功能材料概論總復(fù)習(xí)

1、LOGO功能材料功能材料概論總復(fù)習(xí)概論總復(fù)習(xí)LOGO1.功能材料定義功能材料定義u功能材料功能材料(functional material)(functional material)：指那些具有優(yōu)指那些具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)功能，特殊的物理、化學(xué)、生物學(xué)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)功能，特殊的物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來制造各種效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域的高功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域的高新技術(shù)材料。新技術(shù)材料。功能材料按其功能材料按其又可分為

2、又可分為一次功能材一次功能材料和二次功能材料（功能轉(zhuǎn)換材料）。料和二次功能材料（功能轉(zhuǎn)換材料）。 u結(jié)合第一次作業(yè)：結(jié)合第一次作業(yè)：結(jié)構(gòu)、原理、性能及應(yīng)用結(jié)構(gòu)、原理、性能及應(yīng)用 LOGO2.功能材料的性能功能材料的性能u P-型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體u N-型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體u 在本征半導(dǎo)體中有意加入少量的雜質(zhì)元素，以控制電導(dǎo)率，在本征半導(dǎo)體中有意加入少量的雜質(zhì)元素，以控制電導(dǎo)率，摻雜原子的價(jià)電子少于純?cè)氐膬r(jià)電子稱為摻雜原子的價(jià)電子少于純?cè)氐膬r(jià)電子稱為P型半導(dǎo)體，例型半導(dǎo)體，例在四價(jià)鍺（在四價(jià)鍺（Ge）元素半導(dǎo)體中摻入三價(jià)硼（）元素半導(dǎo)體中摻入三價(jià)硼（B）形成的半導(dǎo)）形成的半導(dǎo)體；摻雜原子的價(jià)電子多

3、于純?cè)氐膬r(jià)電子，稱為體；摻雜原子的價(jià)電子多于純?cè)氐膬r(jià)電子，稱為N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體，例在四價(jià)鍺（體，例在四價(jià)鍺（Ge）元素半導(dǎo)體中摻入五價(jià)砷（）元素半導(dǎo)體中摻入五價(jià)砷（AS）形）形成的半導(dǎo)體。成的半導(dǎo)體。LOGO3.高分子基礎(chǔ)高分子基礎(chǔ)u 聚合物的化學(xué)反應(yīng)聚合物的化學(xué)反應(yīng)根據(jù)高分子的官能團(tuán)及聚合度的變化可分為兩大類：根據(jù)高分子的官能團(tuán)及聚合度的變化可分為兩大類：（1）聚合物的相似轉(zhuǎn)變）聚合物的相似轉(zhuǎn)變：反應(yīng)僅發(fā)生在聚合物分子的側(cè)基上，：反應(yīng)僅發(fā)生在聚合物分子的側(cè)基上，即側(cè)基由一種基團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N基團(tuán)，并不會(huì)引起聚合度即側(cè)基由一種基團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N基團(tuán)，并不會(huì)引起聚合度的明顯改變。的明顯改變。（2

4、）聚合物的聚合度發(fā)生根本改變的反應(yīng)）聚合物的聚合度發(fā)生根本改變的反應(yīng)，包括：，包括： 聚合度變大的化學(xué)反應(yīng)，聚合度變大的化學(xué)反應(yīng)，如擴(kuò)鏈、嵌段、接枝和交聯(lián)；如擴(kuò)鏈、嵌段、接枝和交聯(lián)； 聚合度變小的化學(xué)反應(yīng)，聚合度變小的化學(xué)反應(yīng)，如降解與解聚。如降解與解聚。LOGO聚合物的相似轉(zhuǎn)變及其應(yīng)用聚合物的相似轉(zhuǎn)變及其應(yīng)用（1）引入新官能團(tuán) 聚合物經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理在分子鏈上引入新官能團(tuán)，聚合物經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理在分子鏈上引入新官能團(tuán)，重要的實(shí)際應(yīng)用如聚乙烯的氯化與氯磺化，聚乙烯是塑料，經(jīng)氯化或氯重要的實(shí)際應(yīng)用如聚乙烯的氯化與氯磺化，聚乙烯是塑料，經(jīng)氯化或氯磺化處理可用作橡膠。磺化處理可用作橡膠。（2）官

5、能團(tuán)轉(zhuǎn)化 通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)將聚合物分子鏈上的官能團(tuán)轉(zhuǎn)化通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)將聚合物分子鏈上的官能團(tuán)轉(zhuǎn)化為其它官能團(tuán)，常用來對(duì)聚合物進(jìn)行改性。典型的有：為其它官能團(tuán)，常用來對(duì)聚合物進(jìn)行改性。典型的有：聚乙烯醇的合成聚乙烯醇的合成及其縮醛化及其縮醛化（聚乙烯醇縮醛，可用作安全玻璃粘合劑、電絕緣膜及涂料聚乙烯醇縮醛，可用作安全玻璃粘合劑、電絕緣膜及涂料等）等）纖維素的化學(xué)改性（纖維素的化學(xué)改性（粘膠纖維的合成、纖維素酯的合成、纖維素醚粘膠纖維的合成、纖維素酯的合成、纖維素醚的合成的合成）離子交換樹脂的合成離子交換樹脂的合成（離子交換樹脂的單元結(jié)構(gòu)由三部分組成：（離子交換樹脂的單元結(jié)構(gòu)由三部分組成：不

6、溶不熔的不溶不熔的三維網(wǎng)狀骨架三維網(wǎng)狀骨架、固定在骨架上的、固定在骨架上的官能團(tuán)官能團(tuán)和官能團(tuán)所帶的和官能團(tuán)所帶的可交可交換離子換離子） 。（3）環(huán)化反應(yīng) 某些聚合物受熱時(shí)，通過側(cè)基反應(yīng)可環(huán)化，某些聚合物受熱時(shí)，通過側(cè)基反應(yīng)可環(huán)化，如聚丙烯腈經(jīng)如聚丙烯腈經(jīng)預(yù)氧化和環(huán)化反應(yīng)可形成梯形結(jié)構(gòu)。預(yù)氧化和環(huán)化反應(yīng)可形成梯形結(jié)構(gòu)。NNNCHCHCHCHCH2CH2CH2CH2CH2CNCNCNCNLOGO聚合度變大的化學(xué)反應(yīng)聚合度變大的化學(xué)反應(yīng) （1）交聯(lián)反應(yīng) 在熱、光、輻射能或交聯(lián)劑作用下，分子鏈間以化學(xué)在熱、光、輻射能或交聯(lián)劑作用下，分子鏈間以化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)起來，構(gòu)成三維網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。鍵聯(lián)結(jié)起來，

7、構(gòu)成三維網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。 （2）接枝反應(yīng) 通常是在高分子主鏈上連接不同組成的支鏈，形成的通常是在高分子主鏈上連接不同組成的支鏈，形成的接枝共聚物的性能決定于接枝共聚物的性能決定于主鏈和支鏈的組成、結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度、以及支鏈的主鏈和支鏈的組成、結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度、以及支鏈的數(shù)目。數(shù)目。 （3）嵌段反應(yīng) 嵌段共聚物分子鏈具有線型結(jié)構(gòu)，是由兩種或兩種以嵌段共聚物分子鏈具有線型結(jié)構(gòu)，是由兩種或兩種以上不同單體單元各自形成的長(zhǎng)鏈段組成。根據(jù)分子鏈上長(zhǎng)鏈段數(shù)目和排上不同單體單元各自形成的長(zhǎng)鏈段組成。根據(jù)分子鏈上長(zhǎng)鏈段數(shù)目和排列方式，嵌段共聚物可以分為：列方式，嵌段共聚物可以分為：AB兩嵌段共聚物，兩嵌段共聚物，A

