專業(yè)導(dǎo)論10-1課件

1、材料物理與化學(xué)專業(yè)概論材料物理（1）引 言材料物理與化學(xué)系兩個專業(yè)材料物理： 材料化學(xué)： 功能高分子材料 (具有特殊物理性能) 材料科學(xué)最前沿的領(lǐng)域引 言-目的選專業(yè)了解材料物理與化學(xué) 重要性，干什么的，有什么用，前途如何擴大知識面，對于材料特別是高科技新材料有更多的了解，對材料產(chǎn)生興趣培養(yǎng)科學(xué)素質(zhì)：好奇心、思考、質(zhì)疑、創(chuàng)新了解各門課程的重要性，提高學(xué)習(xí)的動力仰望天空，腳踏實地溫家寶總理在同濟(jì)大學(xué)講： “如果一個民族只是關(guān)心腳下的事情，那是沒有未來的 （黑格爾） 。 我希望同學(xué)們經(jīng)常仰望天空，學(xué)會做 人，學(xué)會思考，學(xué)會知識和技能，做一個關(guān)心世界 和國家命運的人。 ” 要關(guān)注國家乃至人類發(fā)展需要

2、，這是有前途的領(lǐng)域 只有把自己的發(fā)展與社會責(zé)任聯(lián)系起來，才能有前途 材料物理對我國科技發(fā)展乃至社會發(fā)展承擔(dān)的責(zé)任 就 業(yè) 問 題麥可思（MyCOS）調(diào)查公司關(guān)于各專業(yè)就業(yè)情況的調(diào)查，按就業(yè)預(yù)期將專業(yè)劃分紅黃綠牌，以指導(dǎo)專業(yè)調(diào)控。其中綠牌專業(yè)是就業(yè)率居全國專業(yè)前50名，并且就業(yè)率或薪資增加最快（或金融危機時下降最慢）的前10名，為需求增長型專業(yè)。綠牌專業(yè): 第一石油工程，第二材料物理 就 業(yè) 問 題為什么有這樣預(yù)測? (根據(jù)學(xué)院統(tǒng)計材料物理就業(yè)率歷來不低) 學(xué)會自己分析形勢做出判斷 就業(yè)包含兩個問題: 1）社會的需求 2）如何能夠得到好的職位有前途的領(lǐng)域迫切需要的領(lǐng)域，高速發(fā)展的領(lǐng)域是最有前途的

3、高速發(fā)展的：信息-計算機，通訊迫切需要的：能源（新能源，節(jié)能） 環(huán)境（二氧化碳排放） 這些都是材料物理的用武之地 這些領(lǐng)域是否大量需要人呢？生產(chǎn)第一大國我國鋼產(chǎn)量世界第一，占世界1/3以上，我校很多人到鋼廠我國自2007年就成為生產(chǎn)太陽能電池第一大國 目前國內(nèi)60余家太陽能電池生產(chǎn)企業(yè)年生產(chǎn)能力超過3000MWp，2008年產(chǎn)量達(dá)到2600MWp，已經(jīng)超過當(dāng)年世界光伏電池產(chǎn)量的1/3。我國2/3地區(qū)年日照時間超過2000小時。預(yù)計2020年太陽能光伏電池裝機容量超過2000萬KW，2008年僅40MWp，加上其他可再生能源也與可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃提出的2020年可再生能源占總量15%的目標(biāo)

4、相去甚遠(yuǎn)。 還要有大發(fā)展-需要材料物理畢業(yè)生 無錫尚德太陽能電力有限公司 -施正榮特 點我國還有很多世界產(chǎn)量第一 如光纖等等這些材料領(lǐng)域的共同特點：（1）與科技發(fā)展相關(guān)的高科技材料，需求越來越大（2）產(chǎn)品還在不斷更新，有廣闊的發(fā)展前景（3）不僅需要材料知識還需要較多物理知識 （即需要材料物理） 這也正是麥可思公司調(diào)查看好材料物理的根據(jù)學(xué) 會 求 職要學(xué)會求職，這是一種能力 國外有很多關(guān)于如何求職的專門書求職基本需要： 了解希望進(jìn)入的行業(yè)，主動求職 掌握足夠的相關(guān)知識-面試 惰性會耽誤人的一生根據(jù)以前畢業(yè)生的情況，發(fā)展比較好的大部分是開始找工作不太順利的同學(xué)內(nèi) 容 及 目 的本課下面將通過幾個最

