功能材料復(fù)習(xí)新

1、緒論功能材料的定義：具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料n 結(jié)合鍵：原子（離子或分子）間的作用力。n 結(jié)合鍵分類：化學(xué)鍵：離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵物理鍵：分子鍵、氫鍵。晶胞的定義：在空間點(diǎn)陣中，能代表空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的小平行六面體，反映晶格特征的最小幾何單元。整個空間點(diǎn)陣可由晶胞作三維的重復(fù)堆砌而構(gòu)成。晶胞三條棱邊的邊長a、b、c及晶軸之間的夾角、稱為晶胞參數(shù)晶系：根據(jù)晶胞的外形，即棱邊長度之間的關(guān)系和晶軸夾角的情況,將晶體分為七大晶系。1848年，法國晶體學(xué)家布拉菲（A. Bravais）用數(shù)學(xué)方法證明只能有14種空間點(diǎn)

2、陣。a. 簡單晶胞：7個 只有在每個角上含有陣點(diǎn)b. 復(fù)合晶胞：7個 除了每個角外，晶胞內(nèi)部或面上還含有陣點(diǎn)第一章 導(dǎo)電材料 復(fù)習(xí)導(dǎo)電材料按導(dǎo)電機(jī)理可分為電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料兩大類。電子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電起源于電子的運(yùn)動。電子導(dǎo)電材料包括導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體的電導(dǎo)率105 S/m, 超導(dǎo)體的電導(dǎo)率為無限大 ( 在溫度小于臨界溫度時(shí) ), 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為107104S/m 。當(dāng)材料的電導(dǎo)率107S/m 時(shí) , 就認(rèn)為該材料基本上不能導(dǎo)電 , 而稱為絕緣體。離子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理則主要是起源于離子的運(yùn)動 , 由于離子的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于電子的運(yùn)動速度 , 因此其電導(dǎo)率也遠(yuǎn)小于電子導(dǎo)電材料的電

3、導(dǎo)率 , 目前最高不超過102S/m, 大多都在100S/m 以下。導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)所示有三種結(jié)構(gòu)：(a) 類有未充滿的能帶 , 能帶間相互重疊 , 無禁帶；(b) 類價(jià)電子充滿下面的能帶 , 上面緊接著另一個空能帶 , 無禁帶；(c) 類有未充滿的能帶 , 該能帶與上面的空帶間有禁帶。但是不論何種結(jié)構(gòu) , 導(dǎo)體中均存在電子運(yùn)動的通道即導(dǎo)帶。 (a) 類的導(dǎo)帶由未滿帶、重帶和空帶構(gòu)成，(b) 類的導(dǎo)帶由空帶構(gòu)成，(c) 類的導(dǎo)帶由未滿帶構(gòu)成。電子進(jìn)入導(dǎo)帶運(yùn)動均不需能帶間躍遷。導(dǎo)體中的散射中心有兩類 : 一類是晶格原子的熱振動 , 與溫度 T 有關(guān) ; 另一類是晶格缺陷 , 無相變時(shí) , 一般與溫

4、度無關(guān)。不論何種溫度 , 電阻率均隨溫度升高而升高。相反 , 電導(dǎo)率隨溫度升高而降低 , 這也是導(dǎo)體的一個特征。1911 年Onnes HK 在研究極低溫度下金屬導(dǎo)電性時(shí)發(fā)現(xiàn) , 當(dāng)溫度降到4.20 K 時(shí) , 汞的電阻率突然降到接近于零。這種現(xiàn)象稱為汞的超導(dǎo)現(xiàn)象。某些金屬 , 金屬化合物及合金 , 當(dāng)溫度低到一定程度時(shí) , 電阻突然消失 , 把這種處于零電阻的狀態(tài)叫做超導(dǎo)態(tài) , 有超導(dǎo)態(tài)存在的導(dǎo)體叫做超導(dǎo)體。超導(dǎo)體從正常態(tài) ( 電阻態(tài) ) 過渡到超導(dǎo)態(tài) ( 零電阻態(tài) ) 的轉(zhuǎn)變叫做正常超導(dǎo)轉(zhuǎn)變 , 轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度 Tc 稱為這種超導(dǎo)體的臨界溫度。揭示出超導(dǎo)電性的微觀本質(zhì)的理論是由巴丁、庫柏和施

5、里弗三人建立的BCS理論(Bardeen、Cooper和 Schrieffer) 。BCS 理論認(rèn)為 , 在絕對零度下 , 對于超導(dǎo)態(tài)、低能量的電子 ( 在費(fèi)米球內(nèi)部深處的電子 ) 仍與在正常態(tài)中的一樣。但在費(fèi)米面附近的電子 , 則在吸引力的作用下 , 按相反的動量和自旋全部兩兩結(jié)合成庫柏對、這些庫柏對可以理解為凝聚的超導(dǎo)電子。從動量角度看 , 在超導(dǎo)基態(tài)中 , 各庫柏對單個電子的動量可以不同 , 但每個庫柏對總是涉及各個總動量為零的對態(tài) , 因此 , 所有庫柏對都凝聚在零動量上。當(dāng)正常的金屬載流時(shí) , 將會出現(xiàn)電阻 , 因?yàn)殡娮訒艿缴⑸涠淖儎恿?, 使載流子沿電場方向的自由加速受到阻礙。

6、而在超導(dǎo)體情況下 , 組成庫柏對的電子雖然會受到不斷地散射 , 但是 , 由于在散射過程中 , 庫柏對的總動量維持不變 , 所以電流沒有變化 , 呈無阻狀態(tài)。本征半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)：下面是價(jià)帶 , 由于純半導(dǎo)體的原子在絕對零度時(shí) ,其價(jià)帶是充滿電子的 , 因此是一個滿價(jià)帶。上面是導(dǎo)帶 , 而導(dǎo)帶是空的。滿價(jià)帶和空導(dǎo)帶之間是禁帶 , 由于它的價(jià)電子和原子結(jié)合得不太緊 , 其禁帶寬度Eg比較窄 , 一般在 1eV 左右。價(jià)帶中的電子受能量激發(fā)后 , 如果激發(fā)能大于Eg , 電子可從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶上 , 同時(shí)在價(jià)帶中留下一個空穴 , 空穴能量等于激發(fā)前電子的能量。半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子受激發(fā)后從滿價(jià)帶躍遷到

7、空導(dǎo)帶中 , 躍遷電子可在導(dǎo)帶中自由運(yùn)動 , 傳導(dǎo)電子的負(fù)電荷。同時(shí) , 在滿價(jià)帶中留下空穴 , 空穴帶正電荷 , 在價(jià)帶中空穴可按電子運(yùn)動相反的方向運(yùn)動而傳導(dǎo)正電荷。因此 , 半導(dǎo)體的導(dǎo)電來源于電子和空穴的運(yùn)動 , 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) , 通過激發(fā) , 半導(dǎo)體中產(chǎn)生載流子 , 從而導(dǎo)電?？煞譃樵匕雽?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?；衔锇雽?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)分可分為施主型 ( 又叫電子型或 n 型 ) 和受主型 ( 又叫空穴型或 p 型 ) 。前者摻雜