8、BA夾層三嵌段共夾層三嵌段共聚物，聚物，ABC三嵌段共聚物等。嵌段共聚物的合成有三種方法：活性聚三嵌段共聚物等。嵌段共聚物的合成有三種方法：活性聚合物法、預(yù)聚物相互反應(yīng)法、預(yù)聚物合物法、預(yù)聚物相互反應(yīng)法、預(yù)聚物單體法。單體法。 （4）擴(kuò)鏈反應(yīng) 通過適當(dāng)方法使較低分子量的預(yù)聚體連接在一起，分通過適當(dāng)方法使較低分子量的預(yù)聚體連接在一起，分子量因而增大的反應(yīng)。凡是帶活性端基如羥基、羧基、胺基、酰胺基、子量因而增大的反應(yīng)。凡是帶活性端基如羥基、羧基、胺基、酰胺基、異氰酸酯等的預(yù)聚體都可進(jìn)行擴(kuò)鏈。異氰酸酯等的預(yù)聚體都可進(jìn)行擴(kuò)鏈。LOGO聚合度變小的化學(xué)轉(zhuǎn)變聚合物的降解聚合度變小的化學(xué)轉(zhuǎn)變聚合物的降解 聚

9、合物的降解反應(yīng)是指聚合物分子鏈在機(jī)械力、熱、高能聚合物的降解反應(yīng)是指聚合物分子鏈在機(jī)械力、熱、高能輻射、超聲波或化學(xué)反應(yīng)等的作用下，分裂成較小聚合輻射、超聲波或化學(xué)反應(yīng)等的作用下，分裂成較小聚合度產(chǎn)物的反應(yīng)過程。度產(chǎn)物的反應(yīng)過程。 聚合物的降解可分為：（聚合物的降解可分為：（1）熱降解；（）熱降解；（2）化學(xué)降解）化學(xué)降解（3）光降解；（）光降解；（4）氧化降解；（）氧化降解；（5）機(jī)械降解等。）機(jī)械降解等?；瘜W(xué)因素：水、醇、酸物理因素：熱、光、幅射、機(jī)械力物理化學(xué)因素：熱氧、光氧聚合物降解的因素聚合物降解的因素LOGO天然高分子材料改性的天然高分子材料合成高分子材料1、按來源、按來源改性合成

10、高分子材料為了獲得具有各種實(shí)用性能或改善其成型加工性能，除基本組分聚合物之外，還要添加各種添加劑，因此嚴(yán)格地說，高分子化合物與高分子材料的涵義是不同的。 高聚物的分類高聚物的分類LOGO2、按主鏈結(jié)構(gòu)、按主鏈結(jié)構(gòu)材料的組成及各成分之間的配比從根本上保證了制品的性能，作為主要成分的高分子化合物對(duì)制品的性能起主宰作用。a、碳鏈聚合物：、碳鏈聚合物： 指高分子化合物的的主鏈完全由碳原子組成，絕大部分聚烯烴及其衍生物都屬于此類。b、雜鏈聚合物、雜鏈聚合物：雜鏈聚合物是指大分子主鏈中除了碳原子外，還有氧、氮、硫等雜原子。常見的雜環(huán)聚合物有聚醚、聚酯、聚酰胺、聚脲、聚硫橡膠、聚砜等。c、元素有機(jī)聚合物：、

11、元素有機(jī)聚合物：指大分子主鏈中沒有碳原子，主要由硅、硼、鋁、氧、硫、磷等原子組成。典型的例子是有機(jī)硅橡膠。LOGO3、按用途、按用途粘合劑復(fù)合材料纖維橡膠3涂料塑料12456實(shí)際上，按用途分才是真正把高分子材料從材料的角度進(jìn)行分類的一種方法。LOGO4.超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料u 庫柏電子對(duì)庫柏電子對(duì)u 零電阻零電阻u 完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）LOGO庫柏電子對(duì)u 庫柏電子對(duì)理論是現(xiàn)代超導(dǎo)理論的基礎(chǔ)庫柏電子對(duì)理論是現(xiàn)代超導(dǎo)理論的基礎(chǔ)，該理論認(rèn)為超導(dǎo)態(tài)是由，該理論認(rèn)為超導(dǎo)態(tài)是由正則正則動(dòng)量為零動(dòng)量為零的超導(dǎo)電子組成的，它是的超導(dǎo)電子組成的，它是動(dòng)量空間的凝聚現(xiàn)象動(dòng)量空間的凝聚現(xiàn)象

12、，要發(fā)生凝聚，要發(fā)生凝聚現(xiàn)象，必須有吸引的作用存在。當(dāng)電子間存在這種凈吸引作用時(shí)，費(fèi)現(xiàn)象，必須有吸引的作用存在。當(dāng)電子間存在這種凈吸引作用時(shí)，費(fèi)米面附近存在米面附近存在一個(gè)動(dòng)量大小相等而方向相反且自旋相反的兩電子束縛一個(gè)動(dòng)量大小相等而方向相反且自旋相反的兩電子束縛態(tài)態(tài)，它的能量比兩個(gè)獨(dú)立的電子的總能量低，這種束縛態(tài)電子對(duì)稱為，它的能量比兩個(gè)獨(dú)立的電子的總能量低，這種束縛態(tài)電子對(duì)稱為庫柏電子對(duì)。庫柏電子對(duì)。u 庫柏認(rèn)為，只要兩個(gè)電子之間有庫柏認(rèn)為，只要兩個(gè)電子之間有凈的吸引作用凈的吸引作用，不管這種作用力多么，不管這種作用力多么微弱，它們都能形成束縛態(tài)。微弱，它們都能形成束縛態(tài)。u 這種吸引作用

13、有可能這種吸引作用有可能超過電子之間的庫侖排斥作用超過電子之間的庫侖排斥作用，而表現(xiàn)為凈的相，而表現(xiàn)為凈的相互吸引作用，這樣的兩個(gè)電子被稱為庫柏電子對(duì)?；ノ饔茫@樣的兩個(gè)電子被稱為庫柏電子對(duì)。u 從能量上看，組成庫柏對(duì)的兩個(gè)電子由于相互作用將從能量上看，組成庫柏對(duì)的兩個(gè)電子由于相互作用將導(dǎo)致勢(shì)能降低。導(dǎo)致勢(shì)能降低。LOGO如右圖所示：如右圖所示：電子在晶格點(diǎn)陣中運(yùn)動(dòng)，它對(duì)周圍的正離子有吸引作用，從而造成電子在晶格點(diǎn)陣中運(yùn)動(dòng)，它對(duì)周圍的正離子有吸引作用，從而造成，導(dǎo)致對(duì)另外電子的吸引作用。這樣兩個(gè)電子，導(dǎo)致對(duì)另外電子的吸引作用。這樣兩個(gè)電子。 、LOGOLOGO 自由電子經(jīng)由間接的吸引力結(jié)合

14、成庫柏電子對(duì)，庫自由電子經(jīng)由間接的吸引力結(jié)合成庫柏電子對(duì)，庫柏電子對(duì)相互也隨著晶格振動(dòng)產(chǎn)生的正負(fù)電荷區(qū)間柏電子對(duì)相互也隨著晶格振動(dòng)產(chǎn)生的正負(fù)電荷區(qū)間依序移動(dòng)，彼此不在碰撞，也就沒有電阻的產(chǎn)生。依序移動(dòng)，彼此不在碰撞，也就沒有電阻的產(chǎn)生。電子電子正電荷區(qū)正電荷區(qū)正電荷區(qū)正電荷區(qū)負(fù)電荷區(qū)負(fù)電荷區(qū)組成庫柏對(duì)的兩個(gè)電子之組成庫柏對(duì)的兩個(gè)電子之間的間的距離約為距離約為10-6m ，自，自旋與動(dòng)量均等值而相反，旋與動(dòng)量均等值而相反，所以每一庫柏對(duì)的所以每一庫柏對(duì)的動(dòng)量之動(dòng)量之和為零和為零 。 當(dāng)當(dāng) TTc 時(shí)，金屬內(nèi)的庫柏對(duì)開始形成（形成后體系能量下降），這時(shí)所有時(shí)，金屬內(nèi)的庫柏對(duì)開始形成（形成后體系能量