5、常見的重要領(lǐng)域的介紹 高科技新材料的廣泛應(yīng)用（市場），基本原理1）說明為什么材料物理非常重要、有前途 （為什么很多材料領(lǐng)域必須要材料物理專業(yè)） -材料物理承擔(dān)的責(zé)任2）對這些領(lǐng)域有所了解 關(guān)注這些領(lǐng)域，學(xué)習(xí)相關(guān)知識，了解新進(jìn)展 關(guān)注相關(guān)的企業(yè)單位 為將來求職早做準(zhǔn)備 王剛在大學(xué)講時往往最后強調(diào)： “青年朋友們，長本事吧，別的都是瞎說?！?廣泛地攝取各種將來有用的知識材料物理是干什么的？材料物理學(xué)科是干什么的？ 研究材料中的物理問題 材料的物理性質(zhì) 材料中的物理變化 （內(nèi)部結(jié)構(gòu)及變化） 材料為什么會有不同性質(zhì)或簡單說： 研究、發(fā)展高科技新材料高科技新材料為什么重要？科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)社會進(jìn)步 高

6、科技新材料是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ) 材料進(jìn)步科技就進(jìn)步，材料突破科技就突破新材料在發(fā)展高技術(shù)、改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、增強綜合國力和國防實力方面起著重要的作用。世界各發(fā)達(dá)國家都非常重視新材料的發(fā)展。沒有半導(dǎo)體材料的發(fā)展就沒有現(xiàn)代計算機 也就沒有現(xiàn)代信息科學(xué)（電學(xué)性質(zhì)）沒有激光材料、光纖就沒有現(xiàn)代通訊技術(shù)（光學(xué)性質(zhì)）沒有太陽能電池，衛(wèi)星就不能工作（光電性質(zhì)）能源危機也有待于材料的發(fā)展來解決高科技新材料為什么需要材料物理？高科技新材料大量用的是材料的物理性質(zhì) （電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、光電性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)） 研究這些材料 不僅需要材料知識，更需要很多物理知識材料物理就是為了此領(lǐng)域研究的需要而設(shè)置的 培養(yǎng)發(fā)展這些

7、高科技新材料的人才 材料物理任重道遠(yuǎn)從世博會談起吧中國館 主題館高科技展示 世界最新重大成果都首先在世博會展示 上海世博會將成為歷史上第一個“低碳世博會” -造物記中國館和主題館的房頂太陽能總裝機容量高達(dá)3127千瓦。一旦投入使用，兩座“綠色電站”年均發(fā)電量約284萬度，每年即可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1000噸，年均減排二氧化碳約2500噸、二氧化硫84噸、氮氧化物42噸、煙塵762噸，無愧于“綠色”的稱號。為什么都重視太陽能電池？全球面臨能源、環(huán)境問題能源危機 (石油)人類工業(yè)革命的代價，是肆意揮霍大自然億萬年積攢的“陽光罐頭”，直到很晚才發(fā)現(xiàn)地球的不可再生資源將在百年之后坐吃山空。 現(xiàn)代化開采才僅一

8、百多年1851年倫敦世博會水晶宮展示煤礦采掘流程1933年芝加哥世博會展示石油開采和提煉的整個工藝 石油儲量僅夠用幾十年 （開發(fā)深海油田，墨西哥灣） 煤也不過還夠用一百來年，開采、運輸問題 怎么辦？為什么都重視太陽能電池？二氧化碳排放，溫室效應(yīng) 工業(yè)革命前, 8萬年間大氣中二氧化碳含量在180-270ppm，如今已經(jīng)到385ppm 造成地球氣候異常，災(zāi)害頻發(fā) 1997年12月，84個國家簽定了限制溫室氣體派放的京都協(xié)議書2009年12月，100多個國家首腦出席聯(lián)合國氣候變化大會，并發(fā)表了哥本哈根協(xié)議 我國投入幾百億解決節(jié)能減排 太陽能電池是理想的能源地球上的能源大部分是直接或間接利用太陽能 石

9、油，煤-幾億年前的太陽能 “陽光罐頭” 水電，風(fēng)力發(fā)電-受條件限制，生態(tài) 光合作用-美國利用植物制酒精最好的辦法：直接把太陽能轉(zhuǎn)變成電-太陽能電池 （光伏電池） 無排放，最清潔的能源 同時解決了能源問題和環(huán)境問題太陽能是取之不盡的能源2006年世界消耗能源共計455EJ（Exa-萬億） 僅相當(dāng)于地球1小時6分鐘接收到的太陽輻射 即：每小時到達(dá)地球上的太陽能可以滿足全世界 一年的能量需求，一秒鐘相當(dāng)500萬噸煤 照射在撒哈拉沙漠0.3%面積上的陽光， 就能夠整個歐洲的能源需要 我國太陽能資源21萬億千瓦太陽能是最好的解決辦法：取之不盡，無排放，不用水 解決能源問題的必然選擇 太陽能是取之不盡的能

