材料的功能轉換課件

1、張量張量是一組有規(guī)則的數，這些數就叫做張量的元素，有時也叫做分量 。三維笛卡兒坐標系在笛卡兒坐標系中，任一矢量P可以按照一組單位基矢ei（i=1,2,3）展開為 則矢量的三個坐標分量x1，x2，x3均為數量，且就是矢量端點P的坐標（x1，x2，x3）。特別在正交坐標系中，它們恰好等于矢量P在各個單位基矢上的投影。由上圖可以看出，每一個坐標（或坐標分量）只須用一個數就可以表示，所以叫做標量。每一個矢量P卻不能只用一個數來表示（這里需要三個數），而是需要用多個分矢量1、一階張量（矢量）2、二階張量3、三階張量4、四階張量動畫熱膨脹壓熱效應形變熱熱壓力熱電效應電熱效應電位移引起熵的極化熱壓電效應逆壓

2、電效應選擇9個應力分量 和1個溫度T作為獨立變量，由此可確定材料的狀態(tài)以及應變分量 和熵S。對于單位體積，有-代表9項求和上面兩式共代表10等式，每個等式的右邊都有10項。（i，j=1，2，3）恒定溫度下的彈性柔度恒定壓力下的熱膨脹系數恒溫下應力引起的熵變化溫度變化但應力恒定時產生的熱，即恒定應力下的單位體積的熱容量微分項的物理意義： 選擇外層參量（ ）為獨立變量，由此確定從屬變量（ ）。彈性逆壓電性熱膨脹正壓電性介電性熱電性壓熱效應電熱效應熱容性三個等式實際包含9+3+1=13個等式，每個等式的右邊又含有9+3+1=13項（動畫）斜率為k0的直線段負值動畫D平行于E：曲線A代表電場緩慢變化時

3、D與E關系；曲線B為電場以光頻變化時兩者的關系；當一束光波穿過晶體材料，因光波而引起的振動采用經過原點的雙箭頭表示，則折射率正比于曲線B在原點處斜率的平方根；若施加一個靜電場E0，使得靜電作用下的D與E處于P點，此時由通過晶體的光波引起的振動，采用經過P點的雙箭頭C表示，這種的新折射率會比曲線A在P點斜率小。電光效應是C點斜率隨偏壓電場E0變化而改變的一個量度。電場E0反向：晶體材料具有對稱中心，折射率相等克爾效應動畫鐵電陶瓷的晶體結構不具有對稱中心，存在極化軸，正、負電荷中心不重合，有自發(fā)極化Ps存在。Ps可以隨外加電場轉向，在外電場去除后，還能保持一定值剩余極化Pr。人工極化過程：利用鐵電

4、材料晶體結構的這種特 性，可以對燒成后的鐵電陶瓷在一定條件下（溫 度和時間），用強直流電場處理，使之在沿電場 方向顯示出一定的凈極化強度。 經過極化處理后，燒結的鐵電陶瓷將由各向 同性變成各向異性，因此具有鐵電效應。機械品質因數：壓電振子在諧振時儲存的機械能與在一個機械振動周期內消耗的機械能之比，反映壓電體振動時因內阻尼而消耗的能量的多少。品質因數一般越大越好。壓電材料石英晶體 研究較早，機電性能穩(wěn)定，沒有內耗，在頻率穩(wěn)定器、擴音器、電話、鐘表等領域有廣泛應用。酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鉭酸鋰、鈮酸鋰、碘酸鋰等 鈮酸鋰使用最多，屬畸變的鈣鈦礦結構，其單晶機電耦合系數大，傳輸損耗小，具有優(yōu)良的壓電

5、性能。鈦酸鋇（BaTiO3） 第一個被發(fā)現可以制成陶瓷的鐵電體。壓電材料的應用微聲技術（壓電半導體） B-A族化合物： CdS、CdSe、ZnO、ZnS、ZnTe、CdTe等 A-A族化合物： GaAs、GaSb、InSb、InAs、AlN等 用得最多的是CdS、CdSe、ZnO水聲轉換器 壓電材料水聲轉換器是利用正、逆壓電效應以發(fā)射聲波或接收聲波來完成水下觀察、通信和探測工作。超聲技術 利用壓電材料的逆壓電效應，在高驅動電場下產生高強度超聲波，以此作為動力，應用在超聲清洗、超聲乳化、超聲焊接、超聲打孔、超聲粉碎、超聲分散等高電壓發(fā)生器 利用了壓電材料的正壓電效應，將機械能轉換成電能，產生的電

