化學(xué)是實用和創(chuàng)造性的科學(xué)課件

化學(xué)的今天和明天

任課教師：彭正合教授

武漢大學(xué)化學(xué)系

化學(xué)的今天和明天

任課教師：彭正合教授

武漢大學(xué)化學(xué)系

1第3章化學(xué)是實用和創(chuàng)造性的科學(xué)

3.1化學(xué)在住房和家庭陳設(shè)品方面的作用3.2化學(xué)在穿著方面的作用3.3化學(xué)與交通運輸方面的關(guān)系3.4化學(xué)與食物方面的關(guān)系3.5化學(xué)與國防方面的關(guān)系3.6化學(xué)與執(zhí)法方面的關(guān)系3.7化學(xué)生活質(zhì)量的貢獻(xiàn)3.8關(guān)于未來第3章化學(xué)是實用和創(chuàng)造性的科學(xué)3.1化學(xué)在住房和家庭陳設(shè)2現(xiàn)代生活之所以不同于先前，是因為我們學(xué)會了如何取用天然的物質(zhì)并加以改造，使之更好地為我們服務(wù)。3.1化學(xué)在住房和日用品方面的作用只有沙、石、木材是天然材料，但它們需要用合成的化學(xué)品粘接（如各種粘接劑）和保護（如各種涂料和油漆，各種裝飾板）。水泥、玻璃、陶瓷、防漏劑、塑料管材及板材都是化學(xué)品。膠合板、鋁合金材料，金屬材料和釘子及其保護層都大量化學(xué)加工。廚房許多設(shè)施、餐具、器皿以及飲料瓶都是化學(xué)品。現(xiàn)代生活之所以不同于先前，是因為我們學(xué)會了如何取用天然的物質(zhì)3陶瓷、塑料、金屬衛(wèi)生潔具，洗滌劑、洗浴劑、洗發(fā)劑等都是化學(xué)品。許多地毯、裝飾面料和染料都是化學(xué)品。家用電器，如空調(diào)、冰箱、冷柜、電視機、電腦等骨架材料和功能材料都是化學(xué)品。導(dǎo)線及其包皮、照明燈具等絕大多數(shù)是化學(xué)品。燃料、燃?xì)馐腔瘜W(xué)品，燃燒和烹飪有化學(xué)變化。進入住宅的自來水也經(jīng)過了化學(xué)處理。在住房和日用品方面，沒有與化學(xué)無關(guān)的物品。陶瓷、塑料、金屬衛(wèi)生潔具，洗滌劑、洗浴劑、43.2化學(xué)在穿著方面的作用服飾的材料都含有合成纖維和合成染料。皮革和毛皮經(jīng)過了化學(xué)品鞣制和化學(xué)處理。大量合成皮革和合成橡膠替代了天然品。棉花、亞麻和羊毛都經(jīng)過了化學(xué)處理和染色。在穿著方面，沒有與化學(xué)無關(guān)的物品。3.2化學(xué)在穿著方面的作用服飾的材料都含有合成纖維和合成53.3化學(xué)與交通運輸方面的關(guān)系機動車、自行車，以及火車、輪船、飛機中的每件東西都是化學(xué)加工業(yè)的一種產(chǎn)品。例如金屬、塑料、油漆，顯然是化學(xué)品。輪胎用的橡膠：天然橡膠必須經(jīng)過硫化處理工藝，才具有堅韌性；大量地采用合成橡膠，如氯丁橡膠。3.3化學(xué)與交通運輸方面的關(guān)系機動車、自行車，以及火車、63.4化學(xué)與食物方面的關(guān)系人們要了解飲食的化學(xué)本性，就必須學(xué)些化學(xué)知識，以便了解哪些化學(xué)品應(yīng)歸入有益于健康的飲食?；瘜W(xué)的作用始于食物供應(yīng)之初的農(nóng)業(yè)?；瘜W(xué)肥料為農(nóng)作物提供了氮、磷、鉀，以及其他化學(xué)元素。如果沒有化肥，就不能為眾多的人口提供足夠的食物，也不能為牲畜提供足夠的食物。除草劑和殺蟲劑都是化學(xué)品。除草劑能使農(nóng)作物茂盛，殺蟲劑則能保護農(nóng)作物。3.4化學(xué)與食物方面的關(guān)系人們要了解飲食的化學(xué)本性，就必須73.4化學(xué)與食物方面的關(guān)系(續(xù)）化學(xué)的另一貢獻(xiàn)，是開發(fā)安全的食品防腐劑和符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的包裝方法。食品冷藏法，建立在合成冷凍劑的基礎(chǔ)之上。利用氯氣或臭氧的水處理方法，保障了潔凈水供應(yīng)。藥物化學(xué)家開發(fā)了獸藥，保障了家畜的健康。各種加工食品的添加劑、發(fā)酵粉都是化學(xué)品，加工過程都有化學(xué)變化。各種飲料和酒類，都有化學(xué)家的貢獻(xiàn)。我們不可能從食物中除去“化學(xué)品”，但是我們必須保證所用化學(xué)品是安全和有效的。3.4化學(xué)與食物方面的關(guān)系(續(xù)）化學(xué)的另一貢獻(xiàn)，是開發(fā)安全83.5化學(xué)與國防方面的關(guān)系戰(zhàn)爭決不是一種有價值的的人類活動，然而一旦戰(zhàn)爭爆發(fā)，人人都希望取得勝利。各國政府總是號召科學(xué)家們制造出更有效的武器或更好的防御物，化學(xué)在武器和防御物這種“矛和盾”兩方面都發(fā)揮著極其重要的作用。有古代中國發(fā)明的黑火藥，徹底改變了交戰(zhàn)狀況。現(xiàn)代彈藥和炸藥只是黑火藥的更新而已。3.5化學(xué)與國防方面的關(guān)系戰(zhàn)爭決不是一種有價值的的人類活動9黑火藥、現(xiàn)代彈藥和炸藥，都是化學(xué)藥品機器混合物。它們的爆炸過程實際上是個化學(xué)反應(yīng)過程，反應(yīng)釋放出大量熱能和氣體，如N2和CO2等，熱氣體急劇膨脹而產(chǎn)生爆炸。核武器的爆炸，是原子核發(fā)生熱核反應(yīng)（核化學(xué)過程）的結(jié)果，反應(yīng)產(chǎn)生大量的放射線、沖擊波和熱能，并使空氣急劇膨脹。非化學(xué)武器及其防御物本身的各個部件都離不開化學(xué)，存儲和運載它們的工具同樣離不開化學(xué)。黑火藥、現(xiàn)代彈藥和炸藥，都是化學(xué)藥品機器混合物。它們的爆炸過10化學(xué)武器及其防御物本身更是化學(xué)家的杰作。生物武器及其防御物，至少是利用了微生物釋放的化學(xué)毒劑。隱身技術(shù)靠化學(xué)家設(shè)計的隱身材料：吸收雷達(dá)波、吸收紅外光的材料。偵察、探測技術(shù)，導(dǎo)彈制導(dǎo)技術(shù)，都離不開專門的功能材料，如特種電子材料?；瘜W(xué)武器及其防御物本身更是化學(xué)家的杰作。113.6化學(xué)與執(zhí)法方面的關(guān)系海洛因、可卡因、搖頭丸等毒品和違禁藥，是不法化學(xué)家的作品，禁毒和執(zhí)法工作正式真正化學(xué)家的工作之一。化學(xué)家所用到的分析、檢測方法，幾乎都用于執(zhí)法。例如法醫(yī)學(xué)家的各種鑒定方法，包括通過DNA鑒定來識別罪犯。警察的裝備，像軍人的裝備一樣離不開化學(xué)品，包括催淚性毒氣、麻醉性子彈。3.6化學(xué)與執(zhí)法方面的關(guān)系海洛因、可卡因、搖頭丸等毒品和違123.7化學(xué)生活質(zhì)量的貢獻(xiàn)教育、文化、藝術(shù)、體育、健身、醫(yī)療衛(wèi)生，信息、娛樂等用品，無不有化學(xué)的貢獻(xiàn)。3.7化學(xué)生活質(zhì)量的貢獻(xiàn)教育、文化、藝術(shù)、體育、健身、醫(yī)療133.8關(guān)于未來