15、下降），這時(shí)所有的庫柏對(duì)都以大小和方向均相同的動(dòng)量運(yùn)動(dòng)，庫柏對(duì)在能量上的庫柏對(duì)都以大小和方向均相同的動(dòng)量運(yùn)動(dòng)，庫柏對(duì)在能量上比單個(gè)電子運(yùn)比單個(gè)電子運(yùn)動(dòng)要穩(wěn)定動(dòng)要穩(wěn)定，因此，體系中僅有庫柏對(duì)的運(yùn)動(dòng)，庫柏對(duì)電子，因此，體系中僅有庫柏對(duì)的運(yùn)動(dòng)，庫柏對(duì)電子與周圍其它電子沒與周圍其它電子沒有能量交換有能量交換，也就沒有電阻，金屬導(dǎo)體就具有了超導(dǎo)電性，也就沒有電阻，金屬導(dǎo)體就具有了超導(dǎo)電性 。庫柏對(duì)的數(shù)量。庫柏對(duì)的數(shù)量十分巨大十分巨大 , 當(dāng)它們向同一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)當(dāng)它們向同一方向運(yùn)動(dòng)時(shí), 就形成了超導(dǎo)電流就形成了超導(dǎo)電流 。 由于庫柏對(duì)引力并不大，當(dāng)溫度較高時(shí)，由于庫柏對(duì)引力并不大，當(dāng)溫度較高時(shí)，庫柏對(duì)被熱

16、運(yùn)動(dòng)打亂庫柏對(duì)被熱運(yùn)動(dòng)打亂而不能成對(duì)。而不能成對(duì)。同時(shí)，離子在晶格上強(qiáng)烈地不規(guī)則振動(dòng)，使形成庫柏對(duì)的作用大大減弱。同時(shí)，離子在晶格上強(qiáng)烈地不規(guī)則振動(dòng)，使形成庫柏對(duì)的作用大大減弱。LOGO零電阻效應(yīng)零電阻效應(yīng)當(dāng)溫度當(dāng)溫度T下降至某一數(shù)值下降至某一數(shù)值以下時(shí)，超導(dǎo)體的電阻突然變?yōu)榱?，這就稱以下時(shí)，超導(dǎo)體的電阻突然變?yōu)榱?，這就稱為超導(dǎo)體的為超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)零電阻效應(yīng)，也稱為，也稱為超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性。下圖是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。下圖是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。汞在液氦溫度附近電阻的變化行為汞在液氦溫度附近電阻的變化行為L(zhǎng)OGO超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納

17、效應(yīng)）指超導(dǎo)體處于外界磁場(chǎng)中，磁力線無法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通量指超導(dǎo)體處于外界磁場(chǎng)中，磁力線無法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通量為零。為零。1933年，年，邁斯納邁斯納(W. Meissner)發(fā)現(xiàn)，只要溫度低于超導(dǎo)臨界溫發(fā)現(xiàn)，只要溫度低于超導(dǎo)臨界溫度，則置于度，則置于外磁場(chǎng)中的超導(dǎo)體外磁場(chǎng)中的超導(dǎo)體就始終保持其就始終保持其內(nèi)部磁場(chǎng)為零內(nèi)部磁場(chǎng)為零，外部，外部磁場(chǎng)的磁力線統(tǒng)統(tǒng)被排斥在超導(dǎo)體之外。磁場(chǎng)的磁力線統(tǒng)統(tǒng)被排斥在超導(dǎo)體之外。即便是原來處在磁場(chǎng)中的即便是原來處在磁場(chǎng)中的正常態(tài)正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下降使它變成樣品，當(dāng)溫度下降使它變成超導(dǎo)超導(dǎo)體體時(shí)，也會(huì)把原來在體內(nèi)的磁場(chǎng)完全排出去，即時(shí)，也會(huì)把原來在體內(nèi)

18、的磁場(chǎng)完全排出去，即超導(dǎo)體具有完全超導(dǎo)體具有完全抗磁性抗磁性。這一現(xiàn)象被稱為。這一現(xiàn)象被稱為邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)，它是超導(dǎo)體的另一個(gè)獨(dú)立，它是超導(dǎo)體的另一個(gè)獨(dú)立的基本特性。的基本特性。LOGO超導(dǎo)體內(nèi)超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B總是等于零，即金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的總是等于零，即金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的磁磁化率化率為為 =M/H=-1, B= 0(1+ )H=0。超導(dǎo)體內(nèi)的磁化率為超導(dǎo)體內(nèi)的磁化率為-1(M為磁化強(qiáng)度，為磁化強(qiáng)度，B0 0 H)超導(dǎo)體的完全抗磁性如下圖所示：超導(dǎo)體的完全抗磁性如下圖所示：LOGO5.儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫材料u 常見的五種儲(chǔ)氫方法常見的五種儲(chǔ)氫方法u 儲(chǔ)氫合金的分類儲(chǔ)氫合金的分類L

19、OGO 儲(chǔ)氫方法儲(chǔ)氫方法 氫在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為空氣的氫在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為空氣的1/14。在氫能技術(shù)中，氫的儲(chǔ)。在氫能技術(shù)中，氫的儲(chǔ)存是最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。氫氣儲(chǔ)存方法主要有五種：存是最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。氫氣儲(chǔ)存方法主要有五種：高壓儲(chǔ)氫、液化儲(chǔ)氫、有機(jī)溶劑儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫和吸附儲(chǔ)氫。 （a）高壓儲(chǔ)氫）高壓儲(chǔ)氫 氫氣被壓縮后在氣缸里以氣體形式儲(chǔ)存，這種技術(shù)和壓縮氫氣被壓縮后在氣缸里以氣體形式儲(chǔ)存，這種技術(shù)和壓縮 天然氣、煤氣技術(shù)相類似天然氣、煤氣技術(shù)相類似 。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，常用。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，常用。 缺點(diǎn)：體積能量密度低（氫氣所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，僅缺點(diǎn)：體積能量密度低（氫氣所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，僅1w

20、t%2wt% 、能耗、能耗高高 ）；對(duì)容器耐壓性能高；安全性差。）；對(duì)容器耐壓性能高；安全性差。LOGO（b）液態(tài)儲(chǔ)氫）液態(tài)儲(chǔ)氫 液化儲(chǔ)氫是將氫氣液化后儲(chǔ)存在真空罐里液化儲(chǔ)氫是將氫氣液化后儲(chǔ)存在真空罐里 。 優(yōu)點(diǎn)：體積能量密度高。優(yōu)點(diǎn)：體積能量密度高。 缺點(diǎn)：液化耗能高缺點(diǎn)：液化耗能高(410kwh/kg)；易蒸發(fā)損失；對(duì)儲(chǔ)槽絕熱和耐；易蒸發(fā)損失；對(duì)儲(chǔ)槽絕熱和耐低溫性低溫性 能要求高。能要求高。LOGO（c）有機(jī)溶劑儲(chǔ)氫）有機(jī)溶劑儲(chǔ)氫 有機(jī)溶劑儲(chǔ)氫技術(shù)是借助苯、甲苯有機(jī)溶劑儲(chǔ)氫技術(shù)是借助苯、甲苯(Toluene，簡(jiǎn)，簡(jiǎn) 稱稱TOL)等儲(chǔ)氫劑與氫載體環(huán)己烷等儲(chǔ)氫劑與氫載體環(huán)己烷(Cyclohex

21、ane，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱Cy)、甲基環(huán)己烷、甲基環(huán)己烷(Methylcyclohexane，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱MCH)和氫氣的一對(duì)可逆反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)氫的儲(chǔ)和氫氣的一對(duì)可逆反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)氫的儲(chǔ)放，簡(jiǎn)稱放，簡(jiǎn)稱MTH系統(tǒng)系統(tǒng)(甲基環(huán)己烷、甲苯、氫氣甲基環(huán)己烷、甲苯、氫氣)和和CBH系統(tǒng)系統(tǒng)(環(huán)己烷、環(huán)己烷、苯、氫氣苯、氫氣)。該儲(chǔ)氫系統(tǒng)由儲(chǔ)氫劑的加氫反應(yīng)、氫載體的儲(chǔ)存、運(yùn)輸。該儲(chǔ)氫系統(tǒng)由儲(chǔ)氫劑的加氫反應(yīng)、氫載體的儲(chǔ)存、運(yùn)輸及氫載體的脫氫反應(yīng)及氫載體的脫氫反應(yīng)3個(gè)過程組成。個(gè)過程組成。 優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)氫量高（苯為優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)氫量高（苯為7.19wt%、甲苯為、甲苯為6.18wt%）；可利用現(xiàn)有）；可利用現(xiàn)有設(shè)備；儲(chǔ)運(yùn)簡(jiǎn)單。設(shè)備；儲(chǔ)