8、原子的價(jià)電子多于純元素的價(jià)電子 , 后者正好相反。按晶態(tài)分可分為結(jié)晶、微晶和非晶半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中價(jià)帶上的電子借助于熱、電、磁等方式激發(fā)到導(dǎo)帶叫本征激發(fā)。滿足本征激發(fā)的半導(dǎo)體叫本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是高純度 , 無缺陷的元素半導(dǎo)體 , 其雜質(zhì)小于十億分之一個。利用將雜質(zhì)元素?fù)饺爰冊刂?, 把電子從雜質(zhì)能級(帶)激發(fā)到導(dǎo)帶上或者把電子從價(jià)帶激發(fā)到雜質(zhì)能級上 , 從而在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴的激發(fā)叫非本征激發(fā)或雜質(zhì)激發(fā)。這種半導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體本身也都存在本征激發(fā) , 因此雜質(zhì)半導(dǎo)體有雜質(zhì)激發(fā) , 又有本征激發(fā)。一般雜質(zhì)半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)的濃度很小 , 如十億分之一即可達(dá)到目的。 A 族元素(C,

9、Si,Ge,Sn) 中摻以A 族元素 (P,As, Sb ,Bi) 后 , 造成摻雜元素的價(jià)電子多于純元素的價(jià)電子 , 其導(dǎo)電機(jī)理是電子導(dǎo)電占主導(dǎo) , 這類半導(dǎo)體是n型半導(dǎo)體。在A 族元素?fù)揭訟 族元素 ( 如 B) 時(shí) , 摻雜元素價(jià)電子少于純元素的價(jià)電子 , 它們的原子間生成共價(jià)鍵以后 , 還缺一個電子 , 而在價(jià)帶中產(chǎn)生逾量空穴。以空穴導(dǎo)電為主 , 摻雜元素是電子受主 , 這類半導(dǎo)體稱p 型或空穴型或受主型。雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)： (a) 是 n 型 , 逾量電子處于施主能級 , 施主能級與導(dǎo)帶底能級之差為Ed , 而 Ed 大大小于禁帶寬度 Eg。因此 , 雜質(zhì)電子比本征激發(fā)更容易激發(fā)

10、到導(dǎo)帶 , 而導(dǎo)帶在通常溫度下 , 施主能級是解離的 , 即電子均激發(fā)到導(dǎo)帶。Eg 與 Ed 相差近三個數(shù)量級。例如硅摻十億分之一As時(shí) , 其 Eg 為 1.73 × 10-19J,Ed 為 6.4 × 10-21J 。鍺摻十億分之一Sb時(shí) , 其 Eg 為 1.15 × 10-19J,Ed 為 1.6 × 10-21J 。 (b) 是 p 型 , 其逾量空穴處于受主能級。由于受主能級與價(jià)帶頂端的能隙 Ea 遠(yuǎn)小于禁帶寬度Eg, 價(jià)帶上的電子很易激發(fā)到受主能級上 , 在價(jià)帶中形成空穴導(dǎo)電。非晶態(tài)半導(dǎo)體對雜質(zhì)的摻入不敏感。非晶態(tài)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)不具有敏感性 ,

11、 摻入雜質(zhì)的正?；蟽r(jià)都被飽和。即全部價(jià)電子都處在鍵合狀態(tài) , 例如非晶鍺或非晶硅中的硼都是三重配位的 , 因此它在電學(xué)上表現(xiàn)為非激活狀態(tài)。非晶態(tài)半導(dǎo)體由于它對雜質(zhì)的不敏感性, 因此幾乎所有的非晶態(tài)半導(dǎo)體 , 都具有本征半導(dǎo)體的性質(zhì)。非晶態(tài)半導(dǎo)體由于它是非結(jié)晶性的 , 因此無方向性 , 所以沒有結(jié)晶方式、提純、雜質(zhì)控制等麻煩工藝。故非晶態(tài)半導(dǎo)體便于大量生產(chǎn) , 并且價(jià)格低廉。非晶態(tài)半導(dǎo)體多制成薄膜 ,禁帶寬度可在 1.21.8eV 之間調(diào)節(jié) , 暗電導(dǎo)率較小 , 易于制成大面積薄膜。但其載流子壽命較短 , 遷移率小。因此 , 一般不作為電子材料 , 而作為光電材料 , 適用于太陽能電池、傳感器

12、、光盤和薄膜晶體管等。廣泛使用的半導(dǎo)體硅器件的工作溫度不能超過 200 , 而航空航天等軍事工業(yè)要求工作溫度為 500600。半導(dǎo)體器件在高溫工作時(shí)易被熱擊穿和燒壞。另外 , 由于本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子濃度增加 , 造成穩(wěn)定性惡化。而本征激發(fā)載流子濃度隨禁帶寬度 Eg 的增加而降低。因此 , 要研制 Eg大和耐高溫的半導(dǎo)體。目前深入研究的主要有碳化硅和人造金剛石膜兩種。一般具有離子結(jié)構(gòu)的材料都有離子電導(dǎo)現(xiàn)象存在 , 但大部分材料的離子電導(dǎo)率都很低，達(dá)不到導(dǎo)電的要求 , 故離子電導(dǎo)材料一般指的是電導(dǎo)率 10-4S/m，且其電子電導(dǎo)對總電導(dǎo)率貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)的材料 , 又稱快離子導(dǎo)體。氧離子導(dǎo)體有熒石

13、型和鈣鐵礦型氧離子導(dǎo)體。以ZrO2為基的固溶體為熒石型結(jié)構(gòu)的氧離子導(dǎo)體，它是1900年最早發(fā)現(xiàn)的。ZrO2基固溶體的導(dǎo)電主要是O2-離子。雖然它們的導(dǎo)電活化能高達(dá) 0.651.10 eV, 按離子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電活化能0.5eV 這個指標(biāo)來看 , 不能稱為離子導(dǎo)電材料 , 但由于它們在高溫下有比較高的O2-離子電導(dǎo) , 在科研和工業(yè)生產(chǎn)上已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。第二章 介電材料介電材料又叫電介質(zhì)，是以電極化為特征的材料。電極化是在電場作用下分子中正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生電偶極矩的現(xiàn)象。帶電粒子在電場下作微小位移的性質(zhì)稱為介電性。一般介電陶瓷材料在電場下產(chǎn)生的極化可分為四種，即電子極化、離子極化、

14、偶極子趨向極化和空間電荷極化。電子極化是在電場作用下，使原來處于平衡狀態(tài)的原子正、負(fù)電荷重心改變位置，即原子核周圍的電子云發(fā)生變形而引起電荷重心偏離，形成電極化。離子極化是處在電場中多晶陶瓷體內(nèi)的正、負(fù)離子分別沿電場方向位移，形成電極化。偶極子趨向極化是非對稱結(jié)構(gòu)的偶極子在電場作用下，沿電場方向趨向與外電場一致的方向而產(chǎn)生電極化。空間電荷極化是陶瓷多晶體在電場中，空間電荷在晶粒內(nèi)和電疇中移動，聚集于邊界和表面而產(chǎn)生的極化。通常極化是由以上四種極化疊加引起的。 在晶體的32種對稱點(diǎn)群中，有11種具有對稱中心。晶格上為非極性原子或分子，在電性上完全中性的，稱為各向同性介電體 。另外，有20種點(diǎn)群結(jié)