新型電功能材料材料的電學(xué)及電子學(xué)性能導(dǎo)電性：以電荷遷移為特征，取決于載流子（電子、空穴、離子）濃度、電荷遷移率。介電性：以電荷偏離（電極化）為特征，取決于電極化率。3.8關(guān)于未來

新型電功能材料材料的電學(xué)及電子學(xué)性能141.導(dǎo)電性相關(guān)的材料

（按電導(dǎo)率劃分）良導(dǎo)體：>106

Scm–1;(S–1)半導(dǎo)體：106

Scm–110–

6

Scm–1;絕緣體：

<10–

6

Scm–1,與介電性緊密相關(guān)。超導(dǎo)體：無限大、電阻為零，與磁性緊密相關(guān)，亦屬于磁功能材料。1.導(dǎo)電性相關(guān)的材料

（按電導(dǎo)率劃分）良導(dǎo)體：>152.介電性相關(guān)的材料強介電體：無外場下存在由電荷分布而產(chǎn)生的電極化。反強介電體：無外場下存在由正負(fù)離子位置變化而產(chǎn)生的電極化。鐵氧介電體：無外場下存在由偶極子（或正負(fù)離子）自取向而產(chǎn)生的電極化。（通）常介電體：外電場下發(fā)生電極化。2.介電性相關(guān)的材料強介電體：無外場下存在由電荷分布而產(chǎn)生163.超導(dǎo)材料

超導(dǎo)現(xiàn)象1911年,氦液化器發(fā)明人---荷蘭科學(xué)家Onnes偶然發(fā)現(xiàn)，在液氦溫度(4.2K)下，汞的電阻突然消失了。這種電阻率為零現(xiàn)象被物理學(xué)家稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)現(xiàn)象僅當(dāng)物質(zhì)處于臨界溫度

TC、臨界磁場強度

HC和臨界電流密度

JC

以下的條件下，才能發(fā)生。3.超導(dǎo)材料

超導(dǎo)現(xiàn)象1911年,氦液化器發(fā)明人--17超導(dǎo)狀態(tài)

T-H-J三維圖

J

JC

（臨界電流密度）

T-H-J

臨界面

H

TC

HC

（臨界磁場強度）

T臨界溫度

TC超導(dǎo)狀態(tài)T-H-J三維圖JJC（臨界電18高溫超導(dǎo)材料直至1986年上半年，人類所發(fā)現(xiàn)的最好超導(dǎo)材料仍然是1973年獲得的Nb3Ge(TC=23.2K)，只能在液氦溫度下使用。氦氣稀少、液化困難，液氦保溫和使用不便、價格昂貴；氮氣豐富、液化容易，液氮保溫和使用較方便、價格可以接受（價格僅為液氦的1/1000）。尋求至少能在液氮溫度下使用的超導(dǎo)材料。高溫超導(dǎo)材料直至1986年上半年，人類所發(fā)現(xiàn)的最好超導(dǎo)材料仍19一個熱門研究領(lǐng)域高溫超導(dǎo)材料：臨界溫度TC高于液氮溫度（–77K）的超導(dǎo)材料的簡稱。1986年1月，瑞士科學(xué)家Müller等發(fā)現(xiàn)：

BaxLa5–xCu5O6(3-y)

氧化物陶瓷在30K時出現(xiàn)超導(dǎo)性轉(zhuǎn)變，到13K時電阻為零。同年底，美國、日本科學(xué)家宣布：重復(fù)了Müller等人的實驗結(jié)果，引發(fā)了全世界的高溫超導(dǎo)研究熱。理想：實現(xiàn)室溫超導(dǎo)。一個熱門研究領(lǐng)域高溫超導(dǎo)材料：臨界溫度TC高于液氮溫度（20中國高溫超導(dǎo)研究獨領(lǐng)風(fēng)騷不久，中科院公布了北大趙忠賢等人的結(jié)果：一種鐿-鋇-銅-氧（YBCO）系陶瓷，TC=93K中國科大的鉍-鉛-銅-氧系陶瓷，TC=132K已證實，各種YBCO

系超導(dǎo)陶瓷中，實際產(chǎn)生超導(dǎo)作用的是Y1Ba2Cu3O7~8

相（A相）。中科院上海硅酸鹽所確定了Y1Ba2Cu3O7~8

相的晶體結(jié)構(gòu)，對稱性C2v

.中國高溫超導(dǎo)研究獨領(lǐng)風(fēng)騷不久，中科院公布了北大趙忠賢等人的結(jié)21超導(dǎo)材料的應(yīng)用前景盡管超導(dǎo)的理論研究落后，但其實驗成果喜人、應(yīng)用前景誘人。重要應(yīng)用的6個方面：能量的產(chǎn)生、傳輸和儲存如超導(dǎo)線圈可使發(fā)電機的能量損失減少80%，超導(dǎo)磁體用于核電站，超導(dǎo)體導(dǎo)線的電力傳輸損耗僅為銅線的10%左右。交通運輸磁懸浮列車，磁懸浮汽車等。前者如：日本1979年（液氦下超導(dǎo)磁體）時速517km。我國新近在上海又建成了磁懸浮列車線。超導(dǎo)材料的應(yīng)用前景盡管超導(dǎo)的理論研究落后，但其實驗成果喜人、22電子技術(shù)領(lǐng)域超導(dǎo)電路極少或不發(fā)熱，可使芯片小而功能強大，超導(dǎo)開關(guān)管可在弱磁場下獲得強電流變化。分析檢測儀器和傳感器超導(dǎo)磁體磁共振成相儀，用于醫(yī)療診斷；超導(dǎo)量子干涉器件可檢測人體的極微弱磁場。航天和軍事技術(shù)領(lǐng)域超導(dǎo)體磁屏蔽、天線、電磁炮。基礎(chǔ)科學(xué)超導(dǎo)磁體用于加速器等。電子技術(shù)領(lǐng)域超導(dǎo)電路極少或不發(fā)熱，可使芯片小而功能強大，23