22、運(yùn)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：吸放氫工藝復(fù)雜，脫氫溫度高；脫氫催化劑不穩(wěn)定；有機(jī)化缺點(diǎn)：吸放氫工藝復(fù)雜，脫氫溫度高；脫氫催化劑不穩(wěn)定；有機(jī)化合物的循環(huán)利用性差。合物的循環(huán)利用性差。LOGO（d） 金屬氫化物儲(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)氫 金屬合金儲(chǔ)氫主要是利用元素周期表中金屬合金儲(chǔ)氫主要是利用元素周期表中A族堿金族堿金屬、屬、A族堿土金屬、族堿土金屬、BB族過渡金屬、稀土金屬、金屬族過渡金屬、稀土金屬、金屬間化合物等與氫氣反應(yīng)生成金屬氫化物來儲(chǔ)氫，氫表現(xiàn)為間化合物等與氫氣反應(yīng)生成金屬氫化物來儲(chǔ)氫，氫表現(xiàn)為H-和和H+之間的中間特性之間的中間特性 。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：無需高壓及隔熱容器；無需高壓及隔熱容器；安全性強(qiáng)。安全性強(qiáng)

23、。 缺點(diǎn)：金屬價(jià)格昂貴；儲(chǔ)氫量低（缺點(diǎn)：金屬價(jià)格昂貴；儲(chǔ)氫量低（6wt%)。 儲(chǔ)存介質(zhì)儲(chǔ)存介質(zhì)存在狀態(tài)存在狀態(tài)氫相對(duì)密度氫相對(duì)密度儲(chǔ)氫量?jī)?chǔ)氫量(wt.%)儲(chǔ)氫量?jī)?chǔ)氫量(g/mL)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)H2氣態(tài)氣態(tài)(1 atm)11000.00008高壓高壓 H2氣態(tài)氣態(tài)(150 atm)150100 (0.80 *a)0.012液態(tài)液態(tài) H2液態(tài)液態(tài)778100 (5.0 *b)0.062MgH2固態(tài)固態(tài)12227.600.098LaNi5H6固態(tài)固態(tài)11481.370.092TiFeH1.95固態(tài)固態(tài)10561.850.084Mg2NiH4固態(tài)固態(tài)10373.600.083VH2固態(tài)固態(tài)19443.8

24、10.156LOGO（e） 物理吸附儲(chǔ)氫物理吸附儲(chǔ)氫 利用吸附儲(chǔ)氫材料對(duì)氫分子的吸附作用而儲(chǔ)氫。吸利用吸附儲(chǔ)氫材料對(duì)氫分子的吸附作用而儲(chǔ)氫。吸附儲(chǔ)氫材料主要有分子篩、活性炭、高比表面積活性炭、新型吸附劑附儲(chǔ)氫材料主要有分子篩、活性炭、高比表面積活性炭、新型吸附劑（碳納米管、碳納米纖維和納米石墨等碳納米材料（碳納米管、碳納米纖維和納米石墨等碳納米材料 ）等。）等。 碳納米管 1997.3 單壁碳納米管中的儲(chǔ)氫單壁碳納米管中的儲(chǔ)氫 nature 1999.7 堿摻雜的碳納米管在常壓常溫下的高吸氫量堿摻雜的碳納米管在常壓常溫下的高吸氫量science 1999.11 室溫下在單壁碳納米管上的儲(chǔ)氫室溫

25、下在單壁碳納米管上的儲(chǔ)氫science5wt%20wt% 2010.2 回顧碳納米管儲(chǔ)氫回顧碳納米管儲(chǔ)氫carbon 19982010，CNTS儲(chǔ)氫量逐年下降儲(chǔ)氫量逐年下降 玻璃微球 直徑25500um，球壁厚度1um，15%42%。LOGO（f）配位氫化物儲(chǔ)氫）配位氫化物儲(chǔ)氫 堿金屬或堿土金屬與第三主族元素可與氫形成配堿金屬或堿土金屬與第三主族元素可與氫形成配位氫化物，其與金屬氫化物的區(qū)別主要在于其在吸氫過程中向離子或位氫化物，其與金屬氫化物的區(qū)別主要在于其在吸氫過程中向離子或共價(jià)化合物轉(zhuǎn)變，也稱為離子型氫化物?？蒲腥藛T開發(fā)了氫化硼鈉共價(jià)化合物轉(zhuǎn)變，也稱為離子型氫化物。科研人員開發(fā)了氫化硼鈉

26、（NaBH4）和氫化硼鉀（）和氫化硼鉀（KBH4）等氫化物儲(chǔ)氫材料，它們通過加水）等氫化物儲(chǔ)氫材料，它們通過加水分解反應(yīng)可產(chǎn)生比其自身含氫量還多的氫氣。分解反應(yīng)可產(chǎn)生比其自身含氫量還多的氫氣。堿金屬、堿土金屬配位氫化物的通式為堿金屬、堿土金屬配位氫化物的通式為A(MH4)n，其中，其中A一般為堿金一般為堿金屬（屬（Li、Na、K等）或堿土金屬（等）或堿土金屬（Mg、Ca等），等），M則為第三主族的則為第三主族的B或或Al，n視金屬視金屬A的化合價(jià)而定的化合價(jià)而定(1或或2)。 NaBH4+2H2ONaBO2+4H2 NaAlH4 7.47 wt.% LiAlH4 10.62 wt.% KBH4

27、 7.47 wt.% NaBH4 11.66 wt.% LiBH4 18.51 wt.% NH3BH3 12.9 wt.%LOGO儲(chǔ)氫合金的種類儲(chǔ)氫合金的種類儲(chǔ)氫合金主要分為鎂系（儲(chǔ)氫合金主要分為鎂系（A2B型）型） 、鑭（稀土）系（、鑭（稀土）系（AB5型）、型）、鈦系（鈦系（AB型）、鋯（釩）系（型）、鋯（釩）系（AB2型）型）4大系。大系。 （1）鎂系）鎂系 以以Mg2Ni為代表，資源豐富、價(jià)格低廉和儲(chǔ)氫密度大（為代表，資源豐富、價(jià)格低廉和儲(chǔ)氫密度大（Mg的理論儲(chǔ)氫密度為的理論儲(chǔ)氫密度為7.6wt%），被認(rèn)為是最具潛力的儲(chǔ)氫材料。但鎂系合），被認(rèn)為是最具潛力的儲(chǔ)氫材料。但鎂系合金作為儲(chǔ)氫

28、材料的缺點(diǎn)是，鎂表面容易形成一層致密的氧化膜而難以活金作為儲(chǔ)氫材料的缺點(diǎn)是，鎂表面容易形成一層致密的氧化膜而難以活化，而且反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能差、吸放氫速度慢、工作溫度高、在通常狀況化，而且反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能差、吸放氫速度慢、工作溫度高、在通常狀況下氫化過程不可逆且耐腐蝕性差等。下氫化過程不可逆且耐腐蝕性差等。Mg2Ni兩種改良型：兩種改良型：Mg2-xMxNi （MCa、Al）優(yōu)點(diǎn)：易形成氫化物，分解反應(yīng)速度比優(yōu)點(diǎn)：易形成氫化物，分解反應(yīng)速度比Mg2Ni增大增大40以上；以上；通過控制通過控制Al、Ca與與Mg的置換量，可以調(diào)節(jié)平衡壓。的置換量，可以調(diào)節(jié)平衡壓。Mg2Ni1-xMx （MV、Cr、Mn