15、構(gòu)晶體，其結(jié)構(gòu)上無對稱中心的，稱為壓電晶體。壓電晶體中有10種點(diǎn)群的晶體是極性晶體，具有熱釋電性，稱為熱釋電晶體。熱釋電晶體中在外電場作用下能夠隨電場改變電偶極子方向的晶體稱為鐵電晶體。 電介質(zhì)分子的極化需要一定的時(shí)間，完成極化的時(shí)間叫弛豫時(shí)間，其倒數(shù)稱弛豫頻率f。電子極化的f約1015Hz, 相當(dāng)于紫外頻率，原子(離子)極化的f約1012Hz, 處于紅外區(qū)，取向極化的 f 在 1001010Hz之間，處于射頻和微波區(qū)。在交變電場作用下，由于電場頻率不同，極化對電場變化的反應(yīng)也不同。當(dāng) f 1001010Hz 時(shí)，三種極化都可建立。當(dāng) 1010Hzf1013Hz時(shí)，取向極化來不及建立。當(dāng) 10

16、13Hz f 1015Hz 時(shí)，離子極化也來不及建立，只有電子極化能建立，這叫極化的滯后。因此，極化強(qiáng)度與交變電場的頻率有關(guān)。鐵電體指在某溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化且極化強(qiáng)度可以因外電場而反向的晶體。鐵電體具有電滯回線。鐵電體還有一個特點(diǎn)就是它具有許多電疇。所謂電疇就是在一個電疇范圍內(nèi)永久偶極矩的取向都一致。因此，凡具有電疇和電滯回線的介電材料就稱為鐵電體。晶體的鐵電相通常是由自發(fā)極化方向不同的區(qū)域、按一定規(guī)律組成的。每一個極化區(qū)域稱為鐵電疇，分隔電疇的間界稱為疇壁。 當(dāng)無外電場時(shí)，電疇無規(guī)則所以凈極化強(qiáng)度為0。而當(dāng)施加外電場時(shí)，與電場方向一致的電疇長大，而其他電疇變小，因此，極化強(qiáng)度隨電場強(qiáng)度變

17、大而變大。第三章 壓電材料沒有對稱中心的材料受到機(jī)械應(yīng)力處于應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，材料內(nèi)部會引起電極化和電場，其值與應(yīng)力的大小成比例。其符號取決于應(yīng)力的方向。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)則與正壓電效應(yīng)相反，當(dāng)材料在電場的作用下發(fā)生電極化時(shí)，則會產(chǎn)生應(yīng)變，其應(yīng)變值與所加電場的強(qiáng)度成正比。其符號取決于電場的方向。此現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)產(chǎn)生的根源是晶體中離子電荷的位移，當(dāng)不存在應(yīng)變時(shí)電荷在晶格位置上的分布是對稱的，所以其內(nèi)部電場為零。但是當(dāng)給晶體施加應(yīng)力則電荷發(fā)生位移，如果電荷分布不再保持對稱就會出現(xiàn)凈極化，并將伴隨產(chǎn)生一電場，這個電場就表現(xiàn)為壓電效應(yīng)。只有那些原胞無對稱中心的物質(zhì)才有可能產(chǎn)生壓

18、電效應(yīng)。所有鐵電晶體在鐵電態(tài)下也同時(shí)具有壓電性，即對晶體施加應(yīng)力，將改變晶體的電極化。但是，壓電晶體不同時(shí)具有鐵電性。石英是壓電晶體，但并非鐵電體；鈦酸鋇既是壓電晶體又是鐵電體。機(jī)電耦合系數(shù) k 是一個綜合反映壓電晶體的機(jī)械能與電能之間耦合關(guān)系的物理量，所以它是衡量壓電材料性能的一個很重要參數(shù)。其定義為： k轉(zhuǎn)化的機(jī)械能/靜電場下輸入的電能 (逆壓電效應(yīng)) 或 k機(jī)械能轉(zhuǎn)化的電能/輸入的機(jī)械能 (正壓電效應(yīng))機(jī)電耦合系數(shù) k 是一個無量綱的物理量。在所有高分子壓電材料中，聚偏二氟乙烯(PVDF) 具有特殊的地位，它不僅具有優(yōu)良壓電性、熱電性和鐵電性，而且還有優(yōu)良的機(jī)械性能。第四章 熱電材料所謂

19、熱電材料就是把熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷牟牧?。熱電材料分為溫差電動勢材料，熱電?dǎo)材料和熱釋電材料。由兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A、B組成的閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)保持在不同溫度 T1，T2 時(shí)，回路中將有電流 I 通過，此回路稱熱電回路?；芈分谐霈F(xiàn)的電流稱為熱電流?；芈分谐霈F(xiàn)的電動勢 EAB 稱為塞貝克電動勢。此效應(yīng)稱為塞貝克效應(yīng)。在熱電回路中，正與兩接點(diǎn)間的溫度差而引起的塞貝克電動勢相反，通電時(shí)，在回路中會引起兩種熱效應(yīng)，珀?duì)柼蜏愤d熱效應(yīng)。前者出現(xiàn)在電極的兩個接頭處；后者發(fā)生在兩個電極上。 珀?duì)柼麩嵝?yīng) ：在熱電回路的兩個接頭處，當(dāng)電流 I 流過時(shí)將發(fā)生可逆的熱效應(yīng)，即有 QII 的吸收或釋放(依電流的方向

20、而定), 其大小與電流 I 和流通的時(shí)間t 成正比，即QII=ABIt 式中的比例系數(shù)AB 稱為珀?duì)柼禂?shù)，其大小等于接點(diǎn)處通過單位電荷時(shí)吸收(或釋放)的熱量。 這種可逆的溫差電熱效應(yīng)由珀?duì)柼?(Peltier) 在 1834 年發(fā)現(xiàn)的。由于珀?duì)柼?yīng)，會使回路中一個接頭發(fā)熱，一個接頭致冷。實(shí)質(zhì)上是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。湯姆遜熱效應(yīng) ：在熱電回路中，流過電流 I 時(shí)，在存在溫度梯度 dT/dx 的導(dǎo)體上也將出現(xiàn)可逆的熱效應(yīng) ,是放熱還是吸熱，依溫度梯度和電流的方向而定，熱效應(yīng)的大小QT與電流I、溫度梯度 dT/dx 和通電流的時(shí)間t 成正比，這種可逆的溫差電熱效應(yīng)是由湯姆遜 (Thomson)

21、從理論上預(yù)言的。 溫差電動勢材料常用的有銅康銅，金金鐵。熱釋電材料實(shí)質(zhì)為溫敏材料，溫度變化電導(dǎo)率變化較大。熱釋電材料是指當(dāng)某些晶體受溫度變化影響時(shí)，由于自發(fā)極化的變化而在晶體特定方向上產(chǎn)生表面電荷。第五章 光電材料 光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊活惸芰哭D(zhuǎn)換功能材料。常用三種光電功能材料：（1）光電子發(fā)射材料（2）光電導(dǎo)材料（3）光電動勢材料光電子發(fā)射現(xiàn)象：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。光電子發(fā)射材料：具有光電子發(fā)射現(xiàn)象的材料。對于半導(dǎo)體 , 價(jià)電子逸出體外的條件是價(jià)電子吸收光子的能量以后 , 從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶 , 然后再向表面擴(kuò)散。負(fù)電子親和勢材料的發(fā)射效率比正電子親和勢材料的發(fā)射效率