4.生物功能材料生物功能材料：與生物組織相容性好，可供植入生物活體內(nèi)的生物活性或惰性材料。聚合物、陶瓷和金屬。醫(yī)用聚合物：用于制造人工組織、人造器官及內(nèi)植輔助裝置，醫(yī)藥制劑，醫(yī)療器具的聚合物；通常不計后者。聚四氟乙烯：人工腦硬膜、瓣膜、肺、喉頭、食道、膽道、尿道等器官。有機硅橡膠：(同上)，氣管、耳、鼻、關(guān)節(jié)等器官。聚乙烯：同上“逗號”后。氨酯橡膠：人工心臟、瓣膜、血管等器官。4.生物功能材料生物功能材料：與生物組織相容性好24醫(yī)用合金及陶瓷醫(yī)用合金：鐵鉻鎳、鈷鉻、鈷鎳鉻及鈦合金等不銹鋼材料，用于硬組織器官或體內(nèi)植輔助裝置。醫(yī)用陶瓷：比金屬、聚合物材料更穩(wěn)定，組織相容性好，親水性良好。用于硬組織器官或體內(nèi)植輔助裝置。剛玉Al2O3用于人造牙齒、骨骼、關(guān)節(jié)等；羥基磷灰石Ca5(PO4)3(OH)燒結(jié)體、珊瑚礁與骨質(zhì)成分相似而生物相容性好，可替代新生骨。醫(yī)用合金及陶瓷醫(yī)用合金：鐵鉻鎳、鈷鉻、鈷鎳鉻及鈦合金等不銹鋼255.功能轉(zhuǎn)換材料

1994年4月,法國《科學(xué)與生活》月刊文章“智能材料革命”摘要:局限于計算機軟件中的人工智能正在進入一個更加廣闊的應(yīng)用新領(lǐng)域—材料領(lǐng)域。今天，所有工業(yè)大國都有“智能材料”研究的重大計劃。例如，一些研究所正在秘密研制“貼”在機翼上的“智能皮”，以取代起飛、轉(zhuǎn)向、降落所必須的尾翼和各種襟翼。這些覆蓋層可以根據(jù)飛行員的指令改變外形，起到與飛機尾翼和襟翼相同的作用。

5.功能轉(zhuǎn)換材料26智能材料的基礎(chǔ)，是對自然或誘發(fā)的外力、外場作出反應(yīng)，自動適應(yīng)環(huán)境。用制成的元、器件，還可以接收信息，按指令行動?；瘜W(xué)是實用和創(chuàng)造性的科學(xué)課件27三大類智能材料形狀記憶材料：具備形狀記憶功能的銅鎳基合金，可以“學(xué)會”一種形狀并且隨意復(fù)原，經(jīng)低溫變形后受熱即可恢復(fù)原形。電致伸縮和磁致伸縮材料：由陶瓷或合成材料制成，具有在電場或磁場作用下變形的能力。更重要的是，其變形程度隨電場或磁場強度而變化。這種明確的因果關(guān)系，具有很大的實用價值。壓電材料：將是2000年的最新冶金材料，具有能與人類神經(jīng)系統(tǒng)相比的特性和運作方式。它既有條件反射的速度，又有執(zhí)行大腦指令前的分析能力。三大類智能材料28功能轉(zhuǎn)換及其材料功能轉(zhuǎn)換：指光、電、磁、聲、熱、力、化學(xué)、生物學(xué)等功能之間的轉(zhuǎn)化與變換。例如功能轉(zhuǎn)換及其材料29

6.壓電與電致伸縮材料壓電效應(yīng)：在外界壓力(或張力)作用下，無對稱中心的晶體因彈性形變而沿一定方向產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象。在無外電場存在下，有時稱為正壓電效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)：外力為零時，在外電場作用下晶體線度發(fā)生變化的現(xiàn)象，逆壓電效應(yīng)。凱迪(Cady)法則：對于同一晶體，由外力引起的極化強度(正效應(yīng))，由外電場引起的(逆效應(yīng))應(yīng)變，二者的方向一致。因此，壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)有一致性的表達(dá)式.6.壓電與電致伸縮材料30壓電材料/電致伸縮材料

壓電與電致伸縮材料：主要是無機晶體(單晶)和陶瓷(多晶)，及具有閃鋅礦型、纖鋅礦型結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，近年來已發(fā)現(xiàn)一些有機聚合物(如聚氟乙烯)；熱釋電材料和鐵電材料都是優(yōu)良的壓電材料。典型的壓電材料：晶體石英、酒石酸鉀鈉、酒石酸二鉀、磷酸二氫鉀；晶體或陶瓷鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛；LiNbO3,LiCaO3等。例子BaTiO3(C2v或C4v):陶瓷相d31=79,d33=191;單晶d15=392,d31=34.5,d33=85.6(1012庫侖/牛頓),Q33=0.41,Q32=0.16,Q66=0.22(1016庫侖/牛頓).壓電材料/電致伸縮材料壓電與電致伸縮材料：主要是無機晶體(31壓電材料的應(yīng)用壓電材料的應(yīng)用32

6.熱電與熱釋電材料

熱電效應(yīng)及材料熱電效應(yīng)：塞貝克(Seebeck)效應(yīng)、珀耳帖(Peltier)效應(yīng)、湯姆遜(Thomson)效應(yīng)。見教材p359.熱電合金：合金熱電偶材料；低溫溫差發(fā)電、制冷材料,如

Bi2Te3,Bi2Se3,Sb2Te3等合金。熱電陶瓷：氧(碳,氮,硼,硅)化物，可用于熱電轉(zhuǎn)換。熱電聚合物：如聚偏氟乙烯及其共聚物。6.熱電與熱釋電材料

熱電效應(yīng)及材料熱電效應(yīng)：33

7.熱釋電材料熱釋電效應(yīng)：宏觀對稱性屬于第Ⅲ類點群的晶體，存在自發(fā)電極化Ps，當(dāng)有溫度變化T時，由Ps產(chǎn)生的表面束縛電荷因來不及被大氣中的自由電荷所屏蔽，致使相對應(yīng)的二表面顯示出電位差V。

Ps=1·

T+2·

T,

V=ARs(dPs/dT)(dT/dt

)

一級熱釋電系數(shù)：1=dPs/dT

，體積變化無關(guān)；二級熱釋電系數(shù)：

2，體積變化有關(guān)。2·

T：次級熱釋電效應(yīng)，由引起熱應(yīng)變所產(chǎn)生的電極化，與壓電效應(yīng)類似。A為電極面積，Rs為負(fù)載電阻，(dT/dt

)為變溫速率。7.熱釋電材料熱釋電效應(yīng)：宏觀對稱性屬于第Ⅲ34

熱釋電材料及其應(yīng)用熱釋電材料：對稱性屬于第Ⅲ類點群的壓電材料，而鐵電材料都是優(yōu)良的熱釋電材料;主要是單晶和陶瓷，通常被做成10~50

m厚膜。例如熱釋電晶體鈮酸鋇鍶(Sr,Ba)Nb2O6厚膜，La3+:(Sr,Ba)Nb2O6，鉭酸鋰LiTaO3等。有機晶體，如聚偏二氟乙烯等。熱釋電器件通常用光調(diào)制，故對熱釋電材料的電性能、光性能的具體要求因器件及其應(yīng)用而異。主要用于熱釋電探測器：檢測紅外激光，非接觸測溫，火車軸測溫，森林放火，無損探傷等。熱釋電材料及其應(yīng)用熱釋電材料：對稱性屬于第Ⅲ類35

8.鐵電材料（體）鐵電效應(yīng)：晶體內(nèi)電偶極子可隨外電場方向改變而轉(zhuǎn)向，并有滯后的現(xiàn)象。Pr:剩余極化強度。Ec:矯頑電場強度。居里溫度：材料從非鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相的溫度。