6、壓很高。應用在壓電點火器、引燃引爆裝置、壓電開關、小型電源。電聲器件 利用壓電材料的優(yōu)良的機電性能、高的化學穩(wěn)定性，制成拾音器、揚聲器、蜂鳴器等。壓電材料的應用動畫晶體中存在熱釋電效應的前提 具有自發(fā)極化，即晶體結構中的某些方向存在固有電矩。 具有對稱中心的晶體將不可能具有熱釋電效應。只有晶體的結構中存在著與其他極軸不相同的唯一極軸（極化軸）時，才有可能因熱膨脹而引起總電矩的變化，即出現熱釋電效應。熱釋電晶體中一定存在壓電效應，壓電晶體不一定具備熱釋電效應。 熱釋電晶體：熱膨脹（在各個方向）引起 正、負電荷中心的相對位移。 壓電晶體：機械力沿一定方向引起正、負 電荷中心的相對位移。熱釋電晶體作

7、紅外探測器的工作原理當紅外熱輻射照到晶片上時，其溫度變化率： dT/dt垂直于熱電軸方向的晶體單位表面的電荷發(fā)生變化： dQ/dt =dP/dt熱釋電電壓V V = AR(dQ/dt)=AR(dP/dt)=ARpi (dT/dt） A兩極板面積； R負載電阻； Q晶體表面的電荷面密度 P自發(fā)極化強度 pi晶體熱釋電系數 可見，熱釋電晶體兩極板輸出的信號電壓與紅外輻射的溫度變化率成正比。 通過測量信號電壓的變化實現了對遠距離熱輻射目標溫度變化率的測量。 這種測量不需要使熱釋電晶體同輻射源達到溫度平衡，從而實現對遠距離的熱目標的探測成為可能。用作熱電紅外探測器晶體的主要性能參數： 熱釋電系數 此外

8、，要求晶體對紅外輻射具有吸收大、熱容量小、電容率小、介電損耗tan小、相對密度小、易加工成薄片等。熱釋電晶體應用 除作探測器外，還可用于非接觸測溫、火車熱軸探測、森林防火、無損探傷等。本征光電導：光子的能量大于半導體的禁帶寬度Eg，則價電子將可以被激發(fā)至導帶Ec，出現附加的電子-空穴對，從而使電導率增大。 用于檢測可見光、近紅外輻射雜質光電導：光照僅能激發(fā)禁帶中的雜質能級上的電子或空穴而改變其電導率。 用于檢測中紅外、遠紅外輻射 這種效應的產生，來自于材料因吸收光子后，其中的載流子濃度發(fā)生變化。原理 空間電荷區(qū)： 半導體材料形成p-n結時，由于載流子存在濃度差，n區(qū)的電子向p區(qū)擴散，而p區(qū)的空

9、穴向n區(qū)擴散，結果在p-n結附近，p區(qū)一側出現了負電荷區(qū)，n區(qū)一側出現了正電荷區(qū)。 空間電荷的存在形成自建電場：阻止電子由n區(qū)向p區(qū)、空穴由p區(qū)向n區(qū)進一步擴散，卻能推動n區(qū)空穴、p區(qū)電子分別向對方運動。原理當光子入射到p-n結時，若光子能量hvEg，在p-n結附近激發(fā)出電子空穴對。在自建電場的作用下，n區(qū)的光生空穴被拉向p區(qū)，p區(qū)的光生電子被拉向n區(qū)，結果n區(qū)積累了負電荷，p區(qū)積累了正電荷，從而產生光生電動勢。光生伏特效應：將外電路接通，則有電流由p區(qū)流經外電路至n區(qū)。應用制作探測光信號的光電轉換元件光電池太陽能電池如果光子的頻率小于某一min值，即使增加光的強度，也不能產生光電子發(fā)射。量子

10、效應： 一個光子與其所能引致的發(fā)生光電子數之比。 實用材料的值為0.10.2 應用 利用光電發(fā)射效應可制成光電發(fā)射管。澤貝克效應當由兩種不同的導體a和b構成的電路開路時，若其接點1和2分別保持不同的溫度T1（低溫）和T2（高溫）下，則回路內產生熱電勢，其感應電勢正比于接點溫度T1和T2之差T（T=T2-T1）,即熱電能或澤貝克系數， 單位為V/K珀爾貼效應若在兩種不同的導體a和b構成的閉合電路中流過電流I，則在兩個接點的一個接點處（接點1）產生熱量W，在另一個接點處（接點2）吸收熱量W，此現象稱為珀爾貼效應。產生的熱量正比于流過回路的電流珀爾貼系數 其大小取決于所用的兩種導體的種類和環(huán)境溫度。

11、湯姆遜效應在溫度隨位置不同而不同的導體（具有溫度梯度為 的導體）中，流過電流I而產生熱的現象。在每單位長度上，每秒產生的熱量 正比于 和I，即湯姆遜系數，單位為V/K。熱電材料的應用熱電偶-測量溫度-澤貝克效應 金屬的組合 適用的溫度范圍銅-康銅（60%Cu+40%Ni） -200400 oC 鎳鉻-鎳鋁 （90%Ni+10%Cr+95%Ni+5%Al） 01000 oC 鉑銠（Pt-13%Rh） 1500 oC 金鐵（Au-0.03%Fe） 低溫和超低溫測量 溫差發(fā)電-澤貝克效應 缺點：效率低，成本高 優(yōu)勢：在特殊環(huán)境中發(fā)電，如在高山、南極、空間、月球上工作的大功率能源。 制冷-珀爾貼效應