22、高得多。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)象的材料叫光電導(dǎo)材料。又稱作內(nèi)光電效應(yīng)材料或稱為光敏材料。光照到半導(dǎo)體 ( 或絕緣體 ) 上 , 價(jià)帶的電子接受能量 , 使電子脫離共價(jià)鍵。當(dāng)光的能量達(dá)到禁帶寬度的能量值時(shí) , 價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶 , 因而在晶體中產(chǎn)生一個自由電子和一個空穴 ,這是兩種載流子 , 它們都參與導(dǎo)電。由于光的作用產(chǎn)生的附加電導(dǎo)稱之為光電導(dǎo)。按光電導(dǎo)原理也可以反過來了解禁帶寬度。當(dāng)光的能量增加到一定值時(shí) , 光電導(dǎo)急劇上升 , 此時(shí)的光頻與禁帶寬度的關(guān)系為 Eg=h。式中 Eg 為禁帶寬度 ;h 為普朗克常數(shù) ; 為光電導(dǎo)急劇增加時(shí)的光頻。在光照下 ,半導(dǎo)

23、體 p-n 結(jié)的兩端產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。具有此效應(yīng)的材料叫光生伏特材料又稱光電動勢材料。光電動勢的原理 , 簡言之是光照下 , 在光電動勢材料上形成阻擋層 , 兩面可以產(chǎn)生電動勢。太陽能電池和光生伏特檢測器都是光電動勢材料的重要應(yīng)用。（一） 半導(dǎo)體 p-n 結(jié)的電子-空穴情況一個 n 型半導(dǎo)體與一個 p 型半導(dǎo)體接觸 , 將會在結(jié)的 p 側(cè)存在自由空穴以及相等濃度的 (-) 電離受主雜質(zhì)原子 , 這樣才能保持電中性。在結(jié)的 n 側(cè)存在自由電子以及相等數(shù)目的 (+) 電離施主雜質(zhì)原子。載流子與受主和施主雜質(zhì)原子處于熱平衡 , 因此在晶體各處空穴濃度與電子濃度之和為常值 , 符合質(zhì)量

24、作用定律。在每側(cè)都存在低濃度的少數(shù)型載流子 ( 圖中夸大地表示法 ), 與多數(shù)載流子處于熱平衡。聚集在 p 側(cè)的空穴傾向于通過擴(kuò)散均勻地分布滿整個晶體 , 電子傾向于從 n 側(cè)擴(kuò)散出去。但是擴(kuò)散會破壞電中性。一旦發(fā)生載流子擴(kuò)散就必將引起少量電荷轉(zhuǎn)移 , 因而在 p 側(cè)留下過量 (-) 電離受主原子 , 而在 n 側(cè)留下過量地 (+) 電離施主原子 , 如圖 5-5(b) 所示。由此產(chǎn)生的電荷偶極層就會出現(xiàn)一個自 n 區(qū)指向 p 區(qū)的電場 , 它阻止繼續(xù)擴(kuò)散 , 維持兩種載流子類型的分離。這種在 p-n 結(jié)區(qū)附近由受主 (-) 離子與施主 (+) 離子產(chǎn)生的靜電勢梯度阻止擴(kuò)散。這種 p-n 結(jié)區(qū)

25、電場稱為內(nèi)建電場。由于存在這種偶極層 , 晶體內(nèi)的靜電勢在 p-n 結(jié)區(qū)就出現(xiàn)一個突變。在偶極層中 , 正電層和負(fù)電層中的電子和空穴 ( 即載流子 ) 的數(shù)目都是很少的 , 因此它的電阻很高 , 這一層稱為阻擋層 , 阻擋層起到阻止電子和空穴擴(kuò)散的作用。有了阻擋層才能使擴(kuò)散達(dá)到平衡。盡管有內(nèi)建電場存在 , 但是在整個 p-n 結(jié)中沒有剩余的空穴和電子 , 因此 p-n 結(jié)中并無外場電動勢 , 外電場為零。（二） 光生電動勢的產(chǎn)生對于上述情況 , 如果光照射到 p-n 結(jié)的接觸面時(shí) , 情況就大不一樣 , 這時(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)。又由于有內(nèi)建電場的存在 ,

26、 受到內(nèi)建電場的作用 , 空穴將向 p 區(qū)移動而積累 , 而電子將相反 , 向 n 區(qū)移動而積累 , 從而形成凈空間電荷。這些空間電荷不能夠越過阻擋層而復(fù)合 , 這樣必將有電動勢產(chǎn)生。在這種情況下 ,p-n 結(jié)就形成光電池。二、光電池的特征值1. 開路電壓 VoVo是表示光電池在開路時(shí)的電壓 , 也就是光電池的最大輸出電壓。2. 短路電流IoIo是表示光電池在外電路短路時(shí)的電流 , 也就是光電池的最大電流。3. 轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率為光電池的最大輸出功率與入射到光電池結(jié)面上的輻射功率之比 , 即(5-5)式中I 光電流 ;E 光電動勢 ;S 相關(guān)靈敏度 ;光入射通量。與禁帶寬度有關(guān) , 當(dāng)禁帶寬度

27、Eg=0.9 1.5eV時(shí) ,最高。因此 ,應(yīng)該盡量選擇這樣大小的禁帶寬度的材料做光電池。GaAs 、 AlSb 、 CdTe 為材料制成的太陽能電池都可以達(dá)到最高的轉(zhuǎn)換效率。但是 ,AlSb 易潮解 ,CdTe 不易制成大面積的太陽能電池 , 而GaAs 以及它的固溶體是比較理想的光電池材料。4. 光譜響應(yīng)曲線光譜響應(yīng)曲線是表示 Vo-,IO ,-的關(guān)系曲線。它可表示在某波長下的開路電壓 , 短路電流以及轉(zhuǎn)換效率 , 因此這些曲線也是表示光電池特征值的曲線。單晶硅太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)是其禁帶寬度不大 ,Eg=1.07eV, 因此實(shí)際可達(dá) 18。其光譜響應(yīng)曲線與太陽的光譜響應(yīng)曲線接近 , 因此轉(zhuǎn)換

28、效率高。單晶硅形成表面氧化層的折射率在硅與空氣之間故反射損失小 , 其工藝成熟 , 易摻雜。其缺點(diǎn)主要是價(jià)格昂貴 , 使用壽命不太長。非晶硅制造太陽能電池是一種有前途的方法 , 雖然它的效率還很低 , 約 10% 左右 , 但是自從解決了摻雜工藝 , 非晶硅太陽能電池發(fā)展很快。其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單 , 對雜質(zhì)的敏感性小 , 并且可以制成大尺寸 , 價(jià)廉。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率不高 , 不夠穩(wěn)定。第六章磁性材料抗磁性物質(zhì)的磁化率為 -10-5-10-8, 順磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性和鐵磁性物質(zhì)的磁化率分別為 10-310-6、10-310-5、 1104和 1105, 因此抗磁性物質(zhì)表現(xiàn)為抗磁 , 順磁性

29、和反鐵磁性物質(zhì)表現(xiàn)為弱磁 , 亞鐵磁性和鐵磁性物質(zhì)表現(xiàn)為強(qiáng)磁。所謂軟磁材料就是矯頑力很低( 0.8KA/m) 的磁性材料 , 亦即當(dāng)材料在磁場中被磁化 , 移出磁場后 , 獲得的磁性便會全部或大部喪失。軟磁材料的主要磁特性是 : 矯頑力和磁滯損耗低 ; 電阻率較高 , 磁通變化時(shí)產(chǎn)生的渦流損耗小 ; 高的磁導(dǎo)率 , 有時(shí)要求在低的磁場下具有恒定的磁導(dǎo)率 ; 高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 ; 某些材料的磁滯回線呈矩形 , 要求高的矩形比。鐵損是指鐵磁性材料在交變磁場中反復(fù)磁化所消耗的功率。鐵損一般由磁滯損耗和渦流損耗和剩余損耗所組成。通常 , 鐵磁性材料磁化時(shí) , 出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象 , 每磁化一周所消耗的能量