鐵電效應(yīng)的電滯回線圖8.鐵電材料（體）369.鐵磁(體)材料鐵磁效應(yīng)：晶體內(nèi)磁偶極子可隨外電場方向改變而轉(zhuǎn)向，并有滯后的現(xiàn)象。B:磁感應(yīng)強度Br:剩余磁化強度。Hc:矯頑磁場強度。居里溫度：材料從非鐵磁相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁相的溫度。

鐵磁效應(yīng)的磁滯回線圖9.鐵磁(體)材料37重要結(jié)論

非熱釋電體(Ⅱ類點群)壓電體非鐵電體(Ps不隨E轉(zhuǎn)向)

熱釋電體(Ⅲ類點群)

鐵電體(Ps隨E轉(zhuǎn)向,滯后)鐵電體必為熱釋電體和壓電體，熱釋電體必為壓電體。反之不成立。對稱性屬于第Ⅲ類點群的材料，功能優(yōu)異。

重要結(jié)論389.光電轉(zhuǎn)換材料

光電效應(yīng)光電效應(yīng)：電磁輻射與物質(zhì)相互作用導(dǎo)致物質(zhì)中的電子吸收光子能量而被激發(fā)的過程，亦即在光照射下介質(zhì)產(chǎn)生光電子、電動勢或光電導(dǎo)的現(xiàn)象。從能量守恒定律和動量守恒定律可知：自由電子不可能吸收光子，只有原子、分子、離子中的束縛電子和晶體中的電子才能實現(xiàn)光電效應(yīng)。9.光電轉(zhuǎn)換材料

光電效應(yīng)光電效應(yīng)：電磁輻射與物質(zhì)相互作用39光電效應(yīng)（續(xù)）

外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)外光電效應(yīng)(光電發(fā)射)：凝聚體(固體、液體)吸收光子能量后逸出(發(fā)射)電子(光電子)的現(xiàn)象。利用光電發(fā)射的器件：真空光電管、真空光電池、光電倍增管、光電攝像管。內(nèi)光電效應(yīng)(光電導(dǎo))：在光照射下介質(zhì)(半導(dǎo)體和電介質(zhì))的載流子（電子、空穴）濃度增大而電阻減小的現(xiàn)象。光子能量

h0純物質(zhì)的電導(dǎo)活化能

(能隙)Wa，電子吸收能量后從價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生傳導(dǎo)電子和空穴。0稱為光導(dǎo)紅限。光電效應(yīng)（續(xù)）

外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)外光電效40光電效應(yīng)（續(xù)）

內(nèi)光電效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)(光電導(dǎo))的特性：n-型半導(dǎo)體的光電導(dǎo)具有純電子性，

p-型半導(dǎo)體的光電導(dǎo)具有純空穴性。物質(zhì)的光電導(dǎo)與入射的單色光光強呈正比。但是由于光子加速電子和空穴的復(fù)合過程而降低鄰區(qū)的電子濃度，因此光的強吸收使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率減小。光生伏特效應(yīng)(阻擋層光電效應(yīng))：金屬與半導(dǎo)體接觸面附近由內(nèi)光電效應(yīng)而產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。該接觸呈單向?qū)щ娦?，使得緊靠接觸面的半導(dǎo)體層內(nèi)載流子貧化。典型接觸p-n結(jié).光電效應(yīng)（續(xù)）

內(nèi)光電效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)內(nèi)41光電動勢與光電池材料光電動勢：半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)破壞了接觸區(qū)內(nèi)載流子的均衡分布，使接觸電位差偏離平衡值，即產(chǎn)生光電動勢。阻擋層光電效應(yīng)的紅限取決于能隙Wa。單色光引起的光電動勢與光強成比例。太陽光(能)電池：理想的光電池光源是太陽光，故受到普遍重視的是太陽光電池的研究。光電池光電轉(zhuǎn)換效率取決于材料對入射光的吸收率和光能

-電能轉(zhuǎn)換率。禁帶寬度(能隙)

Wa是關(guān)鍵。Wa

在0.9~1.5eV范圍內(nèi)的半導(dǎo)體太陽光電池，光能

-電能轉(zhuǎn)換率可達(dá)50%。光電動勢與光電池材料光電動勢：半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)破壞了接觸區(qū)42光電動勢與光電池材料(續(xù))光電池材料：主要是無機半導(dǎo)體材料，實際應(yīng)用的是單晶體材和薄膜，其中單晶硅(Wa=1.07eV)占第一位。目前研究較多的是GaAs,InP,CdTe,GaAsP等化合物半導(dǎo)體。多晶硅、非晶硅、硫化鎘陶瓷，以及超晶格半導(dǎo)體等材料受到重視。有機、金屬有機化合物半導(dǎo)體的研究工作很活躍。光電動勢與光電池材料(續(xù))光電池材料：主要是無機半導(dǎo)體材料，43二維聚金屬四氮雜卟啉優(yōu)化CdS的例子二維聚金屬四氮雜卟啉優(yōu)化CdS的例子44電光效應(yīng)與電光材料電光效應(yīng)：在外電場作用下，介質(zhì)的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象。實質(zhì)：在強電場作用下，介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生電極化而引起折射率變化，并出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象(電致雙折射)。有效電致雙折射(率)的公式：式中，為垂直于電場強度E方向的折射率；第一項(線性部分)為一級電光效應(yīng)(Pockels效應(yīng)),c為一次電光系數(shù)；第二項(非線性部分)為二級電光效應(yīng)(Kerr效應(yīng))，R為二次電光系數(shù)。透明鐵電體，隨組成和外加電場的不同，可呈現(xiàn)出一次電光效應(yīng)、二次電光效應(yīng)和電光記憶效應(yīng)。電光效應(yīng)與電光材料電光效應(yīng)：在外電場作用下，介質(zhì)的折射率發(fā)生45電光材料及其舉例電光材料的品質(zhì)要求：在使用波長范圍內(nèi)，光吸收率小(透明度高)和散射率小，折射率大但受溫度影響小，介電損耗角小，電光系數(shù)大，電阻率大。典型的透明鐵電陶瓷：鋯鈦酸鑭鉛，組成為Pb1xLax(ZryTi1y)1(x/4)O3。例如,對于入射光波長546nm，PLZT(7/62/38):一次電光系數(shù)c=4.431010m

/V

.PLZT(9/65/35):二次電光系數(shù)R

=9.1161016m2/V2.壓電晶體可能具有一次電光效應(yīng)，鐵電晶體可能具有一次和二次電光效應(yīng)。欲在可見光范圍內(nèi)使用，必須視覺透明。電光材料及其舉例電光材料的品質(zhì)要求：在使用波長范圍內(nèi)，光吸收4610.半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體是一大類很重要的功能材料，是信息、能源、空間、軍事、電子和微電子技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，屬于生命力強大、發(fā)展迅速的科技與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征：載流子是電子（n型半導(dǎo)體）、空穴（p

型半導(dǎo)體）、離子，電導(dǎo)率隨溫度升高而增大、隨壓力增大而增大。良導(dǎo)體（金屬）的導(dǎo)電特征：載流子是電子、離子，電導(dǎo)率隨溫度升高而減小。10.半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體是一大類很重要的功能材料，是信息、47半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電與雜質(zhì)導(dǎo)電本征導(dǎo)電：化學(xué)純半導(dǎo)體的導(dǎo)電行為?？傠妼?dǎo)率