10、源歐洲安裝太陽能電池國家給補貼僅2009年第四季度德國安裝光伏電池2.3GW西班牙2008年安裝光伏電池2.5GW南非計劃建一個1GW光伏電站無錫尚德產(chǎn)能在2009年基礎(chǔ)上增加85% ，2010年達(dá)1.3GW2010年第一季度總收入5.88億美圓,同比增長86.3% 英利綠色能源公司第一季度凈收24.5億元人民幣，毛利率達(dá)33.3% 被定單追著走太 陽 能 電 池航天的唯一能源 衛(wèi)星 空間站 （GaAs）神 7為什么光照就產(chǎn)生電？ 原理是什么 用什么材料做的太陽能電池需要材料物理 半導(dǎo)體太陽能電池 單晶Si，多晶Si，非晶Si， GaAs等 光照使p-n結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生電位差（為什么） 用什么材料既

11、導(dǎo)電又透明？ 顯然涉及很多物理知識，僅材料知識是不夠的 發(fā)展太陽能電池必須要材料物理單晶Si金屬導(dǎo)電膜p-n 結(jié)防反射膜透明導(dǎo)電膜太陽能電池需要解決問題需要解決的問題價格 單晶Si片價格高（起作用的部分僅微米） Si薄膜轉(zhuǎn)換效率低 光伏發(fā)電系統(tǒng)組件30元/瓦 目前已降到15元/瓦 轉(zhuǎn)換效率 目前一般小于20% 哪些因素影響，如何進(jìn)一步提高？這些都是要材料物理解決的問題為太陽能電池做貢獻(xiàn)降低成本，大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一：透明導(dǎo)電薄膜要讓光能夠進(jìn)入，又要把產(chǎn)生的電導(dǎo)出來，就必須要透明導(dǎo)電薄膜要求：透光率高，電阻率低 ITO（氧化銦錫）膜，半導(dǎo)體材料 含In 90%，成本，儲量 我國已經(jīng)是生產(chǎn)太陽

12、能電池第一大國必須找一種價格低，儲量豐富的材料 IZO，AZO-性能 （還有很多應(yīng)用） 正在開展此研究項目，研究經(jīng)費1000萬元 （為什么要材料物理來研究？）性 能 與 壽 命壽命 （功能失效，減退）為什么會失效？如何提高使用壽命?也是材料物理 要解決的問題勇氣號火星車900天(06年7月，原計劃90天)太陽能電池研究進(jìn)展國際上還在不斷研究新型電池單晶Si電池實驗室40%（規(guī)模生產(chǎn)20%）TiO2 /有機染料敏化電池 (7月報道：臺灣高雄大學(xué)楊干信降低 染料成本，轉(zhuǎn)換率9%)光電化學(xué)電池 （有機高分子）太陽能電池研究進(jìn)展2008年1月13日電 美國加州大學(xué)圣克魯茲分校張勁教授領(lǐng)導(dǎo)的包括中國、美

13、國和墨西哥三國研究人員的研究小組研制成功 將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的納米薄膜材料 二氧化鈦膜的厚度在150納米至1100納米之間，二氧化鈦粒子的平均尺寸是100納米。他們將二氧化鈦晶格材料摻雜了氮原子，同時用化學(xué)方式將硒化鎘制成的量子點連接在其上，用于敏化。光電轉(zhuǎn)化率 提高3倍太陽能電池研究新進(jìn)展2010年7月24日報道，美國南加州大學(xué)的研究人員最近成功研制出一種柔韌性很好的碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有機光伏電池。研究人員說，這種碳原子材料用途廣泛，比如有望用來生產(chǎn)太陽能窗簾和自行發(fā)電的衣服。 太陽能電池新進(jìn)展據(jù)英國每日郵報2010年8月11日報道，英國萊斯特大學(xué)與一家挪威公司合作研發(fā)的新型太

14、陽能電池，能像玻璃貼膜一樣使用，既透光又發(fā)電。這項革命性技術(shù)可在5年內(nèi)投入使用，有望把每一扇窗子都變成一臺太陽能發(fā)電機。 新型的“貼膜”太陽能電池由挪威EnSolAS公司設(shè)計，原材料來自萊斯特大學(xué)研究人員合成的一種金屬納米粒子。這些直徑10納米左右的金屬粒子，被嵌入排列在透明化合物的矩陣中。 其“貼”在玻璃門窗、透明屋頂及外墻的表面后，會讓使用者感覺像裝了淺淡的有色玻璃。這種膜非常薄即使大面積鋪設(shè)，也比傳統(tǒng)太陽能裝置的投資要節(jié)省許多。甚至它還能加在汽車頂棚上為電池充電 目前，小塊的電池片材料已經(jīng)成型，研發(fā)的下一個目標(biāo)是系統(tǒng)化完善該技術(shù)，讓電池效率達(dá)到20%或更高。 太陽能電池進(jìn)展(太陽能電池汽