30、正比于磁滯回線的面積 , 這種能量損失稱為磁滯損耗。按照電磁感應(yīng)定律 , 鐵磁材料在交變磁場中磁化 , 材料內(nèi)磁通量發(fā)生變化時(shí) , 在磁通的周圍會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 , 因鐵磁材料是導(dǎo)電物質(zhì) , 感應(yīng)電動勢將在垂直于磁通方向的截面上感應(yīng)出閉合的渦流電流。由它所引起的焦耳損失稱為渦流損耗。假定材料的磁導(dǎo)率始終是一常數(shù) , 渦流損耗可用下式計(jì)算 :（W/m3）(6-4)式中f 頻率 (Hz);d 材料厚度 (mm);Bm 最大磁感應(yīng)強(qiáng)度 (T);電阻率 (· cm) 。經(jīng)過換算 ,Pe 的單位可以由 W/m3轉(zhuǎn)換成 W/kg 。例如 ,P1.5/50為 2.34W/ kg , 是指最大磁感應(yīng)

31、強(qiáng)度為 1.5T, 頻率為 5O Hz 時(shí) , 每公斤材料的鐵損為 2.34W 。提高電阻率可降低渦流損耗。剩余損耗包括弛豫損耗、疇壁共振損耗和自然共振損耗。矯頑力 Hc：軟磁材料在對稱周期磁化條件下 , 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B =O 時(shí)所相應(yīng)的磁化場強(qiáng)度稱為矯頑力HC。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 BS：在磁化場足夠強(qiáng)的情況下 , 軟磁材料可能達(dá)到的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度 , 稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br：軟磁材料經(jīng)一定強(qiáng)度的磁場磁化后 , 再將磁場強(qiáng)度減至零 , 此時(shí)材料內(nèi)所剩的磁感應(yīng)強(qiáng)度 , 稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 , 通常簡稱為剩磁Br。 Br不僅與材料本身有關(guān) , 而且與材料的磁化過程有關(guān)。復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率：在

32、交變電磁場中要用復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率為 = /-j/其中實(shí)部/稱彈性磁導(dǎo)率 , 虛部/稱粘性磁導(dǎo)率。而實(shí)部/和虛部/之比 , 即稱為損耗角 ,tan稱為損耗角正切或損耗因子。常用的軟磁材料有純鐵、硅鋼片、鐵鎳合金、軟磁鐵氧體等。所謂電工用純鐵 , 是一種含碳量低 , 含鐵量 99.95以上的軟鋼。它在平爐中進(jìn)行冶煉時(shí) , 用氧化渣除去碳、硅、錳等元素 , 再用還原渣除去磷和硫 , 出鋼時(shí)在鋼包中加入脫氧劑而得。這種電工用純鐵在退火狀態(tài) , 起始磁導(dǎo)率i為3005000 , 最大磁導(dǎo)率m為 6 00012 0000 , 矯頑力 Hc 為 39.895.5A/m 。電工用純鐵只能在直流磁場下工作，在交變磁場

33、下工作，渦流損耗大。如果在純鐵中加入0.384.5硅 , 使之形成固溶體 , 可以提高材料電阻率 , 減少渦流損耗 , 這種材料稱為硅鐵合金 , 或者稱電工用硅鋼片。純鐵中加入硅后 , 使材料的物理性質(zhì)發(fā)生變化。表現(xiàn)在 :(1) 熱導(dǎo)率改變。鐵的熱導(dǎo)率在加入硅后劇烈地降低。(2) 電阻率改變。隨著含硅量增加到 5%, 硅鐵合金的電阻率急劇上升。(3) 相對密度d 改變。隨著含硅量的增加 , 比重幾乎是直線地降低。含 3%Si 的 Si-Fe 合金片由于其飽和磁通密度高 , 是電力變壓器和配電變壓器中大量采用的材料。鎳鐵合金主要是含鎳量為 30%90% 的鎳鐵合金 , 通常稱坡莫合金。鎳鐵合金由

34、 Fe 、 Ni 、Mo 、 Cr 、 Cu 等元素組成。鎳鐵合金有很高的起始磁導(dǎo)率i和最大磁導(dǎo)率m , 電阻率在 50·cm 左右 ,BS較低。軟磁鐵氧體是鐵氧體材料中的一種 , 是一種容易磁化和退磁的鐵氧體。其特點(diǎn)是起始的磁導(dǎo)率高 , 矯頑力小 , 損耗小 , 使用頻率可達(dá)高頻、超高頻范圍。軟磁鐵氧體屬于半導(dǎo)體類 , 電阻率為 1021012·cm 。常用的軟磁鐵氧體有鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體。鎳鋅鐵氧體在高頻領(lǐng)域中是很重要的材料 , 由于電阻率高 , 可用于 1200 MHz 的頻率范圍 , 在使用頻率范圍內(nèi) , 要求這種材料有盡可能小的磁損耗及起始磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)。錳

35、鋅鐵氧體屬于高導(dǎo)磁 ( 低頻 ) 鐵氧體 , 電阻率比較低 (102·cm), 適用于 1MHz以下硬磁材料是具有強(qiáng)的抗退磁能力和高的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度的強(qiáng)磁性材料 , 又稱永磁材料。表征硬磁材料性能的主要參數(shù)是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力HC和最大磁能積 (BH)max , 三者愈高 , 硬磁材料性能越好。由此引起這類材料具有大的磁滯損耗。磁性材料的硬和軟 , 也可以是指機(jī)械手段 , 因?yàn)槿魏翁岣叽判圆牧蠙C(jī)械強(qiáng)度的手段 , 也往往產(chǎn)生出比較硬的磁性材料。更為確切的方法是用磁滯回線形狀區(qū)分硬磁材料和軟磁材料 , 磁性材料的軟硬程度可以用 Br·Hc乘積來度量。硬磁材料主要用于制造

36、永久磁鐵。永久磁鐵一旦經(jīng)外加磁場飽和磁化后 , 如果撤去外加磁場 , 在磁鐵兩個磁極之間的空隙中便可產(chǎn)生恒定磁場 , 對外界提供有用的磁能。然而 , 與此同時(shí) , 磁鐵本身將受到退磁場作用 , 退磁場的方向和原來外加磁場的方向是相反的 , 因此 , 永磁體的工作點(diǎn)將從剩磁 Br 點(diǎn)移到磁滯回線第二象限 , 即退磁曲線的某一點(diǎn)上, 永久磁鐵的實(shí)際工作點(diǎn)用 D 表示。由此可見 , 硬磁材料性能好壞 , 應(yīng)該由退磁曲線上的有關(guān)物理量來衡量。剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、表觀磁感應(yīng)強(qiáng)度 BD、矯頑力Hc、最大磁能積(BH)max、回復(fù)磁導(dǎo)率rev等都是硬磁材料的特征值。永磁材料的矯頑力 Hc 有兩種定義 : 一