0是當(dāng)T趨近于無限大時的電導(dǎo)率。雜質(zhì)導(dǎo)電：由雜質(zhì)中心產(chǎn)生的導(dǎo)電行為。雜質(zhì)中心（即雜質(zhì)）：基質(zhì)外來元素的原子、基質(zhì)某元素過剩的原子，晶格缺陷（空位、位錯、裂縫等）。施主(供電子)、受主(供空穴)原子。半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電與雜質(zhì)導(dǎo)電本征導(dǎo)電：化學(xué)純半導(dǎo)體的導(dǎo)電行為。48半導(dǎo)體的種類單質(zhì)半導(dǎo)體：單晶和非晶態(tài)Si,Ge(本征，n型),Se(本征，p型);

Si(P,As),Ge(As)(雜質(zhì)，n型),Si(B,Al),Ge(Ga)(雜質(zhì)，p型)。

化合物半導(dǎo)體：ZnO,TiO2,GaAs,GaAsP,InP,CdS(本征，n型),Cu2O,NiO

(本征，p型),LiBr,CsF(離子型)；摻雜后得雜質(zhì)型。

金屬有機半導(dǎo)體：

電荷轉(zhuǎn)移鹽或化合物，金屬酞菁、金屬四氮雜卟啉的聚合物等。半導(dǎo)體的種類單質(zhì)半導(dǎo)體：4911.快離子導(dǎo)體快離子導(dǎo)體(fast-ionconductor),又稱為超離子導(dǎo)體(Super-ioncond.)：屬于固體電解質(zhì)，由體積小的陽離子（有時為陰離子）遷移引起導(dǎo)電，其淌度與水溶液中的離子淌度相近。

必要條件：載流子濃度高，能量等價的空位多，離子跳躍的活化能小。基質(zhì)主要是離子型無機氧化物、有機聚合物。近十多年對快離子導(dǎo)體材料的研究極為重視。11.快離子導(dǎo)體快離子導(dǎo)體(fast-ioncondu50主要應(yīng)用領(lǐng)域高溫化學(xué)電池

如ZrO2-CaO作為快離子導(dǎo)體的電池，亦為氧濃度測定器；鋰離子電池等?；瘜W(xué)傳感器

如Pt(s),

O2(g)/ZrO2-CaO/O2(g),

Pt(s)（參比電極）,既是電池又是氧傳感器。主要應(yīng)用領(lǐng)域高溫化學(xué)電池51固體顯示器件

以快離子導(dǎo)體作為可逆的電色材料用于信息顯示。如暗黃色WO3中摻雜Na

后因生成NaxWO3黃而呈深藍(lán)色，快而可逆。化學(xué)是實用和創(chuàng)造性的科學(xué)課件525.電子陶瓷電子陶瓷：包括各種介電陶瓷，以及屬于功能轉(zhuǎn)換材料的熱釋電、壓電、鐵電、磁致伸縮陶瓷，熱敏、氣敏等陶瓷。5.電子陶瓷電子陶瓷：包括各種介電陶瓷，以及屬于功能轉(zhuǎn)換材53化學(xué)的今天和明天

任課教師：彭正合教授

武漢大學(xué)化學(xué)系

化學(xué)的今天和明天

任課教師：彭正合教授

武漢大學(xué)化學(xué)系

54第3章化學(xué)是實用和創(chuàng)造性的科學(xué)

