光譜曲線表示光譜靈敏度。 靈敏度表示能夠測(cè)出該材料光電導(dǎo)的最小光輻射量稱為靈敏度。光電導(dǎo)材料分分為三類：光電導(dǎo)材料分分為三類：1)光電導(dǎo)半導(dǎo)體：光電導(dǎo)半導(dǎo)體：包括單體(Ge,Si)，氧化物(ZnO,PbO)，鎘化物(CdS,CdSe,CdTe)，鉛化物(PbS,PbSe,PbTe)，其它(Sd2S3,InSd)等；2)光電導(dǎo)陶瓷：光電導(dǎo)陶瓷：CdS陶瓷、CdSe陶瓷等都是光電導(dǎo)陶瓷；3)有機(jī)高分子光導(dǎo)體：有機(jī)高分子光導(dǎo)體：如聚氮乙烯咔唑和2，4，7-三硝基芴

35、酮組成的傳荷配合物等屬此類； 除上面分類方法外，還可按用途分為遠(yuǎn)紅外區(qū)光導(dǎo)體，近紅外區(qū)光導(dǎo)體，可見(jiàn)區(qū)光導(dǎo)體，X射線光導(dǎo)體和電子射線光導(dǎo)體等。 光電導(dǎo)材料主要是應(yīng)用光生載流子產(chǎn)生光導(dǎo)效應(yīng)的原理，它常用作光探測(cè)的光敏感器件的材料。如作可見(jiàn)光、紅外光的半導(dǎo)體光電導(dǎo)型光敏元件的材料以及半導(dǎo)體光電二極管材料。(3) 光電動(dòng)勢(shì)光電動(dòng)勢(shì)材料材料 光照時(shí)p-n結(jié)能夠吸收光子，由于光激發(fā)而使電子和空穴激發(fā)。又由于存在內(nèi)電場(chǎng)，因此受其作用，空穴將向p區(qū)移動(dòng)而積累，電子向n區(qū)移動(dòng)而積累。從而產(chǎn)生了電勢(shì)。 光電池中最活潑的領(lǐng)域是太陽(yáng)能電池，所用的材料主要有以下幾種： 硅太陽(yáng)能電池硅太陽(yáng)能電池 硅太陽(yáng)能電池是半導(dǎo)體太陽(yáng)

36、能電池的一種，可分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池三種。 薄膜太陽(yáng)能電池薄膜太陽(yáng)能電池 這種電池的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，可制成大面積膜而且還可以彎曲。缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，質(zhì)量不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率也不夠高。 陶瓷太陽(yáng)能電池陶瓷太陽(yáng)能電池 以硫化鎘為主，它的優(yōu)點(diǎn)是制備簡(jiǎn)單，成本低，缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差。3.電光電光材料材料 具有電光效應(yīng)的材料稱電光材料，按其特征可分為泡克耳斯材料與克爾材料兩種。 電光材料大部分是晶體，它們最重要的用途是用于制造光調(diào)制元件及用于光偏轉(zhuǎn)、可變諧振濾波和電場(chǎng)的測(cè)定等方面。 電光效應(yīng)是最重要的應(yīng)用是作電光快門，電子快門在激光技術(shù)中的重要應(yīng)用是作為激光器的Q開(kāi)關(guān)，在激光通信、激光顯示、激光雷達(dá)以及高速攝影中，Q開(kāi)關(guān)等都有重要的應(yīng)用。7.3.2 磁光材料磁光材料1.磁光效應(yīng)磁光效應(yīng) 置于磁場(chǎng)中的物體，受磁場(chǎng)影響后其光學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)有磁光法拉第效應(yīng)、磁光克爾效應(yīng)等。2.磁磁光材料的特點(diǎn)及種類光材料的特點(diǎn)及種類 磁光材料是在可見(jiàn)和紅外波段有磁光效應(yīng)的光信息功能材料，它的選擇依賴于用途、所需波長(zhǎng)、可利用的磁場(chǎng)以及各種物理性質(zhì)