37、個是使磁感應(yīng)強(qiáng)度 B =O 所需的磁場值 , 常用 BHC或 HC表示 ; 一個是使磁化強(qiáng)度 M=O 所需的磁場值 , 常用 MHc 表示。永磁材料矯頑力的大小主要由各種因素(如磁各向異性、摻雜、晶界等) 對疇壁不可逆位移和磁疇不可逆轉(zhuǎn)動的阻滯作用的大小來決定 , 阻滯越大 , 矯頑力就越大。退磁曲線的凸出程度可用凸出系數(shù)表示 :（BH）max/Br·Hc硬磁材料可分成以下幾類 : 鑄造硬磁合金 ; 可變形硬磁合金 ; 稀土硬磁合金 ; 硬磁鐵氧體 ; 粘結(jié)磁體等。稀土硬磁合金包括稀土-鈷和稀土-鐵系金屬間化合物 , 為硬磁材料中性能最高的一類。最早的稀土硬磁合金是稀土鈷磁鐵 , 可

38、以用RxMy表示。 R 屬于周期表的第 3 族 , 包括從原子序號為 57(La) 到 71(Lu) 和 39(Y) 表示的稀土元素 ;M表示鐵族的過渡元素。稀土鈷磁鐵的 Br 值大致與鋁鎳鈷合金的接近 , 其矯頑力約為鐵氧體的三倍。稀土鈷磁鐵還具有小體積可以產(chǎn)生大磁場 , 穩(wěn)定性好 , 不易受外磁場的影響 , 高溫下使用不會退磁等特點(diǎn)。這類材料的種類劃分上人們習(xí)慣于把已批量生產(chǎn)的RCo5稱為第一代永磁材料,R2Co17 稱為第二代永磁材料。例如釤鈷合金 (Sm Co5 ),（BH）max為 195.9222.9 kJ/m3,Br為l000mT,Hc 為788.2KA/m 。與第一代永磁材料相

39、比，第二代永磁材料用Fe、Cu、Zr 取代部分Co, 如 Sm(Co)0.61Mn0.12Zr0.01Hf0.01Fe0.15）8.2合金性能好 ,Sm 含量少 , 成本低 ,(BH)max為 297.7kJ/m3,Br為1260mT 。對于前兩代稀土永磁合金而言 , 各組分配比是提高材料磁性能的關(guān)鍵。在價(jià)格上由于 Co 的原因往往較高。 1983 年日本首先報(bào)導(dǎo)的用 Nd 取代 Co 的Nd-Fe -B 合金在磁性能上及價(jià)格上都優(yōu)于稀土鈷磁鐵材料 , 稱之為第三代永磁材料。 Nd-Fe-B 材料的出現(xiàn) , 立即引起廣泛關(guān)注。 1985 年日本生產(chǎn)的Nd-Fe-B 材料 , 其 (BH)max

40、 為 302.5 kJ/m3;1990年我國研制的Nd-Fe-B 材料 (BH)max 突破了 39O kJ/m3。第三代稀土永磁材料的最大缺點(diǎn)是居里溫度較低、溫度穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性較差。目前主要有通過材料的化學(xué)成分和通過材料的表面處理兩種抗腐蝕方法。處于研究階段的第四代永磁材料主要有Sm2Fe17Cx、Sm2Fe17Nx、Sm-Fe -Ti 等 ,(BH)max的理論值高達(dá)45O kJ/m3。鐵氧體是鐵元素與氧化合形成的各種類型的化合物。廣義而言 , 鐵氧體就是磁性氧化物或磁性陶瓷。鐵氧體的起始磁化率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般都低于軟磁材料 , 但其電阻率卻高幾個數(shù)量級 , 大大降低了渦流損耗。因

41、此 , 鐵氧體制成的器件可用于非常高的頻率 , 達(dá)到并包括微波范圍。實(shí)用的鐵氧體大多數(shù)是軟磁的 , 也有些鐵氧體 , 如鋇鐵氧體和鍶鐵氧體為硬磁的。鐵氧體的特征值參考軟磁材料和硬磁材料外 , 還有電阻率和介電常數(shù)。非晶態(tài)磁性合金的一個很重要特征值是飽和磁致伸縮系數(shù)s。所謂磁致伸縮就是磁性材料磁化時(shí)發(fā)生線度的變化 , s是該變化程度的度量。一般來說s越小 , 非晶態(tài)合金的磁性能越好。非晶態(tài)磁性合金的應(yīng)用 , 目前國內(nèi)外都有較快的進(jìn)展。根據(jù)非晶態(tài)磁性合金的磁性能的不同 , 可以廣泛應(yīng)用于電力供應(yīng)、磁芯、電感元件、傳感器、磁屏蔽等諸多方面。例如用非晶態(tài)合金制作的電機(jī)可使鐵芯損耗降低 90% 左右 ;

42、 用非晶態(tài)合金制作的開關(guān)電源 , 其重量和體積可大大減小。壓磁效應(yīng)是力學(xué)形變和磁性狀態(tài)之間存在的機(jī)械能和磁能之間的轉(zhuǎn)換效應(yīng) , 其逆效應(yīng)稱之為磁致伸縮效應(yīng)。所謂磁性液體是指鐵磁性物質(zhì)的極微小的顆粒表面吸附上一層表面活性劑 , 使其均勻穩(wěn)定地彌散在某種基液之中，形成一種彌散溶液。磁性液體由磁性微粒、表面活性劑和基液組成。表面活性劑的選用主要是讓相應(yīng)的磁性微粒能穩(wěn)定地懸浮在基液中。第八章透光和導(dǎo)光材料透光材料包括透可見光 ( 波長 0.390.76m ) 、紅外光 ( 波長 11 000m ) 和紫外光 ( 波長 0.010.4m)的材料。透過率 T透過率 T 為透射光強(qiáng) IT與入射光強(qiáng) I0之比

43、 , 也稱透光率。(8-1)如圖 8-1 所示 , 入射光強(qiáng) Io, 射進(jìn)介質(zhì)和光強(qiáng)為 (1-R)Io, 反射掉部分光強(qiáng)為 IoR。射進(jìn)介質(zhì)的光在穿過介質(zhì)時(shí)被吸收一部分后 , 達(dá)到介質(zhì)另一面的光強(qiáng)為 Io(1-R)e-al, 又被反射回介質(zhì)內(nèi)的光強(qiáng)為 IoR(1 -R) e-al , 最后透射出介質(zhì)的光強(qiáng) IT為 Io(1-R)2 e-al。因此 , 按式 (8-1), 透過率 T 為T=(1-R)2 e-al(8一2)式中吸收系數(shù) ;L介質(zhì)長度。一般取介質(zhì)長度為 1O mm 的 T 值作為標(biāo)準(zhǔn)。平均色散系數(shù)D透光材料中光學(xué)玻璃通常按折射率 nD和平均色散系數(shù)D這兩個光學(xué)常數(shù)進(jìn)行分類。平均色散

44、系數(shù)的表示式為(8-8)式中D一一平均色散系數(shù) , 也稱阿貝數(shù) ; nF一一材料對標(biāo)準(zhǔn)譜線 F(=4861.3A) 的折射率 ; nC一一材料對標(biāo)準(zhǔn)譜線 C(=6562.7A) 的折射率 ; nD一一材料對標(biāo)準(zhǔn)譜線 D(=5892.9A) 的折射率。nF-nC一一平均色散 , 也稱中部色散。對于玻璃 , D 50 稱冕玻璃 , D50 稱火石玻璃。透可見光的材料常用的有玻璃和高聚物兩大類。玻璃材料的透過率最高 ( 可高達(dá) 98以上 ), 折射率范圍大 (1.441.94), 色散系數(shù)范圍大 (D= 2090 ) 光學(xué)穩(wěn)定性好 , 耐磨損。玻璃材料的缺點(diǎn)是密度大 (2.276.26g/cm3),