3.1化學(xué)在住房和家庭陳設(shè)品方面的作用3.2化學(xué)在穿著方面的作用3.3化學(xué)與交通運輸方面的關(guān)系3.4化學(xué)與食物方面的關(guān)系3.5化學(xué)與國防方面的關(guān)系3.6化學(xué)與執(zhí)法方面的關(guān)系3.7化學(xué)生活質(zhì)量的貢獻(xiàn)3.8關(guān)于未來第3章化學(xué)是實用和創(chuàng)造性的科學(xué)3.1化學(xué)在住房和家庭陳設(shè)55現(xiàn)代生活之所以不同于先前，是因為我們學(xué)會了如何取用天然的物質(zhì)并加以改造，使之更好地為我們服務(wù)。3.1化學(xué)在住房和日用品方面的作用只有沙、石、木材是天然材料，但它們需要用合成的化學(xué)品粘接（如各種粘接劑）和保護（如各種涂料和油漆，各種裝飾板）。水泥、玻璃、陶瓷、防漏劑、塑料管材及板材都是化學(xué)品。膠合板、鋁合金材料，金屬材料和釘子及其保護層都大量化學(xué)加工。廚房許多設(shè)施、餐具、器皿以及飲料瓶都是化學(xué)品。現(xiàn)代生活之所以不同于先前，是因為我們學(xué)會了如何取用天然的物質(zhì)56陶瓷、塑料、金屬衛(wèi)生潔具，洗滌劑、洗浴劑、洗發(fā)劑等都是化學(xué)品。許多地毯、裝飾面料和染料都是化學(xué)品。家用電器，如空調(diào)、冰箱、冷柜、電視機、電腦等骨架材料和功能材料都是化學(xué)品。導(dǎo)線及其包皮、照明燈具等絕大多數(shù)是化學(xué)品。燃料、燃?xì)馐腔瘜W(xué)品，燃燒和烹飪有化學(xué)變化。進入住宅的自來水也經(jīng)過了化學(xué)處理。在住房和日用品方面，沒有與化學(xué)無關(guān)的物品。陶瓷、塑料、金屬衛(wèi)生潔具，洗滌劑、洗浴劑、573.2化學(xué)在穿著方面的作用服飾的材料都含有合成纖維和合成染料。皮革和毛皮經(jīng)過了化學(xué)品鞣制和化學(xué)處理。大量合成皮革和合成橡膠替代了天然品。棉花、亞麻和羊毛都經(jīng)過了化學(xué)處理和染色。在穿著方面，沒有與化學(xué)無關(guān)的物品。3.2化學(xué)在穿著方面的作用服飾的材料都含有合成纖維和合成583.3化學(xué)與交通運輸方面的關(guān)系機動車、自行車，以及火車、輪船、飛機中的每件東西都是化學(xué)加工業(yè)的一種產(chǎn)品。例如金屬、塑料、油漆，顯然是化學(xué)品。輪胎用的橡膠：天然橡膠必須經(jīng)過硫化處理工藝，才具有堅韌性；大量地采用合成橡膠，如氯丁橡膠。3.3化學(xué)與交通運輸方面的關(guān)系機動車、自行車，以及火車、593.4化學(xué)與食物方面的關(guān)系人們要了解飲食的化學(xué)本性，就必須學(xué)些化學(xué)知識，以便了解哪些化學(xué)品應(yīng)歸入有益于健康的飲食。化學(xué)的作用始于食物供應(yīng)之初的農(nóng)業(yè)。化學(xué)肥料為農(nóng)作物提供了氮、磷、鉀，以及其他化學(xué)元素。如果沒有化肥，就不能為眾多的人口提供足夠的食物，也不能為牲畜提供足夠的食物。除草劑和殺蟲劑都是化學(xué)品。除草劑能使農(nóng)作物茂盛，殺蟲劑則能保護農(nóng)作物。3.4化學(xué)與食物方面的關(guān)系人們要了解飲食的化學(xué)本性，就必須603.4化學(xué)與食物方面的關(guān)系(續(xù)）化學(xué)的另一貢獻(xiàn)，是開發(fā)安全的食品防腐劑和符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的包裝方法。食品冷藏法，建立在合成冷凍劑的基礎(chǔ)之上。利用氯氣或臭氧的水處理方法，保障了潔凈水供應(yīng)。藥物化學(xué)家開發(fā)了獸藥，保障了家畜的健康。各種加工食品的添加劑、發(fā)酵粉都是化學(xué)品，加工過程都有化學(xué)變化。各種飲料和酒類，都有化學(xué)家的貢獻(xiàn)。我們不可能從食物中除去“化學(xué)品”，但是我們必須保證所用化學(xué)品是安全和有效的。3.4化學(xué)與食物方面的關(guān)系(續(xù)）化學(xué)的另一貢獻(xiàn)，是開發(fā)安全613.5化學(xué)與國防方面的關(guān)系戰(zhàn)爭決不是一種有價值的的人類活動，然而一旦戰(zhàn)爭爆發(fā)，人人都希望取得勝利。各國政府總是號召科學(xué)家們制造出更有效的武器或更好的防御物，化學(xué)在武器和防御物這種“矛和盾”兩方面都發(fā)揮著極其重要的作用。有古代中國發(fā)明的黑火藥，徹底改變了交戰(zhàn)狀況?，F(xiàn)代彈藥和炸藥只是黑火藥的更新而已。3.5化學(xué)與國防方面的關(guān)系戰(zhàn)爭決不是一種有價值的的人類活動62黑火藥、現(xiàn)代彈藥和炸藥，都是化學(xué)藥品機器混合物。它們的爆炸過程實際上是個化學(xué)反應(yīng)過程，反應(yīng)釋放出大量熱能和氣體，如N2和CO2等，熱氣體急劇膨脹而產(chǎn)生爆炸。核武器的爆炸，是原子核發(fā)生熱核反應(yīng)（核化學(xué)過程）的結(jié)果，反應(yīng)產(chǎn)生大量的放射線、沖擊波和熱能，并使空氣急劇膨脹。非化學(xué)武器及其防御物本身的各個部件都離不開化學(xué)，存儲和運載它們的工具同樣離不開化學(xué)。黑火藥、現(xiàn)代彈藥和炸藥，都是化學(xué)藥品機器混合物。它們的爆炸過63化學(xué)武器及其防御物本身更是化學(xué)家的杰作。生物武器及其防御物，至少是利用了微生物釋放的化學(xué)毒劑。隱身技術(shù)靠化學(xué)家設(shè)計的隱身材料：吸收雷達(dá)波、吸收紅外光的材料。偵察、探測技術(shù)，導(dǎo)彈制導(dǎo)技術(shù)，都離不開專門的功能材料，如特種電子材料?；瘜W(xué)武器及其防御物本身更是化學(xué)家的杰作。643.6化學(xué)與執(zhí)法方面的關(guān)系海洛因、可卡因、搖頭丸等毒品和違禁藥，是不法化學(xué)家的作品，禁毒和執(zhí)法工作正式真正化學(xué)家的工作之一?；瘜W(xué)家所用到的分析、檢測方法，幾乎都用于執(zhí)法。例如法醫(yī)學(xué)家的各種鑒定方法，包括通過DNA鑒定來識別罪犯。警察的裝備，像軍人的裝備一樣離不開化學(xué)品，包括催淚性毒氣、麻醉性子彈。3.6化學(xué)與執(zhí)法方面的關(guān)系海洛因、可卡因、搖頭丸等毒品和違653.7化學(xué)生活質(zhì)量的貢獻(xiàn)教育、文化、藝術(shù)、體育、健身、醫(yī)療衛(wèi)生，信息、娛樂等用品，無不有化學(xué)的貢獻(xiàn)。3.7化學(xué)生活質(zhì)量的貢獻(xiàn)教育、文化、藝術(shù)、體育、健身、醫(yī)療663.8關(guān)于未來

新型電功能材料材料的電學(xué)及電子學(xué)性能導(dǎo)電性：以電荷遷移為特征，取決于載流子（電子、空穴、離子）濃度、電荷遷移率。介電性：以電荷偏離（電極化）為特征，取決于電極化率。3.8關(guān)于未來

新型電功能材料材料的電學(xué)及電子學(xué)性能671.導(dǎo)電性相關(guān)的材料

（按電導(dǎo)率劃分）良導(dǎo)體：>106

Scm–1;(S–1)半導(dǎo)體：106

Scm–110–

6

Scm–1;絕緣體：

<10–

6

Scm–1,與介電性緊密相關(guān)。超導(dǎo)體：無限大、電阻為零，與磁性緊密相關(guān)，亦屬于磁功能材料。1.導(dǎo)電性相關(guān)的材料

（按電導(dǎo)率劃分）良導(dǎo)體：>682.介電性相關(guān)的材料強介電體：無外場下存在由電荷分布而產(chǎn)生的電極化。反強介電體：無外場下存在由正負(fù)離子位置變化而產(chǎn)生的電極化。鐵氧介電體：無外場下存在由偶極子（或正負(fù)離子）自取向而產(chǎn)生的電極化。（通）常介電體：外電場下發(fā)生電極化。2.介電性相關(guān)的材料強介電體：無外場下存在由電荷分布而產(chǎn)生693.超導(dǎo)材料

超導(dǎo)現(xiàn)象1911年,氦液化器發(fā)明人---荷蘭科學(xué)家Onnes偶然發(fā)現(xiàn)，在液氦溫度(4.2K)下，汞的電阻突然消失了。這種電阻率為零現(xiàn)象被物理學(xué)家稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)現(xiàn)象僅當(dāng)物質(zhì)處于臨界溫度

TC、臨界磁場強度

HC和臨界電流密度

JC

以下的條件下，才能發(fā)生。3.超導(dǎo)材料

超導(dǎo)現(xiàn)象1911年,氦液化器發(fā)明人--70超導(dǎo)狀態(tài)

T-H-J三維圖

J

JC

（臨界電流密度）

T-H-J

臨界面

H

TC

HC

（臨界磁場強度）

T臨界溫度

TC超導(dǎo)狀態(tài)T-H-J三維圖JJC（臨界電71高溫超導(dǎo)材料直至1986年上半年，人類所發(fā)現(xiàn)的最好超導(dǎo)材料仍然是1973年獲得的Nb3Ge(TC=23.2K)，只能在液氦溫度下使用。氦氣稀少、液化困難，液氦保溫和使用不便、價格昂貴；氮氣豐富、液化容易，液氮保溫和使用較方便、價格可以接受（價格僅為液氦的1/1000）。尋求至少能在液氮溫度下使用的超導(dǎo)材料。高溫超導(dǎo)材料直至1986年上半年，人類所發(fā)現(xiàn)的最好超導(dǎo)材料仍72一個熱門研究領(lǐng)域高溫超導(dǎo)材料：臨界溫度TC高于液氮溫度（–77K）的超導(dǎo)材料的簡稱。1986年1月，瑞士科學(xué)家Müller等發(fā)現(xiàn)：

BaxLa5–xCu5O6(3-y)