29、、Fe、Zn等）等）優(yōu)點(diǎn)：氫化速度和分解速度均得到顯著提高優(yōu)點(diǎn)：氫化速度和分解速度均得到顯著提高M(jìn)g2Ni0.95Cr0.05的氫化速度和分解速度均得到改善，氫壓為的氫化速度和分解速度均得到改善，氫壓為4個(gè)大氣壓和個(gè)大氣壓和296條件下可形成氫化物條件下可形成氫化物Mg2Ni0.95Cr0.05H3.9。 LOGO（2）稀土系）稀土系 以以LaNi5為代表，被認(rèn)為是儲(chǔ)氫合金中應(yīng)用性能最好的一為代表，被認(rèn)為是儲(chǔ)氫合金中應(yīng)用性能最好的一類。類。 稀土系合金具有儲(chǔ)氫速度快、易活化、不易中毒等優(yōu)點(diǎn)，但其吸氫稀土系合金具有儲(chǔ)氫速度快、易活化、不易中毒等優(yōu)點(diǎn)，但其吸氫后會(huì)發(fā)生晶格膨脹、合金易粉碎、鑭系金屬

30、價(jià)格高、循環(huán)退化嚴(yán)重等。后會(huì)發(fā)生晶格膨脹、合金易粉碎、鑭系金屬價(jià)格高、循環(huán)退化嚴(yán)重等。 因此，現(xiàn)多采用以因此，現(xiàn)多采用以Mm(混合稀土（混合稀土（La，Ce， Sm）)、Ca、Ti等置等置換部分換部分La，并以，并以M（Al，Cu，F(xiàn)e，Mn, Ga，In，Sn，B，Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir）等置換部分等置換部分Ni的多元合金改善其性能。如在混合的多元合金改善其性能。如在混合稀土材料中加入稀土材料中加入Mn，可以擴(kuò)大儲(chǔ)氫材料晶格的吸氫能力，添加，可以擴(kuò)大儲(chǔ)氫材料晶格的吸氫能力，添加Co和和Al又可制約又可制約Mn的偏析；以的偏析；以Sn部分替代部分替代MlNi5中（中（Ml：富含：富

31、含La和和Nd的混合稀土金屬）的的混合稀土金屬）的Ni可極大地改善合金的活化性能，而且隨可極大地改善合金的活化性能，而且隨Sn含量的增加，表面氫化物穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。其中，以含量的增加，表面氫化物穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。其中，以Al部分替代部分替代LaNi5中中Ni的研究最受關(guān)注，因?yàn)榈难芯孔钍荜P(guān)注，因?yàn)锳l置換部分置換部分Ni后，顯著改善了后，顯著改善了LaNi5的吸附性能和穩(wěn)定性。的吸附性能和穩(wěn)定性。Gupta從電子角度研究表明，用從電子角度研究表明，用Cu等等3d系列金屬或系列金屬或Al、Sn等等s-p系列金屬替代系列金屬替代LaNi5中的中的Ni，可極大地影響，可極大地影響合金性能，有望提高其儲(chǔ)

32、氫容量，但卻會(huì)影響儲(chǔ)氫合金的穩(wěn)定性。合金性能，有望提高其儲(chǔ)氫容量，但卻會(huì)影響儲(chǔ)氫合金的穩(wěn)定性。Smardz等制備的納米等制備的納米LaNi4.2Al0.8合金，儲(chǔ)氫性能得到顯著改善。合金，儲(chǔ)氫性能得到顯著改善。LOGO（3）鈦系）鈦系 如鈦鐵、鈦錳、鈦鉻、鈦鋯、鈦銅等，它們除鈦鐵為如鈦鐵、鈦錳、鈦鉻、鈦鋯、鈦銅等，它們除鈦鐵為AB型型外，其余都為外，其余都為AB2型系列合金。鈦系儲(chǔ)氫合金中以鈦鐵、鈦錳儲(chǔ)氫合金最型系列合金。鈦系儲(chǔ)氫合金中以鈦鐵、鈦錳儲(chǔ)氫合金最為實(shí)用，因?yàn)樗鼈儽容^便宜，性能也較好，正在受到人們的重視。為實(shí)用，因?yàn)樗鼈儽容^便宜，性能也較好，正在受到人們的重視。TiFe合金是鈦系儲(chǔ)氫

33、合金的代表，理論儲(chǔ)氫密度約為合金是鈦系儲(chǔ)氫合金的代表，理論儲(chǔ)氫密度約為1.8wt%，具有，具有CsCl型結(jié)型結(jié)構(gòu)。構(gòu)。TiFe合金的優(yōu)點(diǎn)是資源豐富，成本低，合金活化后，在室溫下即可合金的優(yōu)點(diǎn)是資源豐富，成本低，合金活化后，在室溫下即可吸放大量的氫，易于工業(yè)化生產(chǎn)；其缺點(diǎn)是合金活化困難，需要在較高吸放大量的氫，易于工業(yè)化生產(chǎn)；其缺點(diǎn)是合金活化困難，需要在較高溫度壓力下進(jìn)行，并且容易受雜質(zhì)氣體的影響。溫度壓力下進(jìn)行，并且容易受雜質(zhì)氣體的影響。為了克服這些缺點(diǎn)，需要開發(fā)出更實(shí)用的儲(chǔ)氫合金。研為了克服這些缺點(diǎn)，需要開發(fā)出更實(shí)用的儲(chǔ)氫合金。研究者在二元合金的基礎(chǔ)上，用其它元素（究者在二元合金的基礎(chǔ)上，用

34、其它元素（Co、Cr、Mo、V、Mn等）代替部分等）代替部分Fe，已開發(fā)出了一系列，已開發(fā)出了一系列TiFe合金，合金，如如TiFe0.8Mn0.18Al0.02、TiFe0.8Ni0.15V0.05、TiMn0.5Co0.5、TiCo0.75Cr0.25等。有人研究了等。有人研究了Ti0.95M0.05Co和和TiCo0.95M0.05（M=Cr、Cu、Fe、La、Mn、Ni、V）系列合金，發(fā)現(xiàn)）系列合金，發(fā)現(xiàn)TiCo0.95Fe0.05H1.4和和TiCo0.95Mn0.05H1.4作為儲(chǔ)氫合金具有令作為儲(chǔ)氫合金具有令人滿意的特性。人滿意的特性。TiNi合金比較容易活化，但在室溫下吸放合金

35、比較容易活化，但在室溫下吸放氫量小，平臺(tái)壓力也比較低。氫量小，平臺(tái)壓力也比較低。TiNi合金在堿液中具有良好合金在堿液中具有良好的耐蝕性，可用做氫化物電極材料。的耐蝕性，可用做氫化物電極材料。 LOGO（4）鋯系）鋯系 以以ZrMn2為代表，該合金具有吸放氫量大（理論儲(chǔ)氫密度為代表，該合金具有吸放氫量大（理論儲(chǔ)氫密度1.5wt%）、易于活化、反應(yīng)速度快、無滯后效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但吸放氫平臺(tái)）、易于活化、反應(yīng)速度快、無滯后效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但吸放氫平臺(tái)低、價(jià)格昂貴、穩(wěn)定性較差。低、價(jià)格昂貴、穩(wěn)定性較差。采用采用Ti代替部分代替部分Zr，并用，并用Fe、Co、Ni等代替部分等代替部分V、Cr、Mn等研制的多元

36、鋯系儲(chǔ)氫合金，則性能更優(yōu)。為等研制的多元鋯系儲(chǔ)氫合金，則性能更優(yōu)。為了改善其穩(wěn)定性，研究者一般采用多元合金復(fù)合的方了改善其穩(wěn)定性，研究者一般采用多元合金復(fù)合的方法，如法，如Zr(Mn-V-Ni-M)2+a（M代表代表Cr、Fe、Ni、Mn、 V、 Co，0a1）系列合金。）系列合金。Ti17Zr16Ni39V22Cr7 已成已成功用于鎳氫電池。有功用于鎳氫電池。有寬廣的元素替代容限寬廣的元素替代容限，設(shè)計(jì)不同，設(shè)計(jì)不同的合金成分用來滿足高容量，高放電率，長(zhǎng)壽命，低的合金成分用來滿足高容量，高放電率，長(zhǎng)壽命，低成本不同的要求。成本不同的要求。LOGO6.半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料u半導(dǎo)體材料分類：半導(dǎo)