45、 耐沖擊強(qiáng)度低 , 加工困難 , 制造周期長。盡管如此 ,目前玻璃仍是制造各種光學(xué)元件特別是高、精光學(xué)元件的最主要的材料。高聚物透光材料的優(yōu)點(diǎn)為重量輕 ( 密度為 0.831.46g/cm3) 、成本低、制造工藝簡單、不易破碎。透光高聚物也有很多缺點(diǎn) , 如折射率范圍窄 , 熱脹系數(shù)、雙折射和色散大 , 耐熱、耐磨、硬度、耐濕和抗化學(xué)性能差。光通信中用于傳播光信息的光學(xué)纖維所用的材料 , 稱為光纖材料 , 又稱為光波導(dǎo)纖維材料。一切光纖的工作基礎(chǔ)都是光的全內(nèi)反射現(xiàn)象。光纖材料按結(jié)構(gòu)可分為包層型和自聚焦型兩種 , 前者的折射率在皮和芯界面上呈突躍變化 , 后者的折射率則隨半徑呈梯度指數(shù)變化。光在

46、纖維中傳輸有一定的傳輸模式。光學(xué)上把具有一定頻率 , 一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光波叫做光波的一種模式 , 或稱為光的一種波型。傳輸模式是光學(xué)纖維最基本的傳輸特性之一 , 因此根據(jù)模式可分為單模光纖和多模光纖兩種。所謂單模光纖就是一種光學(xué)纖維只允許傳輸一個模式的光波 , 而多模光纖則為一種光纖允許同時(shí)傳輸多個模式的光波。光學(xué)纖維具有均勻的芯子 ( 半徑為 r, 折射率為 n1) 和均勻的包層 ( 折射率為n2 ,n2 n1) 。通過這種纖維的光線有子午光線和斜光線兩種。所謂子午光線就是在一個平面內(nèi)彎曲進(jìn)行的光線 , 它在一個周期內(nèi)和光學(xué)纖維的中心軸相交兩次 ; 斜光線則為不通過光學(xué)纖維的中心軸

47、的光線。作為子午光線行進(jìn)的條件為數(shù)值孔徑NA習(xí)慣上把稱之為光學(xué)纖維的數(shù)值孔徑 NA, 即根據(jù)子午光線行進(jìn)的條件 ,NA 值越大 , 0可以越大 , 因而有較多的光線進(jìn)入芯子。但 NA太大時(shí) , 對單模傳輸不利 , 因?yàn)樗准ぐl(fā)光的高次模傳播方式。1. 傳輸損耗 Q傳輸損耗 Q 指光在纖維中傳輸途中的損耗 , 用下式表示 :(dB/km)(8-12)式中I1入射光強(qiáng) ; I2出射光強(qiáng) ;Q 傳輸損耗 (dB/km) 。|Q| 越大 , 光信息傳播的距離就越短 ,|Q| 越小 , 光信息傳播的距離就越遠(yuǎn)。Q 值是衡量光學(xué)纖維通信介質(zhì)質(zhì)量好壞的一個最重要的指標(biāo)。形成光學(xué)纖維傳播損耗的機(jī)理有吸收損耗、

48、本征散射和波導(dǎo)散射三種。吸收損耗是一個重要的損耗 , 又可分本征吸收、雜質(zhì)吸收和 OH- 離子吸收。本征吸收是物質(zhì)的固有吸收 , 是組分原子振動產(chǎn)生的吸收 , 位于 812 m的紅外區(qū)域和一個紫外波段。雜質(zhì)吸收主要有 Cu2+、 V3+、 Cs3+、 Mn3+、 Fe2+、 C02+和 Ni2+等雜質(zhì) , 它的吸收峰位于可見和紅外區(qū)域。當(dāng)原料經(jīng)過多次精制后 , 金屬雜質(zhì)的吸收幾乎完全消除。這時(shí) OH-離子的吸收就成為一種重要的雜質(zhì)吸收損耗。在熔融石英玻璃中 , OH-的吸收帶位于 0.51.Om波段 , OH-的基本吸收峰位于 2.7 m附近。 0.95 m和 0.72 m是振動損耗的二次和三

49、次諧波。本征散射是物質(zhì)散射中最重要的 , 又稱為瑞利散射 , 它是由玻璃熔制過程造成的密度不均勻而產(chǎn)生的折射率不均勻所引起的散射 , 它與波長的四次方成反比。這種損耗隨波長的增加而很快減小。另外 , 摻雜不均勻 ( 如擴(kuò)散不均勻 ) 也能引起散射 , 產(chǎn)生損耗。波導(dǎo)散射是由波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的 , 如波導(dǎo)芯的直徑有起伏 , 界面粗糙。凹凸不平 , 就會引起傳導(dǎo)模的附加損耗 , 即波導(dǎo)散射損耗。傳輸帶寬是影響信息傳輸能力的一個重要因素。在光纖通信中 , 傳輸以光脈沖方式進(jìn)行 , 信息通過調(diào)制方式加到光頻載波上 , 把載波光按信息要求調(diào)制成一個光脈沖 , 光脈沖的調(diào)制頻率愈高 , 它能傳輸?shù)男畔⑷?/p>

50、量也愈大。實(shí)際上 ,經(jīng)輸送的光脈沖 ( 方波窄脈沖 ) 傳輸一段距離后發(fā)生畸變和展寬 ( 成鐘形的方波脈沖 ), 展寬的結(jié)果使光脈沖波型重疊 , 結(jié)果分辨不出所攜帶的信息。另一方面 , 能否無限制地增高光脈沖的調(diào)制頻率 , 提高傳輸?shù)男畔⑷萘?? 不能 , 因?yàn)楣鈱W(xué)纖維的傳輸帶寬受到材料色散、模式色散和構(gòu)造色散的限制。材料色散是指不同波長的光在介質(zhì)中的折射率不一樣。用數(shù)學(xué)式表示為n=f()(8-13)式中n 材料折射率 ;波長。該式說明介質(zhì)的折射率是波長的函數(shù) , 因?yàn)榧词故菃紊庖捕加幸欢ǖ淖V線寬度。如He-Ne 激光的 6328Å的譜線寬度為 10-7Å。模式色散是指不

51、同模式的光脈沖在光學(xué)纖維中傳播速度不同所產(chǎn)生的傳輸時(shí)間差。構(gòu)造色散是指由光纖結(jié)構(gòu)上的原因引起的光傳播速度的變化。在多模光纖中 , 限制傳輸帶寬的主要因素是模式色散 , 在單模光纖中 , 影響傳輸帶寬的主要因素是材料色散。由于石英光纖的工作波段為 0.85m和 1.30m 。它目前達(dá)到的損耗已接近其極限值 , 降低的空間已很小。為了實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信 , 必須使光纖在更長波長的紅外窗口波段工作 , 這樣才能得到更低的損耗 , 因此 , 研究紅外光纖已成為當(dāng)今光纖研究的主要方向。第九章發(fā)光材料發(fā)光材料品種很多 , 按激發(fā)方式發(fā)光材料可以分為 :（1）光致發(fā)光材料 : 發(fā)光材料在光 ( 通常是紫外光、