氧化物陶瓷在30K時出現(xiàn)超導(dǎo)性轉(zhuǎn)變，到13K時電阻為零。同年底，美國、日本科學(xué)家宣布：重復(fù)了Müller等人的實驗結(jié)果，引發(fā)了全世界的高溫超導(dǎo)研究熱。理想：實現(xiàn)室溫超導(dǎo)。一個熱門研究領(lǐng)域高溫超導(dǎo)材料：臨界溫度TC高于液氮溫度（73中國高溫超導(dǎo)研究獨領(lǐng)風(fēng)騷不久，中科院公布了北大趙忠賢等人的結(jié)果：一種鐿-鋇-銅-氧（YBCO）系陶瓷，TC=93K中國科大的鉍-鉛-銅-氧系陶瓷，TC=132K已證實，各種YBCO

系超導(dǎo)陶瓷中，實際產(chǎn)生超導(dǎo)作用的是Y1Ba2Cu3O7~8

相（A相）。中科院上海硅酸鹽所確定了Y1Ba2Cu3O7~8

相的晶體結(jié)構(gòu)，對稱性C2v

.中國高溫超導(dǎo)研究獨領(lǐng)風(fēng)騷不久，中科院公布了北大趙忠賢等人的結(jié)74超導(dǎo)材料的應(yīng)用前景盡管超導(dǎo)的理論研究落后，但其實驗成果喜人、應(yīng)用前景誘人。重要應(yīng)用的6個方面：能量的產(chǎn)生、傳輸和儲存如超導(dǎo)線圈可使發(fā)電機的能量損失減少80%，超導(dǎo)磁體用于核電站，超導(dǎo)體導(dǎo)線的電力傳輸損耗僅為銅線的10%左右。交通運輸磁懸浮列車，磁懸浮汽車等。前者如：日本1979年（液氦下超導(dǎo)磁體）時速517km。我國新近在上海又建成了磁懸浮列車線。超導(dǎo)材料的應(yīng)用前景盡管超導(dǎo)的理論研究落后，但其實驗成果喜人、75電子技術(shù)領(lǐng)域超導(dǎo)電路極少或不發(fā)熱，可使芯片小而功能強大，超導(dǎo)開關(guān)管可在弱磁場下獲得強電流變化。分析檢測儀器和傳感器超導(dǎo)磁體磁共振成相儀，用于醫(yī)療診斷；超導(dǎo)量子干涉器件可檢測人體的極微弱磁場。航天和軍事技術(shù)領(lǐng)域超導(dǎo)體磁屏蔽、天線、電磁炮。基礎(chǔ)科學(xué)超導(dǎo)磁體用于加速器等。電子技術(shù)領(lǐng)域超導(dǎo)電路極少或不發(fā)熱，可使芯片小而功能強大，76

4.生物功能材料生物功能材料：與生物組織相容性好，可供植入生物活體內(nèi)的生物活性或惰性材料。聚合物、陶瓷和金屬。醫(yī)用聚合物：用于制造人工組織、人造器官及內(nèi)植輔助裝置，醫(yī)藥制劑，醫(yī)療器具的聚合物；通常不計后者。聚四氟乙烯：人工腦硬膜、瓣膜、肺、喉頭、食道、膽道、尿道等器官。有機硅橡膠：(同上)，氣管、耳、鼻、關(guān)節(jié)等器官。聚乙烯：同上“逗號”后。氨酯橡膠：人工心臟、瓣膜、血管等器官。4.生物功能材料生物功能材料：與生物組織相容性好77醫(yī)用合金及陶瓷醫(yī)用合金：鐵鉻鎳、鈷鉻、鈷鎳鉻及鈦合金等不銹鋼材料，用于硬組織器官或體內(nèi)植輔助裝置。醫(yī)用陶瓷：比金屬、聚合物材料更穩(wěn)定，組織相容性好，親水性良好。用于硬組織器官或體內(nèi)植輔助裝置。剛玉Al2O3用于人造牙齒、骨骼、關(guān)節(jié)等；羥基磷灰石Ca5(PO4)3(OH)燒結(jié)體、珊瑚礁與骨質(zhì)成分相似而生物相容性好，可替代新生骨。醫(yī)用合金及陶瓷醫(yī)用合金：鐵鉻鎳、鈷鉻、鈷鎳鉻及鈦合金等不銹鋼785.功能轉(zhuǎn)換材料

1994年4月,法國《科學(xué)與生活》月刊文章“智能材料革命”摘要:局限于計算機軟件中的人工智能正在進入一個更加廣闊的應(yīng)用新領(lǐng)域—材料領(lǐng)域。今天，所有工業(yè)大國都有“智能材料”研究的重大計劃。例如，一些研究所正在秘密研制“貼”在機翼上的“智能皮”，以取代起飛、轉(zhuǎn)向、降落所必須的尾翼和各種襟翼。這些覆蓋層可以根據(jù)飛行員的指令改變外形，起到與飛機尾翼和襟翼相同的作用。

5.功能轉(zhuǎn)換材料79智能材料的基礎(chǔ)，是對自然或誘發(fā)的外力、外場作出反應(yīng)，自動適應(yīng)環(huán)境。用制成的元、器件，還可以接收信息，按指令行動?；瘜W(xué)是實用和創(chuàng)造性的科學(xué)課件80三大類智能材料形狀記憶材料：具備形狀記憶功能的銅鎳基合金，可以“學(xué)會”一種形狀并且隨意復(fù)原，經(jīng)低溫變形后受熱即可恢復(fù)原形。電致伸縮和磁致伸縮材料：由陶瓷或合成材料制成，具有在電場或磁場作用下變形的能力。更重要的是，其變形程度隨電場或磁場強度而變化。這種明確的因果關(guān)系，具有很大的實用價值。壓電材料：將是2000年的最新冶金材料，具有能與人類神經(jīng)系統(tǒng)相比的特性和運作方式。它既有條件反射的速度，又有執(zhí)行大腦指令前的分析能力。三大類智能材料81功能轉(zhuǎn)換及其材料功能轉(zhuǎn)換：指光、電、磁、聲、熱、力、化學(xué)、生物學(xué)等功能之間的轉(zhuǎn)化與變換。例如功能轉(zhuǎn)換及其材料82

6.壓電與電致伸縮材料壓電效應(yīng)：在外界壓力(或張力)作用下，無對稱中心的晶體因彈性形變而沿一定方向產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象。在無外電場存在下，有時稱為正壓電效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)：外力為零時，在外電場作用下晶體線度發(fā)生變化的現(xiàn)象，逆壓電效應(yīng)。凱迪(Cady)法則：對于同一晶體，由外力引起的極化強度(正效應(yīng))，由外電場引起的(逆效應(yīng))應(yīng)變，二者的方向一致。因此，壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)有一致性的表達(dá)式.6.壓電與電致伸縮材料83壓電材料/電致伸縮材料

壓電與電致伸縮材料：主要是無機晶體(單晶)和陶瓷(多晶)，及具有閃鋅礦型、纖鋅礦型結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，近年來已發(fā)現(xiàn)一些有機聚合物(如聚氟乙烯)；熱釋電材料和鐵電材料都是優(yōu)良的壓電材料。典型的壓電材料：晶體石英、酒石酸鉀鈉、酒石酸二鉀、磷酸二氫鉀；晶體或陶瓷鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛；LiNbO3,LiCaO3等。例子BaTiO3(C2v或C4v):陶瓷相d31=79,d33=191;單晶d15=392,d31=34.5,d33=85.6(1012庫侖/牛頓),Q33=0.41,Q32=0.16,Q66=0.22(1016庫侖/牛頓).壓電材料/電致伸縮材料壓電與電致伸縮材料：主要是無機晶體(84壓電材料的應(yīng)用壓電材料的應(yīng)用85

