第5章功能轉(zhuǎn)換材料

第5章功能轉(zhuǎn)換材料1聲光電熱磁力熱電、熱釋電光電、電光聲光磁光壓電常見的功能轉(zhuǎn)換材料25.1壓電材料3壓電效應(yīng)：材料在沿一定方向上受到外力的作用變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。1880年，法國物理學(xué)家P.居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成正比。5.1壓電材料4正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：力的垂直方向產(chǎn)生正負(fù)電荷5逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)：正負(fù)電荷中心位移導(dǎo)致晶體形變6壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理關(guān)鍵詞：電心位置發(fā)生偏移7壓電材料的晶體特征無對稱中心在32種點(diǎn)群的晶體中，有21種點(diǎn)群的晶體不是中心對稱的壓電材料的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)晶體學(xué)基礎(chǔ)知識8七大晶系與對稱型9壓電材料的評價參數(shù)

101.

壓電單晶：機(jī)電性能穩(wěn)定，沒有內(nèi)耗。舉列：石英晶體鈮酸鋰(LiNbO3)：機(jī)電耦合系數(shù)大其他壓電單晶材料：酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鉭酸鋰碘酸鋰等晶體也都是比較好的壓電晶體材料。壓電材料石英晶體LNO晶體四川大學(xué)晶體組112.

壓電陶瓷：優(yōu)點(diǎn)：價格便宜缺點(diǎn)：易于老化。代表性壓電陶瓷：鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛（這是PbTiO3和PbZrO3組成的二元固溶體）。鈦酸鍶鋇鋯鈦酸鉛肖定全教授12壓電材料廣泛應(yīng)用于電子學(xué)和傳感器領(lǐng)域。電壓大小與受力大小成正比13水聲換能器：利用正壓電效應(yīng)接收聲波，來完成水下觀察、通訊和探測等。14在超聲技術(shù)的應(yīng)用：利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，在高驅(qū)動電場下產(chǎn)生高強(qiáng)超聲波，并以此為動力在超聲乳化，超聲焊接，超聲粉碎等裝置上的機(jī)電換能裝置等。15壓電點(diǎn)火器：壓電開關(guān)，引燃、引爆裝置，打火機(jī)，燃?xì)庠畹取o線壓電開關(guān)點(diǎn)火裝置16電子器件：拾音器、傳聲器、揚(yáng)聲器等。17小結(jié)：壓電效應(yīng)的原理壓電材料的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)壓電材料的用途5.2熱釋電材料19壓電晶體中，有10種點(diǎn)群的晶體具有唯一的單向極軸，即存在自發(fā)性，可能具有熱釋電性。在這些熱釋電晶體中，有些晶體的自發(fā)極化方向能隨外電場方向轉(zhuǎn)化，即鐵電體補(bǔ)充知識：壓電、熱釋電與鐵電材料20具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化不能被外加電場所轉(zhuǎn)向的晶體。如電器石，CaS、CaSe、Li2SO4·H2O、ZnO等。通常稱之為熱釋電晶體。自發(fā)極化可以被外加電場所轉(zhuǎn)向的晶體。即鐵電晶體。如LiNbO3、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3等鐵電晶體E普通電介質(zhì)215.2熱釋電材料熱釋電效應(yīng)：溫度的變化引起極化狀態(tài)改變，使得晶體表面產(chǎn)生電荷。熱釋電效應(yīng)最早在電氣石晶體(Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,H,F)3中發(fā)現(xiàn)，該晶體屬三方晶系，具有唯一的三重旋轉(zhuǎn)軸。22熱釋電效應(yīng)23熱膨脹系數(shù)各向異性單晶材料如TGS(硫酸三甘肽)、DTGS(氘化的TGS)、CdS、LiTiO3、LiNiO3、SBN(鈮酸鍶鋇)、PGO(鍺酸鉛)、KTN(鉭鈮酸鉀)等)；

高分子有機(jī)聚合物及復(fù)合材料(如PVF(聚氟乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDF/PT(聚偏二氟乙烯與鈦酸鉛復(fù)合)、PVDF/PZT(聚偏二氟乙烯與鋯鈦酸鉛復(fù)合)