37、體材料分類：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、固溶體半導(dǎo)體、非晶態(tài)半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體、非晶態(tài)半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體。u硅的制備方法硅的制備方法u光生伏特效應(yīng)及其原理（光生伏特效應(yīng)及其原理（P195）LOGOu元素半導(dǎo)體u元素半導(dǎo)體大約有十幾種處于IIIA族-VIIA族的金屬與非金屬的交界處，如Si、Ge、B、Se、Te以及S、P、As、Sb、Sn等的同素異形體。u硅在整個(gè)半導(dǎo)體材料占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。目前，90以上的半導(dǎo)體器件和電路都是用Si來制作的。周期BAAAAA2硼B(yǎng)碳C氮N3鋁Al硅Si磷P硫S4鋅Zn鎵Ga鍺Ge砷As硒Se5鎘Cd銦In錫Sn銻Sb碲Te碘ILOG

38、Ou化合物半導(dǎo)體u （1）二元化合物半導(dǎo)體u a. IIIA族和VA族元素組成的IIIA-VA族化合物半導(dǎo)體。即Al、Ga、In和P、As、Sb組成的9種IIIA-VA族化合物半導(dǎo)體，如AlP、AlAs、Alsb、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb等。u b. IIB族和VIA族元家組成的IIB-VIA族化合物半導(dǎo)體，即Zn、Cd、Hg與S、Se、Te成的12種IIB-VIA族化合物半導(dǎo)體，如CdS、CdTe、CdSe等。u c. IVA族元素之間組成的IVA-IVA族化合物半導(dǎo)體，如SiC等。u d. IVA和VIA族元素組成的IVA-VIA族化合物半導(dǎo)體，如GeS、Ge

39、Se、SnTe、PbS、PbTe等共9種。u e. VA族和VIA族元素組成的VA-VIA族化合物半導(dǎo)體，如AsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3等。 u （2）多元化合物半導(dǎo)體u a. IB-IIIA -(VIA)2組成的多元化合物半導(dǎo)體，如AgGeTe2等。u b. IB-VA-(VIA)2組成的多元化合物半導(dǎo)體，如AgAsSe2等。u c. (IB)2-IIB-IVA-(VIA)4組成的多元化合物半導(dǎo)體，如Cu2CdSnTe4等。LOGO固溶體半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體固溶體是由固溶體是由二個(gè)或多個(gè)晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物二個(gè)或多個(gè)晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物相互溶合而成。相互溶合而成。元元素半

40、導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體相互溶解而成的半導(dǎo)體材料稱為固溶體半導(dǎo)素半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體相互溶解而成的半導(dǎo)體材料稱為固溶體半導(dǎo)體。它的一個(gè)重要特性是體。它的一個(gè)重要特性是禁帶寬度（禁帶寬度（Eg）隨固溶度的成分變化）隨固溶度的成分變化，因此，因此可以利用固溶體得到有多種性質(zhì)的半導(dǎo)體材料。例如可以利用固溶體得到有多種性質(zhì)的半導(dǎo)體材料。例如Ge-Si固溶體固溶體Eg的變化范圍約在的變化范圍約在0.71.2ev，GaAs-GaP固溶體固溶體Eg變化范圍約在變化范圍約在1.352.25ev。所以可以利用。所以可以利用GaAs1-xPx，隨，隨x變化而作出能發(fā)不同波長(zhǎng)變化而作出能發(fā)不同波長(zhǎng)的發(fā)光二極管。的發(fā)光二極

41、管。Sb2Te3-Bi2Te3相相Bi2Se3-Bi2Te3是較好的溫差電材料。是較好的溫差電材料。固溶體半導(dǎo)體用于制備光電子器件、各種波長(zhǎng)的激光器、探測(cè)器、光固溶體半導(dǎo)體用于制備光電子器件、各種波長(zhǎng)的激光器、探測(cè)器、光電子集成電路、特種晶體管等電子集成電路、特種晶體管等 。又有又有二元系和三元系二元系和三元系之分。如之分。如A-A組成的組成的Ge-Si固溶體，固溶體，VA-VA組組成的成的Bi-Sb二元系固溶體；二元系固溶體；(A-VA)-(A-VA)組成的三元化合物固溶組成的三元化合物固溶體，如體，如GaAs-GaP組成的鎵砷磷組成的鎵砷磷(Ga-As1-xPx)固溶體和固溶體和(A-A)

42、-(A-A)組成的，如組成的，如HgTe-CdTe兩個(gè)二元化合物組成的連續(xù)固溶體碲鎘汞兩個(gè)二元化合物組成的連續(xù)固溶體碲鎘汞 (Hg1-xCdxTe)等。等。LOGOu非晶態(tài)半導(dǎo)體u非晶態(tài)物質(zhì)的特征是原子排列沒有規(guī)律。從長(zhǎng)程看雜亂無章，有時(shí)也叫無定形物質(zhì)。在非晶態(tài)材料中有一些在常態(tài)下是絕緣體或高阻體，但是在達(dá)到一定值的外界條件（如電場(chǎng)、光、溫度等）時(shí)，就呈現(xiàn)出半導(dǎo)體電性能，稱之為非晶態(tài)半導(dǎo)體材料，也叫玻璃態(tài)半導(dǎo)體。主要有非晶Si、非晶Ge、非晶Te、非晶Se等元素半導(dǎo)體及GeTe，As2Te3，Se2As3等非晶化合物半導(dǎo)體。非晶態(tài)半導(dǎo)體材料在開關(guān)元件、記憶元件、固體顯示、熱敏電阻和太陽能電池等

43、的應(yīng)用方面都有令人鼓舞的前景。例如，a-Si : H 太陽能電池產(chǎn)量已占總太陽能電池產(chǎn)量的30，它不僅占領(lǐng)了計(jì)算器等家用電器電源的市場(chǎng)，而且裝備了太陽能電池汽車和模型飛機(jī)；500kW的電站己投入試運(yùn)行。LOGO有機(jī)半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體分為有機(jī)分子晶體、有機(jī)分子絡(luò)合物和高分子聚合物，一般指具有半導(dǎo)體性質(zhì)的碳-碳雙鍵有機(jī)化合物，苯的衍生物，萘、蒽等。一些有機(jī)半導(dǎo)體具有良好的性能，如聚乙烯咔唑衍生物有良好的光電導(dǎo)特性，光照后電導(dǎo)率可改變兩個(gè)數(shù)量級(jí)。C60也屬有機(jī)半導(dǎo)體。LOGOu 超過超過98%的電子元件是使用單晶硅作用基礎(chǔ)材料制備的電子元件是使用單晶硅作用基礎(chǔ)材料制備，在迅速發(fā)展，在迅速發(fā)展的太陽能發(fā)

44、電工程中，由于單晶硅材料有較高的光電轉(zhuǎn)換率，因此也的太陽能發(fā)電工程中，由于單晶硅材料有較高的光電轉(zhuǎn)換率，因此也占據(jù)了重要的地位。單晶硅制備主要有兩種方法：占據(jù)了重要的地位。單晶硅制備主要有兩種方法：CZ，F(xiàn)Z。u CZ-直拉法直拉法，主要用于低功率集成電路、晶體管、太陽能電池等。其，主要用于低功率集成電路、晶體管、太陽能電池等。其特點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)單晶大直徑化，設(shè)備和工藝巳比較成熟，特點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)單晶大直徑化，設(shè)備和工藝巳比較成熟，該方法生產(chǎn)該方法生產(chǎn)的單晶占硅單晶總量的的單晶占硅單晶總量的85%以上以上。u FZ-懸浮區(qū)熔懸浮區(qū)熔，用高頻加熱懸浮生長(zhǎng)，能生產(chǎn)高阻、高純、高壽命的，用高頻加熱懸浮生