15、車)在澳大利亞太陽能汽車挑戰(zhàn)賽 密歇根大學(xué)的車 3000km，150km/h我國早期的 一輛太陽能汽車上海電力學(xué)院太陽能研究所長 趙春江 22塊太陽能電池板太陽能電池進(jìn)展(太陽能電池飛機)有人駕駛太陽能飛機連續(xù)飛行26小時可連續(xù)飛行3天半的太陽能飛機(英)核 電 站 材 料解決我國能源問題的另一途徑：核電核電站 可解決排放，運輸問題核反應(yīng)堆-鈾235裂變，E=mc2世界439臺機組，占總發(fā)電16%美國103臺（20%），法國78%我國11臺，占1. 9%2007年11月，國務(wù)院批準(zhǔn)并公布了國家核電發(fā)展專題規(guī)劃(2005-2020年)，預(yù)計到2020年，我國核電比重將從不到2%提高到4%，將建設(shè)

16、30多座核電站。 核電站材料對材料特殊要求苛刻的工作環(huán)境 高溫、高壓、高輻照材料會發(fā)生什么變化，為什么使用什么材料確保安全（契爾諾貝利）我校 4億多元的“大項目” 重大工程中的材料服役問題（核電站）核能源中的材料問題核電燃料儲量也有限核反應(yīng)堆-鈾235 僅0.72% 鈾238 99.28%利用鈾238的快中子反應(yīng)堆 輻照更強，溫度更高 用液態(tài)Na 導(dǎo)出熱大量材料問題需要解決2010年7月我國第一座快中子反應(yīng)堆中國實驗快堆(CEFR)達(dá)到首次臨界, 其熱功率為65兆瓦，電功率20兆瓦 核能源中的材料問題國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（人造太陽）(International Thermonuclear E

17、xperimental Reactor, “ITER”) 核聚變-氘，氚聚變七方代表06年11月21日在法國巴黎正式簽署了聯(lián)合實驗協(xié)定及相關(guān)文件，全面啟動了這一人類開發(fā)新能源的宏偉計劃 關(guān)鍵還是材料問題可以解決能源問題 海水中有大量的氘，氚關(guān)鍵是兩個問題：如何控制反應(yīng) 用什么材料（抗高溫、輻照）幾千度高溫，強輻照用什么材料做反應(yīng)器用什么材料把熱能導(dǎo)出來(Li) 強磁場把反應(yīng)約束起來 超導(dǎo)體我系萬發(fā)榮教授等已加入材料研究隊伍超 導(dǎo) 材 料電阻為零 輸電沒有損耗（15%損耗） 得到超強磁場-線圈很大電流 Q = I 2 R t -沒有電阻不發(fā)熱 核磁共振 實驗儀器 發(fā)電機，電動機超 導(dǎo) 材 料19

18、11年，昂納斯研究液氦溫區(qū)電阻時，發(fā)現(xiàn)4.2K以下時，汞的電阻突然降為零1957年，巴丁、庫帕和施瑞弗基于電子和聲子相互作用建立微觀理論（量子問題） 諾貝爾獎發(fā)現(xiàn)很多種超導(dǎo)體，最好的Nb3Ge-23.2K 希望：液氮溫度77K（-196C） 理論預(yù)測不能超過30K超 導(dǎo) 材 料1986年，柏諾茲和繆勒發(fā)現(xiàn) La-Ba-Cu-O超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度35K(鈣鈦礦結(jié)構(gòu)) 不僅打破記錄 提出新思路 1987年2月90K，1988年2月125K 高溫超導(dǎo)體 為什么氧化物會出現(xiàn)超導(dǎo)機理還不清楚 長線材，濾波器，限流器（50kA） 也需要材料物理小 結(jié)社會發(fā)展要靠科學(xué)技術(shù)發(fā)展 現(xiàn)代高科技的發(fā)展都要靠材料高科技材料大量用的都是材料的物理性質(zhì)發(fā)展這些材料必須有相當(dāng)?shù)奈锢砘A(chǔ)這正是材料物理專業(yè)的重要性材料物理是大有可為的社會發(fā)展科學(xué)技術(shù)高科技材料材料物理21世紀(jì)的光源-LED解決能源問題-新能源，節(jié)能 上海世博會展示的另一亮點 這次有最多和最大的顯示屏北京館世博會上的LED英國館-6萬根透明亞克力桿頂端都帶有一個細(xì)小的彩色光源，可以組合成多種圖案和顏色夜景照明總規(guī)劃師、總設(shè)計師、同濟(jì)大學(xué)建筑學(xué)院郝洛西教授 :上海世博會正成為全球最大的LED秀場，世博園區(qū)也正成為全球最大