12、缺點：效率低 優(yōu)勢：不需大型設備即可實現降溫，而且體積小，結構簡單，適用于小型設備，特別適用于狹窄場所保持低溫以及控制半導體激光器的溫度等。制冷與低溫溫差發(fā)電 碲化鉍（Bi2Te3）、硒化鉍（Bi2Se3）、碲化銻（Sb2Te3）用于熱電轉換的材料： 氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物 硅化物的澤貝克系數高： MnSi-180、CrSi2-120 工作溫度也高克爾效應與泡克爾斯效應的差別 克爾效應除了表現在電場與物質折射率的變化成二次方關系外，還表現在所用的材料不是壓電晶體，而是各向同性材料（有時是液體）。 在入射光垂直的方向上加高電壓，各向同性體呈現出雙折射率特性，即一束入射光變成兩束出

13、射光，這種現象為電光克爾效應。電光材料的用途 制造光調制元件、用于光偏轉、可變諧振濾波、電場的測定等電光效應最重要的用途-電光快門電光晶體的作用：電光開關半波電壓：打開這個開關維爾德常數，其值高，則是非常有用磁光材料。動畫動畫磁光效應的應用應用法拉第效應制敏感元器件： 實驗光對磁光敏感功能材料具有較好的穿透特性。應用磁光克爾效應制敏感元器件 實驗光不能穿透所用磁光材料右旋左旋科頓-穆頓效應當光照射到硝基苯等芳香族化合物時，若在與入射光相垂直的方向上加上外磁場，化合物呈現雙折射特性，即一束入射光變?yōu)閮墒錾涔庹９馀c異常光。磁光效應的其它現象諾斯科夫和基科因將一片半導體放在磁場中，用于一個垂直于

14、場力線的輻射通量照射該半導體，那么半導體中就會產生一個垂直于磁場和輻射通量的電位差。磁光材料 磁光材料是在可見光和紅外波段具有磁光效應的光信息功能材料。磁性材料 亞鐵磁性石榴石、尖晶石鐵氧體、正鐵氧體、鋇鐵氧體二價銪的化合物、鉻的三鹵化物、一些金屬 亞鐵磁石榴石：R3Fe5O12，R為稀土金屬離子 亞鐵磁石榴石單晶薄片對可見光是透明的，對近紅外輻射幾乎是完全透明的。弱磁材料（順磁性或逆磁性） 含有大量Ga、In、Tl、Ge、Sn、Pb、Bi的離子的磁光玻璃，維爾德常數高。鐵磁性材料 CdCr2S4、CoCr2S4等尖晶石結構的硫屬化合物，它們的光、電、磁性能適宜制作成紅外波段（110 m）的磁

15、光器件，只能在液氮溫度以下應用。稀土過渡金屬薄膜 Cd-Co、Ho-Co、Cd-Fe、Te-Fe等，具有較強的磁光效應，可制作磁光器件。錳鉍型合金薄膜具有較大的克爾旋轉角。半導體材料 鍺、硅、硫化鉛、銻化銦、砷化銦、亞錫酸鎂聲光效應的表現形式： 布拉格反射-外加超聲波頻率較高 拉曼-納斯衍射-超聲波頻率較低普通光柵的衍射現象布拉格反射“活動性光柵” 聲光效應產生的衍射，由于超聲波的作用，在物質內部形成密度疏密波起到光柵作用。超聲波彈性應變傳播，光彈性效應使介質的折射發(fā)生周期變化。 超聲波引起的聲光效應尤為顯著： 超聲波能夠引起物質密度的周期性疏密變化，可使正在該物質中傳輸的光改變行進方向。拉曼-納斯衍射超聲波頻率較低（20 MHz），聲光相互作用長度較短（L2/2），光束與超聲波面平行時，產生拉曼-納斯衍射，平行光束垂直通過超聲波柱相當于通過一個很薄的聲光柵，通過會聚透鏡可在屏上觀察到各級衍射條紋布拉格反射超聲波頻率較高（20 MHz），聲光相互作用長度較大（L2/2），光波從與超聲波波面成布拉格角B的方向射入，以相同的角度反射4聲光材料聲光材料分為玻璃和晶體兩大類玻璃介質 優(yōu)點： 缺點：在可見光區(qū)，難獲得折射率大于2.1的透明玻璃 玻璃只適用于聲頻率低于100 MHz的聲光器件單晶介質（最重要） 適用于高于100 MHz的高效率聲光器件 鉬酸鉛