材料化學導論第8章-功能轉換材料課件

1、 第八章 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。該類材料能實現(xiàn)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+- 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(xiàn)象叫做壓電效應，即因形變產生的電效應。 也稱為正壓電效應。 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，也叫電致伸縮效應。（加交變電場，產生機械振動） 壓電效應使機械能和電能發(fā)生轉化。二、壓電機制1、非鐵電晶體（如石英） 不

2、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(xiàn)電極化，表面呈現(xiàn)束縛電荷。2、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極移至另一極形成電流。從而實現(xiàn)機械能向電能轉變即壓電效應。 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。電疇取

3、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源 反之，接入電源，電極上呈現(xiàn)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(xiàn)伸縮即發(fā)生振動。三、壓電材料工作參數(shù)1、機械品質因數(shù) 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(shù)稱為機械品質因數(shù)。2、機電耦合系數(shù)四、壓電材料種類 1、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） 鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛Pb（ZrxTi1-x）O3即PZT、

4、鈦酸鉛PbTiO3等。3、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(xiàn)木材壓電性后，相繼發(fā)現(xiàn)苧麻、絲竹、動物某些生物組織有壓電性。1960年，人工合成了聚合物有壓電性。 1969年，日本河合平司發(fā)現(xiàn)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：（1）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。（2）駐極體聚合物 如木材、絲竹、動物骨骼、肌肉、皮、頭發(fā)等

5、，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(shù)低，重復性差，難于實用。 8-2 熱釋電材料一、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，在某些相對應表面產生異號電荷。該現(xiàn)象叫熱釋電效應。 其逆效應為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(xiàn)熱釋電效應 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電介質壓電體熱釋電鐵電

6、體電介質壓電體熱釋電鐵電體 1、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。 所以，必須有自發(fā)極化即晶體某些方向存在固有電矩。故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，但壓電晶體不一定存在熱釋電效應。三、熱釋電材料 1、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

7、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PVDF4、鐵電陶瓷-聚合物復合材料 如Pb（Zr，Ti）O3-硅橡膠復合物電介質壓電體熱釋電鐵電體npnpnp 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） 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。二、光電子材料及其應用1、光電導材料及應用 CdS,CdSe,CdTe,ZnSe,HgSe,HgTe,PbS,PbSe

8、,InP,InAs,InSb,GaAs,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（1）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 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在0.91.5

9、eV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。 電視攝像管原因：棒ab存在電動勢（湯姆遜電動勢） 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。發(fā)生在同種金屬兩端之間。回路總電動勢： 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

10、應用1、用于測溫恒溫裝置電位差計 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3、用于制冷 利用半導體帕爾貼效應（比金屬強得多），實現(xiàn)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：壽命長，可靠，小型化，無空氣污染4、材料 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：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

11、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源必須采用它。 8-5 電光材料一、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(xiàn)象。 研究證實：折射率受電場影響 右邊第一項：線性電光效應（壓電晶體）（波克爾效應） 右邊第二項：二次電光效應（各向同性物質）（克爾效應） 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。電極異常光正常光壓電晶體入射光電極電極異常光正常光各向同性物質入射光電極波克爾效應克爾效應不同材料表現(xiàn)不同效應： 波克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

12、較波克爾效應弱得多，忽略不計。還有電旋光效應： 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、電光材料大部分為晶體 KH2PO4, NH4H2PO4,BaTiO3,SrTiO3, LiTiO3, ZnS,GaAs等三、應用1、電場測定 因為電場大小影響雙折射程度。2、電光器件（1）電光開關（快門） 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晶體光源00900調制光兩偏振片正交 不加電壓：無光輸出（關） 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：VT 理想情況下，開關頻率可達1010次/秒。任何機械快門難于達到。電極異常光正常光各向

13、同性物質入射光電極克爾效應 光軸沿電場方向 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。克爾效應產生和消失時間極短（10-9s），隨著電場的產生和消失迅速開和關。 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。 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：2、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。3、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

14、場，物體對光的吸收系數(shù)隨光的頻率呈振蕩變化的現(xiàn)象，叫振蕩磁光效應冷氣入射光透射光吸收系數(shù)波長波長吸收系數(shù)4、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。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

15、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 聲光材料一、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(xiàn)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變化，形成超聲光柵，引起光的衍射（聲光衍射效應）。兩類衍射形式： 一是類似于普通光柵衍射的拉曼-納斯衍射； 二是類似于晶體x射線衍射即布拉格衍射。1、拉曼-納斯衍射 物質內形成的疏密波相當于光柵，光柵常數(shù)即聲波波長超聲振子超聲波2、布拉格衍射光在介質中波長滿足該式，強反射。超聲振子超聲波二、聲光材料（兩大類）1、聲光玻璃 常用材料：熔融石英玻璃，Te玻璃等 優(yōu)點：易生產加工，退火后光學均勻性好，損耗小，價廉。 缺點：可見光區(qū)，難獲得折射率2.1的玻璃2、聲光晶體 主要是氧化物晶體，其中重要的是：二氧化碲（TeO2）、鉬酸鉛（PbMoO4）、鍺酸鉍（Bi12GeO20） 氧化物晶體一般具有長波吸收帶，很難用于紅外，特別是10.6微米波段。（紅外吸波）三、應用1、聲光調制器 衍射效率與超聲功率有關。采用強