45、長(zhǎng)，能生產(chǎn)高阻、高純、高壽命的高質(zhì)量單晶，主要用于探測(cè)器，大功率可控整流元件，包括能使轉(zhuǎn)換高質(zhì)量單晶，主要用于探測(cè)器，大功率可控整流元件，包括能使轉(zhuǎn)換率超過率超過20%以上的太陽能單晶。以上的太陽能單晶。LOGO7.光學(xué)材料光學(xué)材料u激光材料激光材料u 激光產(chǎn)生的原理：受激輻射激光產(chǎn)生的原理：受激輻射u 紅寶石激光晶體的組成、原理及用途紅寶石激光晶體的組成、原理及用途u 激光的特點(diǎn)激光的特點(diǎn)u光纖材料光纖材料u 光纖通信的原理光纖通信的原理u 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)u紅外材料紅外材料u 紅外輻射材料和透紅外材料紅外輻射材料和透紅外材料u液晶材料液晶材料u 液晶材料分類液晶材料分類u 向列型液晶、

46、近晶型液晶、膽甾型液晶向列型液晶、近晶型液晶、膽甾型液晶LOGO38(c)：受激輻射：受激輻射處于高能級(jí)態(tài)的原子在一定條件下的輻射場(chǎng)作用下，躍遷到低處于高能級(jí)態(tài)的原子在一定條件下的輻射場(chǎng)作用下，躍遷到低能級(jí)態(tài)，并同時(shí)輻射出一個(gè)與入射光子完全一樣的光子。能級(jí)態(tài)，并同時(shí)輻射出一個(gè)與入射光子完全一樣的光子。宏觀表現(xiàn)：光被放大宏觀表現(xiàn)：光被放大LOGOu用一個(gè)光子去激發(fā)位于高能級(jí)的電子或離子，使之放出光子，受激發(fā)射產(chǎn)生的光就是激光。u如果使材料中多數(shù)能發(fā)生受激輻射的原子或離子都處于激發(fā)狀態(tài)，再用外界光感應(yīng)，使所有處于激發(fā)狀態(tài)的原子和離子幾乎同時(shí)產(chǎn)生受激輻射而回到低能態(tài)，將發(fā)出具有強(qiáng)大能量密度的光束。高

47、能激光束高能激光束LOGO激光特點(diǎn)及應(yīng)用激光特點(diǎn)及應(yīng)用方向性好：亮度高：亮度高：由于激光的發(fā)射能力強(qiáng)和能量的高度集中，所以亮度很高，由于激光的發(fā)射能力強(qiáng)和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高億萬倍，比太陽表面的亮度高幾百億倍。亮度是衡量它比普通光源高億萬倍，比太陽表面的亮度高幾百億倍。亮度是衡量一個(gè)光源質(zhì)量的重要指標(biāo)，若將中等強(qiáng)度的激光束經(jīng)過會(huì)聚，可在焦一個(gè)光源質(zhì)量的重要指標(biāo)，若將中等強(qiáng)度的激光束經(jīng)過會(huì)聚，可在焦點(diǎn)出產(chǎn)生幾千到幾萬度的高溫。點(diǎn)出產(chǎn)生幾千到幾萬度的高溫。發(fā)散角?。喊l(fā)散角?。杭す馄靼l(fā)射的激光，天生就是朝一個(gè)方向射出，光束的發(fā)激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個(gè)方向射出，光束的發(fā)

48、散角極小，大約為散角極小，大約為0.001rad，接近平行。，接近平行。1962年，人類第一次用年，人類第一次用激光照射月球，地球距離月球的距離大約為激光照射月球，地球距離月球的距離大約為38萬公里，但激光在月萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。球表面的光斑不到兩公里。LOGO41激光能量在時(shí)間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百激光能量在時(shí)間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮萬度的高溫。激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點(diǎn)。度的特點(diǎn)。激光測(cè)距激光測(cè)距LOGO42單色性好：?jiǎn)紊院茫汗獾念伾晒獾牟煌ㄩL(zhǎng)決定，不同

49、的顏色，是不同波長(zhǎng)光的顏色由光的不同波長(zhǎng)決定，不同的顏色，是不同波長(zhǎng)的光作用于人的視覺的不同而反映出來。激光的波長(zhǎng)基本一的光作用于人的視覺的不同而反映出來。激光的波長(zhǎng)基本一致，譜線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。由于這個(gè)特性，致，譜線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。由于這個(gè)特性，激光傳遞信息的容量大，實(shí)現(xiàn)光通信。激光傳遞信息的容量大，實(shí)現(xiàn)光通信。 計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單色性好的特點(diǎn)。計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單色性好的特點(diǎn)。光纜光纜舞臺(tái)效果舞臺(tái)效果LOGO43相干性好：相干性好：相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品質(zhì)不同，導(dǎo)相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品

50、質(zhì)不同，導(dǎo)致它們的相干性也有高低之分。普通光是自發(fā)輻射光，不會(huì)致它們的相干性也有高低之分。普通光是自發(fā)輻射光，不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。激光不同于普通光源，它是受激輻射光，具產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。激光不同于普通光源，它是受激輻射光，具有極強(qiáng)的相干性，所以稱為相干光。有極強(qiáng)的相干性，所以稱為相干光。激光具有很好的相干性。普通光源的相干長(zhǎng)度約為激光具有很好的相干性。普通光源的相干長(zhǎng)度約為1 1毫米毫米至幾十厘米，激光可達(dá)幾十公里。全息照相、全息存儲(chǔ)等就至幾十厘米，激光可達(dá)幾十公里。全息照相、全息存儲(chǔ)等就利用了相干性好的特點(diǎn)。利用了相干性好的特點(diǎn)。LOGO 全息攝影亦稱：全息攝影亦稱：“全息照相全息照相”，一種利用

51、波的干涉記錄被攝物體反，一種利用波的干涉記錄被攝物體反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技術(shù)。全息攝影是射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技術(shù)。全息攝影是通過一束參考光和被攝物體上反射的光疊加在感光片上產(chǎn)生干涉條通過一束參考光和被攝物體上反射的光疊加在感光片上產(chǎn)生干涉條紋而成。全息攝影不僅記錄被攝物體反射光波的振幅（強(qiáng)度），而紋而成。全息攝影不僅記錄被攝物體反射光波的振幅（強(qiáng)度），而且還記錄反射光波的相對(duì)相位，因此得到的照片顯得更加立體。且還記錄反射光波的相對(duì)相位，因此得到的照片顯得更加立體。LOGOu 典型的激光材料：摻雜型激光晶體有稀土激活離子和過渡族激活離子兩大類，前者以

52、摻Nd釔鋁石榴石 (Nd3+：YAG)為代表，后者以紅寶石(Cr3+：Al2O3)為代表。u 紅寶石是在晶體氧化鋁(Al2O3)中摻入少量的Cr2O3，由Cr3+部分取代Al3+而成，激活離子Cr3+。晶體顏色為淡紅色，它是剛玉的一種。u 能級(jí)結(jié)構(gòu)：鉻失去的三個(gè)電子躍遷形成高能級(jí)電子，在光的激發(fā)下可受激發(fā)射而發(fā)光。u 紅寶石激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為可見紅光，很容易進(jìn)行探測(cè)和定量測(cè)量，在激光器的基礎(chǔ)研究、強(qiáng)光光學(xué)研究、激光光譜研究、激光全息技術(shù)、激光雷達(dá)與測(cè)距方面有廣泛應(yīng)用。紅寶石激光器紅寶石激光器LOGO46光通信正是利用了全反射原理，當(dāng)光的注入角滿足一定條件光通信正是利用了全反射原理，當(dāng)光的注入角