；金屬氧化物陶瓷及薄膜材料(如ZnO、BaTiO3、PMN(鎂鈮酸鉛)、PST(鉭鈧酸鉛)、BST(鈦酸鍶鋇)、PbTiO3、PLT(鈦酸鉛鑭)、PZT(鋯鈦酸鉛)、PLZT(鋯鈦酸鉛鑭)等)。24在物理學(xué)基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用,如確定晶體的非中心對稱結(jié)構(gòu)和相變溫度,確定晶體中原子(或離子)的相對位移等。另一類是在探測器方面的應(yīng)用。熱釋電效應(yīng)的典型應(yīng)用利用紅外熱效應(yīng)熱釋電探測器敏感度很高25(1)夜視裝置。利用熱釋電探器制作的夜視裝置,具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)嵩磸谋尘爸袇^(qū)分出來,這是熱釋電材料最早的應(yīng)用之一。26(2)衛(wèi)星遙感探測裝置。用于衛(wèi)星探礦、森林火災(zāi)預(yù)警等。影片：深入敵后27(3)導(dǎo)彈、坦克等的探測器。28(4)銀行、保險公司等重要部門的報警器。29小結(jié)：熱釋電效應(yīng)的原理熱釋電材料的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)熱釋電材料的用途5.3光電材料315.3光電材料光電效應(yīng)物質(zhì)在受到光照后，往往會引發(fā)其某些電性質(zhì)的變化，這一現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。主要有光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電子發(fā)射效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)：物質(zhì)在受到光照射時，其導(dǎo)電率產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。32光生伏特效應(yīng)：如果光照射在半導(dǎo)體的p-n結(jié)上，則在p－n結(jié)兩端會出現(xiàn)電勢差，p區(qū)為正極，n區(qū)為負(fù)極，這種效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。光電發(fā)射效應(yīng)：當(dāng)金屬或半導(dǎo)體受到光照射時，其表面和體內(nèi)的電子因吸收光子的能量而被激發(fā)，如果被激發(fā)的電子具有足夠的能量，足以克服表面勢壘而從表面離開，產(chǎn)生了光電子發(fā)射效應(yīng)。光電效應(yīng)愛因斯坦與光電效應(yīng)33光生伏特材料：硅太陽能電池、半導(dǎo)體太陽能電池、薄膜太陽能電池。內(nèi)建電場界面附近產(chǎn)生電子與空穴光伏材料硅銅銦鎵硒碲化鎘有機(jī)光伏材料34-+第一代第二代第三代35硅碲化鎘銅銦鎵硒有機(jī)光伏材料最高轉(zhuǎn)換效率：9.0%平均轉(zhuǎn)換效率：8.2%良率：≈100%超聲噴涂技術(shù)太陽能電池結(jié)構(gòu)大面積太陽能電池本人科研團(tuán)隊在聚合物光伏器件的研究進(jìn)展。36低功函數(shù)材料（電子容易被電離發(fā)射）。應(yīng)用：光電轉(zhuǎn)換器、高靈敏度電視攝像管、圖象倍增器。光電子發(fā)射材料光電轉(zhuǎn)換器高靈敏攝像機(jī)37光電半導(dǎo)體：Ge、Si、ZnO、CdS、PbS。光電導(dǎo)陶瓷：CdS陶瓷、CdSe陶瓷等。有機(jī)高分子光電導(dǎo)體。應(yīng)用：1.光探測的光敏感器件

光電導(dǎo)攝像管

固體圖像傳感器光電導(dǎo)材料38小結(jié)：什么是光電導(dǎo)效應(yīng)什么是光伏特效應(yīng)什么是光電發(fā)射5.3熱電材料405.4熱電材料熱電效應(yīng)：在用不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合電路中，若使其結(jié)合部分出現(xiàn)溫度差，則在此閉合電路中將有電流通過，或產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象叫熱電效應(yīng)。熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料41熱電效應(yīng)理論Seebeck效應(yīng)、Peltier效應(yīng)和Thomson效應(yīng)。1821年,T.J.Seebeck發(fā)現(xiàn),由兩種不同導(dǎo)體a,b構(gòu)成的閉合回路的兩端接點(diǎn)的溫度不同時,回路中就產(chǎn)生電流,這種現(xiàn)象稱為Seebeck效應(yīng)。溫差電動勢,亦稱為Seebeck電動勢：dV=α(T)dTα(T)為Seebeck系數(shù),在冷端接點(diǎn)處,若電流由2流向1,則α(T)為正,反之為負(fù)。其大小取決于接點(diǎn)溫度及組成材料。42Seebeck效應(yīng)：兩種不同材料A、B構(gòu)成開路，接點(diǎn)保持不同溫度，則回路產(chǎn)生電動勢Peltier效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體A、B構(gòu)成回路，接電源。則一個接點(diǎn)吸熱，另一個放熱。（電流反向時，吸放熱相反）。43Thomson效應(yīng)：流過電流，棒吸熱，電流反向時放熱。44恒溫裝置電位差計1、用于測溫?zé)犭娕迹和ㄟ^測電動勢來測溫。把熱學(xué)量變?yōu)殡妼W(xué)量測量。45熱電材料的應(yīng)用常用的熱電偶材料T型：銅－康銅（60％Cu，40％Ni）適用于－200℃～400℃。K型：鎳鉻－鎳鋁（90％Ni＋10％Cr－95％Ni＋5％Al）適用于0℃～1000℃。S型：鉑－鉑銠（Pt－13％Rh＋87％Pt）溫度范圍0℃～1500℃。熱電偶材料：有近300種，廣泛應(yīng)用的有8種。制冷和低溫溫差電源材料：碲化鉍，硒化鉍，碲化銻。462、用做溫差電源最多的應(yīng)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時，便成為獨(dú)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。3、用于制冷利用半導(dǎo)體帕爾貼效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)熱、電能轉(zhuǎn)換，制成半導(dǎo)體制冷機(jī)（電流流過時，低溫端吸熱，高溫端放熱）優(yōu)點(diǎn)：壽命長，可靠，小型化，無空氣污染4748Ba8Ga14Sn50樣品Seeback系數(shù)武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室-程峰博士性能優(yōu)異的籠合物材料49dV=α(T)dT熱電材料與熱釋電材料的差別1.原理2.材料類型3.用途50其他功能轉(zhuǎn)換材料511、電光效應(yīng)與電光材料電光效應(yīng)——物質(zhì)光學(xué)特性受電場影響而發(fā)生改變的現(xiàn)象。電光材料絕大部分為晶體材料。KH2PO4,NH4H2PO4,BaTiO3,SrTiO3,LiTiO3,ZnS,GaAs用途：制造光體制原件，用于光偏轉(zhuǎn)，可變諧振濾波，電場測定等。52532磁光效應(yīng)與磁光材料

磁光效應(yīng)——物質(zhì)受磁場影響而光學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象磁光法拉第效應(yīng)

線偏振光通過磁性物體（沿磁場方向通過介質(zhì)），偏振面轉(zhuǎn)一角度。3.聲光效應(yīng)與聲光材料一、聲光效應(yīng)

聲光效應(yīng)——聲波作用于物質(zhì)使其光學(xué)特性發(fā)生改變的現(xiàn)象。超聲波引起的效應(yīng)尤其顯著。超聲波可以引起物質(zhì)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(yīng)）。54拉曼-納斯