52、紅外光和可見光 ) 照射下激發(fā)發(fā)光。（2）電致發(fā)光材料 : 發(fā)光材料在電場或電流作用下的激發(fā)發(fā)光。（3）陰極射線致發(fā)光材料 : 發(fā)光材料在加速電子的轟擊下的激發(fā)發(fā)光。（4）熱致發(fā)光材料 : 發(fā)光材料在熱的作用下的激發(fā)發(fā)光。（5）等離子發(fā)光材料 : 發(fā)光材料在等離子體的作用下的激發(fā)發(fā)光。1. 分立中心發(fā)光發(fā)光材料的發(fā)光中心 ( 即發(fā)光體內(nèi)部在結(jié)構(gòu)中能發(fā)光的分子 ) 受激發(fā)時(shí)并未離化 , 即激發(fā)和發(fā)射過程發(fā)生在彼此獨(dú)立的、個別的發(fā)光中心內(nèi)部的發(fā)光叫做分立中心發(fā)光。這種發(fā)光是單分子過程 , 并不伴隨有光電導(dǎo) , 故又稱為“非光電導(dǎo)型”的發(fā)光。分立中心發(fā)光有以下兩種情況 :(l) 自發(fā)發(fā)光。受激發(fā)的粒

53、子 ( 如電子 ), 受粒子內(nèi)部電場作用從激發(fā)態(tài) A 而回到基態(tài) G 時(shí)的發(fā)光 , 叫自發(fā)發(fā)光。這種發(fā)光的特征是 , 與發(fā)射相應(yīng)的電子躍遷的幾率基本上決定于發(fā)射體內(nèi)的內(nèi)部電場 , 而不受外界因素的影響。(2) 受迫發(fā)光。受激發(fā)的電子只有在外界因素的影響下才發(fā)光 , 叫受迫發(fā)光。它的特征是 , 發(fā)射過程分為兩個階段 , 如圖 9-l(b) 所示 , 受激發(fā)的電子出現(xiàn)在受激態(tài) M 上時(shí) , 從狀態(tài) M 直接回到基態(tài) G 上是禁阻的。在 M 上的電子 , 一般也不是直接從基態(tài) G 上躍遷來的 , 而是電子受激后 , 先由基態(tài) G 躍遷到 A, 再到 M 態(tài)上 ,M 這樣的受激態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。受迫發(fā)射的

54、第一階段是由于熱起伏 , 電子吸收能量 E 后 , 從 M 態(tài)上到 A, 要實(shí)現(xiàn)這一步 , 電子在 M 態(tài)上需要花費(fèi)時(shí)間 , 等待機(jī)會 , 從 A 態(tài)回到 G 態(tài)是允許的 , 這就是受迫發(fā)射的第二階段。由于這種發(fā)光要經(jīng)過亞穩(wěn)態(tài) , 故又稱受迫發(fā)光為亞穩(wěn)態(tài)發(fā)光。2. 復(fù)合發(fā)光發(fā)光材料受激發(fā)時(shí)分離出一對帶異號電荷的粒子 , 一般為正離子 ( 空穴 ) 和電子 , 這兩種粒子在復(fù)合時(shí)便發(fā)光 , 即叫復(fù)合發(fā)光。由于離化的帶電粒子在發(fā)光材料中漂移或擴(kuò)散 , 從而構(gòu)成特征性光電導(dǎo) , 所以復(fù)合發(fā)光又叫“光電導(dǎo)型”發(fā)光。規(guī)定當(dāng)激發(fā)停止時(shí)的發(fā)光亮度 L 衰減到 Lo 的 10% 時(shí) , 所經(jīng)歷的時(shí)間為余輝時(shí)間

55、 , 簡稱余輝。如人眼能感覺到余輝的長發(fā)光期間者為磷光 , 人眼感覺不到余輝的短發(fā)光期間者為熒光。用紫外光、可見光及紅外光激發(fā)發(fā)光材料而產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象稱為光致發(fā)光 , 這種發(fā)光材料稱為光致發(fā)光材料。光致發(fā)光是一種三步過程 : 吸收一個光子 ; 把激發(fā)能轉(zhuǎn)移到熒光中心 ; 由熒光中心發(fā)射輻射。發(fā)光的滯后時(shí)間約為 10-8s的稱為熒光 , 衰減時(shí)間大于 10-8s 的稱為磷光。光的吸收和熒光發(fā)射均與材料的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。材料吸收光除了可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊晒馔?, 還可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰俊Ｒ蚨?, 產(chǎn)生熒光最重要條件是分子必須在激發(fā)態(tài)有一定的穩(wěn)定性 , 即如前所述的能夠持續(xù)約 10-8s 的時(shí)間。多數(shù)分子

56、不具備這一條件 , 它們在熒光發(fā)射以前就以其他形式釋放了所吸收的能量。只有具備共軛鍵系統(tǒng)的分子才能使激發(fā)態(tài)保持相對穩(wěn)定而發(fā)射熒光。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) ( 10-8s)能夠發(fā)光 , 這些晶體稱為磷光材料。磷光材料的主要組成部分是基質(zhì)和激活劑兩部分。稀土三基色熒光粉分別是紅粉、綠粉、藍(lán)粉按一定比例混合而成。它解決了鹵磷酸鹽長期存在的光效和顯色性不能同時(shí)提高的矛盾 , 更由于這類材料具有耐高負(fù)荷、耐高溫的優(yōu)異性能 , 成為新一代燈用熒光粉材料。Y2O3 :Eu3+是效率高、色純度好、光衰性能穩(wěn)定

57、而惟一達(dá)到制燈要求的稀土紅粉。綠粉在稀土三基色熒光粉中 , 對燈的光通量、顯色性等起主要作用。這類材料品種最多。稀土三基色熒光粉的藍(lán)色組分 , 已實(shí)用的有鋁酸鹽體系和鹵磷酸鹽體系。發(fā)光體在紅外光的激發(fā)下 , 發(fā)射可見光 , 這種現(xiàn)象稱為上轉(zhuǎn)換發(fā)光 , 這種發(fā)光體稱為上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象有以下三種情況 : 第一種情況是確實(shí)有一個中間能級 , 在光激發(fā)下處于基態(tài)的電子躍遷到這個中間能態(tài)。電子在這個中間能態(tài)的壽命足夠長 , 以致它還可吸收另一個光子而躍遷到更高的能級。電子從這個更高的能態(tài)向基態(tài)躍遷 , 就發(fā)射出波長比激發(fā)光的波長更短的光束 ; 第二種情況是中間能級并不存在 , 但發(fā)光體可以連續(xù)吸收兩個光子 , 使基態(tài)電子直接躍遷到比激發(fā)光光子的能量大得更多的能級 ; 第三種情況是兩個敏化中心被激發(fā) , 它們把激發(fā)能按先后順序或同時(shí)傳遞給發(fā)光中心 , 使其中處于基態(tài)的電子躍遷到比激發(fā)光光子能量更高的能級 , 然后弛豫下來 , 發(fā)出波長短得多的光。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料差不多都是摻稀土元素的化合物或者就是稀土元素的化合物 , 它們均由稀土離子激活 , 其中以 Yb3+-Er3+最為常見。所謂電致發(fā)光是在直流或交流電場作用下 , 依靠電流和電場的激發(fā)使材料發(fā)光的現(xiàn)象。又稱場致發(fā)光