53、滿足一定條件時(shí)，光便能在光纖時(shí)，光便能在光纖(光波導(dǎo)光波導(dǎo))內(nèi)形成全反射，從而達(dá)到長(zhǎng)距離內(nèi)形成全反射，從而達(dá)到長(zhǎng)距離傳輸?shù)哪康?。傳輸?shù)哪康摹０鼘影鼘?n2纖芯纖芯 n1光纖光纖中心中心軸線軸線 090- 0 包層包層 n2空氣空氣 n0 1結(jié)論：結(jié)論：光纖傳光的原理是光的全反射；光纖傳光的原理是光的全反射；只有當(dāng)入射進(jìn)光纖芯子中的光與光纖軸線交角小于一定值時(shí)，只有當(dāng)入射進(jìn)光纖芯子中的光與光纖軸線交角小于一定值時(shí)，光線才能被耦合進(jìn)入光纖傳播；光線才能被耦合進(jìn)入光纖傳播；1. 無論光源發(fā)射功率有多大，只有無論光源發(fā)射功率有多大，只有2i0張角之內(nèi)的光功率能被光張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。纖接

54、受傳播。LOGO光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)涂涂 層層包包 層層纖芯纖芯高石英玻璃高石英玻璃有損耗石英玻璃有損耗石英玻璃一次被覆層（變性硅）一次被覆層（變性硅）硅樹脂硅樹脂二次被覆層（尼龍）二次被覆層（尼龍）LOGOu紅外輻射材料 常用的發(fā)射率較高的紅外輻射材料有常用的發(fā)射率較高的紅外輻射材料有碳、石墨、氧化物、碳、石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物碳化物、氮化物以及硅化物等。等。 紅外輻射搪瓷、紅外輻射陶瓷以及紅外輻射涂料等紅外輻射搪瓷、紅外輻射陶瓷以及紅外輻射涂料等是一般是一般紅外輻射材料通常使用形式。紅外輻射材料通常使用形式。 紅外輻射涂料通常涂敷在熱物體表面構(gòu)成紅外輻射體。紅紅外輻射涂料通

55、常涂敷在熱物體表面構(gòu)成紅外輻射體。紅外輻射涂料中一般都選用在工作溫度范圍內(nèi)發(fā)射率高的材外輻射涂料中一般都選用在工作溫度范圍內(nèi)發(fā)射率高的材料。紅外輻射涂料由輻射材料的粉末與粘接劑（無機(jī)）等料。紅外輻射涂料由輻射材料的粉末與粘接劑（無機(jī)）等按適當(dāng)比例混合配制而成。按適當(dāng)比例混合配制而成。 LOGO 透紅外材料透紅外材料u 透紅外材料指的是對(duì)紅外線透過率高的材料。u 1. 常用紅外材料u 透紅外晶體材料包括離子晶體和半導(dǎo)體晶體兩種。離子晶體主要包括堿鹵化合物晶體，堿土-鹵族化合物晶體，某些氧化物晶體和無機(jī)鹽晶體。半導(dǎo)體晶體主要包括IVA族單元素晶體，IIIA-VA族化合物和IIB-VIA族化合物晶體

56、等。 u 堿鹵化合物晶體有LiF、NaF、NaCl、KCl、KBr、KI、RbCl、RbBr、RbI、CsBr、CsI 等。一般說來，這類材料的熔點(diǎn)不高、比較容易培養(yǎng)成大單晶，其退火工藝也不十分復(fù)雜，同時(shí)也較容易實(shí)現(xiàn)光學(xué)均勻性。u 金屬鉈和鹵族元素化合物的單晶，例如TlBr、TlC1以及混合晶體KRS-5(TlBr-TlI)與KRS-6(TlBr-TlCl)等也是一類常用的透紅外材料。它們具有相當(dāng)寬的透射波段，同時(shí)僅微溶于水。LOGO液晶的分類液晶的分類u 按液晶形成的條件，可將液晶分為熱致性液晶和溶致性液晶兩類。（1）熱致性液晶：通過加熱熔融而呈現(xiàn)液晶態(tài)的物質(zhì)稱為熱致性液晶，多數(shù)液晶是熱致性

57、液晶。通常采用降溫的方法，將熔融的液體降溫，當(dāng)降溫到一定程度后分子的取向有序化，從而獲得液晶態(tài)。（2）溶致性液晶：因加入溶劑（在某一濃度范圍內(nèi)）而呈現(xiàn)液晶態(tài)的物質(zhì)稱為溶致性液晶。當(dāng)有機(jī)分子溶解在溶劑中，隨溶液中溶質(zhì)的濃度增加，溶劑的濃度減小，有機(jī)分子的排列有序而獲得液晶。 固 體熱冷液 晶熱冷液 體固體H2O液晶-H2OH2O(片層狀）-H2O液晶(立方狀）液晶(六角形）液晶膠束均質(zhì)溶液H2O-H2OH2O-H2OH2O-H2OH2O-H2OLOGO除了這兩類液晶物質(zhì)外，人們還發(fā)現(xiàn)了在外力場(chǎng)（壓力、流動(dòng)場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和光場(chǎng)等）作用下形成的液晶。例如聚乙烯在某一壓力下可出現(xiàn)液晶態(tài)，是一種壓致型液

58、晶。聚對(duì)苯二甲酰對(duì)氨基苯甲酰肼在施加流動(dòng)場(chǎng)后可呈現(xiàn)液晶態(tài)，因此屬于流致型液晶。LOGOu按液晶內(nèi)部分子排列形式和有序程度分類熱致性液晶可分為近晶型液晶態(tài)、向列型液晶態(tài)和膽甾型液晶態(tài)；溶致性液晶可分為層狀相液晶態(tài)、“雙連續(xù)”立方相液晶態(tài)、六角相液晶態(tài)等。（1） 向列型液晶向列型液晶是一種渾濁的可流動(dòng)的狀態(tài)。向列是一種渾濁的可流動(dòng)的狀態(tài)。向列型液晶中，棒狀分子間平行排列，型液晶中，棒狀分子間平行排列，但重心排列是無序的，只保留著但重心排列是無序的，只保留著固固體的一維有序性體的一維有序性，這種有序?qū)嵸|(zhì)上，這種有序?qū)嵸|(zhì)上是由取向分子組成的。在外力作用是由取向分子組成的。在外力作用下，液晶中的棒狀分子

59、很容易沿流下，液晶中的棒狀分子很容易沿流動(dòng)方向取向，并可在流動(dòng)取向中相動(dòng)方向取向，并可在流動(dòng)取向中相互穿越，因此，互穿越，因此，向列型液晶都有相向列型液晶都有相當(dāng)大的流動(dòng)性當(dāng)大的流動(dòng)性。在這三類液晶中，在這三類液晶中，僅向列型液晶沒有平移有序性，它僅向列型液晶沒有平移有序性，它的有序度最低，粘度也小。的有序度最低，粘度也小。 LOGO（2） 近晶型液晶態(tài)近晶型液晶是所有液晶中最接近結(jié)晶結(jié)構(gòu)的一類，因此得名。在這類液晶中，棒狀分子互相平行排列成層狀結(jié)構(gòu)。分子的長(zhǎng)軸垂直于層狀結(jié)構(gòu)平面。層內(nèi)分子排列具有二維有序性。但這些層狀結(jié)構(gòu)并不是嚴(yán)格剛性的，分子可在本層內(nèi)運(yùn)動(dòng)，但不能來往于各層之間。因此，層狀結(jié)

60、構(gòu)之間可以相互滑移，而垂直于層片方向的流動(dòng)卻很困難。 因而近晶型液晶的黏度很大。LOGO（3） 膽甾型液晶在屬于膽甾型液晶的物質(zhì)中，有許多是膽甾醇的衍生物，因此得名。實(shí)際上，許多膽甾型液晶的分子結(jié)構(gòu)與膽甾醇結(jié)構(gòu)毫無關(guān)系。在這類液晶中，分子是長(zhǎng)而扁平的，它們依靠端基的作用，平行排列成層狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)軸與層片平面平行。 層內(nèi)分子排列與向列型類似，而相鄰兩層間，分子長(zhǎng)軸的取向依次規(guī)則地扭轉(zhuǎn)一定的角度，層層累加而形成螺旋結(jié)構(gòu)。分子長(zhǎng)軸方向在扭轉(zhuǎn)了360以后回到原來的方向。兩個(gè)取向相同的分子層之間的距離稱為螺距，是表征膽甾型液晶的重要參數(shù)。這種液晶各層間有規(guī)律的面間距作用就像一個(gè)光柵一樣，使入射的白光偏振旋