6.熱電與熱釋電材料

熱電效應(yīng)及材料熱電效應(yīng)：塞貝克(Seebeck)效應(yīng)、珀耳帖(Peltier)效應(yīng)、湯姆遜(Thomson)效應(yīng)。見教材p359.熱電合金：合金熱電偶材料；低溫溫差發(fā)電、制冷材料,如

Bi2Te3,Bi2Se3,Sb2Te3等合金。熱電陶瓷：氧(碳,氮,硼,硅)化物，可用于熱電轉(zhuǎn)換。熱電聚合物：如聚偏氟乙烯及其共聚物。6.熱電與熱釋電材料

熱電效應(yīng)及材料熱電效應(yīng)：86

7.熱釋電材料熱釋電效應(yīng)：宏觀對稱性屬于第Ⅲ類點群的晶體，存在自發(fā)電極化Ps，當(dāng)有溫度變化T時，由Ps產(chǎn)生的表面束縛電荷因來不及被大氣中的自由電荷所屏蔽，致使相對應(yīng)的二表面顯示出電位差V。

Ps=1·

T+2·

T,

V=ARs(dPs/dT)(dT/dt

)

一級熱釋電系數(shù)：1=dPs/dT

，體積變化無關(guān)；二級熱釋電系數(shù)：

2，體積變化有關(guān)。2·

T：次級熱釋電效應(yīng)，由引起熱應(yīng)變所產(chǎn)生的電極化，與壓電效應(yīng)類似。A為電極面積，Rs為負(fù)載電阻，(dT/dt

)為變溫速率。7.熱釋電材料熱釋電效應(yīng)：宏觀對稱性屬于第Ⅲ87

熱釋電材料及其應(yīng)用熱釋電材料：對稱性屬于第Ⅲ類點群的壓電材料，而鐵電材料都是優(yōu)良的熱釋電材料;主要是單晶和陶瓷，通常被做成10~50

m厚膜。例如熱釋電晶體鈮酸鋇鍶(Sr,Ba)Nb2O6厚膜，La3+:(Sr,Ba)Nb2O6，鉭酸鋰LiTaO3等。有機晶體，如聚偏二氟乙烯等。熱釋電器件通常用光調(diào)制，故對熱釋電材料的電性能、光性能的具體要求因器件及其應(yīng)用而異。主要用于熱釋電探測器：檢測紅外激光，非接觸測溫，火車軸測溫，森林放火，無損探傷等。熱釋電材料及其應(yīng)用熱釋電材料：對稱性屬于第Ⅲ類88

8.鐵電材料（體）鐵電效應(yīng)：晶體內(nèi)電偶極子可隨外電場方向改變而轉(zhuǎn)向，并有滯后的現(xiàn)象。Pr:剩余極化強度。Ec:矯頑電場強度。居里溫度：材料從非鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相的溫度。

鐵電效應(yīng)的電滯回線圖8.鐵電材料（體）899.鐵磁(體)材料鐵磁效應(yīng)：晶體內(nèi)磁偶極子可隨外電場方向改變而轉(zhuǎn)向，并有滯后的現(xiàn)象。B:磁感應(yīng)強度Br:剩余磁化強度。Hc:矯頑磁場強度。居里溫度：材料從非鐵磁相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁相的溫度。

鐵磁效應(yīng)的磁滯回線圖9.鐵磁(體)材料90重要結(jié)論

非熱釋電體(Ⅱ類點群)壓電體非鐵電體(Ps不隨E轉(zhuǎn)向)

熱釋電體(Ⅲ類點群)

鐵電體(Ps隨E轉(zhuǎn)向,滯后)鐵電體必為熱釋電體和壓電體，熱釋電體必為壓電體。反之不成立。對稱性屬于第Ⅲ類點群的材料，功能優(yōu)異。

重要結(jié)論919.光電轉(zhuǎn)換材料

光電效應(yīng)光電效應(yīng)：電磁輻射與物質(zhì)相互作用導(dǎo)致物質(zhì)中的電子吸收光子能量而被激發(fā)的過程，亦即在光照射下介質(zhì)產(chǎn)生光電子、電動勢或光電導(dǎo)的現(xiàn)象。從能量守恒定律和動量守恒定律可知：自由電子不可能吸收光子，只有原子、分子、離子中的束縛電子和晶體中的電子才能實現(xiàn)光電效應(yīng)。9.光電轉(zhuǎn)換材料

光電效應(yīng)光電效應(yīng)：電磁輻射與物質(zhì)相互作用92光電效應(yīng)（續(xù)）

外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)外光電效應(yīng)(光電發(fā)射)：凝聚體(固體、液體)吸收光子能量后逸出(發(fā)射)電子(光電子)的現(xiàn)象。利用光電發(fā)射的器件：真空光電管、真空光電池、光電倍增管、光電攝像管。內(nèi)光電效應(yīng)(光電導(dǎo))：在光照射下介質(zhì)(半導(dǎo)體和電介質(zhì))的載流子（電子、空穴）濃度增大而電阻減小的現(xiàn)象。光子能量

h0純物質(zhì)的電導(dǎo)活化能

(能隙)Wa，電子吸收能量后從價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生傳導(dǎo)電子和空穴。0稱為光導(dǎo)紅限。光電效應(yīng)（續(xù)）

外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)外光電效93光電效應(yīng)（續(xù)）

內(nèi)光電效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)(光電導(dǎo))的特性：n-型半導(dǎo)體的光電導(dǎo)具有純電子性，

p-型半導(dǎo)體的光電導(dǎo)具有純空穴性。物質(zhì)的光電導(dǎo)與入射的單色光光強呈正比。但是由于光子加速電子和空穴的復(fù)合過程而降低鄰區(qū)的電子濃度，因此光的強吸收使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率減小。光生伏特效應(yīng)(阻擋層光電效應(yīng))：金屬與半導(dǎo)體接觸面附近由內(nèi)光電效應(yīng)而產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。該接觸呈單向?qū)щ娦?，使得緊靠接觸面的半導(dǎo)體層內(nèi)載流子貧化。典型接觸p-n結(jié).光電效應(yīng)（續(xù)）

內(nèi)光電效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)內(nèi)94光電動勢與光電池材料光電動勢：半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)破壞了接觸區(qū)內(nèi)載流子的均衡分布，使接觸電位差偏離平衡值，即產(chǎn)生光電動勢。阻擋層光電效應(yīng)的紅限取決于能隙Wa。單色光引起的光電動勢與光強成比例。太陽光(能)電池：理想的光電池光源是太陽光，故受到普遍重視的是太陽光電池的研究。光電池光電轉(zhuǎn)換效率取決于材料對入射光的吸收率和光能

-電能轉(zhuǎn)換率。禁帶寬度(能隙)

Wa是關(guān)鍵。Wa

在0.9~1.5eV范圍內(nèi)的半導(dǎo)體太陽光電池，光能