光电功能材料及应用重点(草稿)

12.1导电材料导电材料的分类：电子导电材料：起源于电子的运动离子导电材料：起源于离子的运动电导率：mSm112材料电导率/Ω-1·cm-1典型代表绝缘体＜10-7石英、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯半导体10-7～104硅、锗、聚乙炔导体105～108汞、银、铜、石墨超导体＞108铌(9.2K)、铌铝锗合金(23.3K)、聚氮硫(0.26K)32.1导电材料能带理论在孤立原子中，原子核外的电子具有分立的能量值，或者说电子的能量只能允许有一系列离散的值。电子的（也即原子的）能量被量子化。每一个能量取值叫做一个能级。能级42.1导电材料允许带（允带）：允许被电子占据的能带称为允许带，原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。满带：被电子占满的允许带称为满带。空带：每一个能级上都没有电子的能带称为空带。52.1导电材料导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。禁带：允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。61.1.2离子导电材料无机非金属导电机制：电子导电：载流子是电子或电子空穴；离子导电：载流子是离子或离子空位。离子电导机理：离子晶体的导电机理本征导电杂质导电玻璃的导电机理7导电高分子材料结构型导电高分子复合型导电高分子超导高分子材料导电高分子是指电导率在半导体和导体范围内的高分子材料，也是指其本身或经过“掺杂”后具有导电性的一类高分子材料。导电高分子材料与金属相比，具有重量轻，易成型，电阻率可调节等诸多优点，早已引起人们的普遍关注，目前，复合型导电高分子材料已经在很多领域发挥重要作用。1.1.2导电高分子材料8各原子间的相互作用原来孤立原子的能级发生分裂若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子的一个能级，就分裂成N条靠得很近的能级，能带的宽度记作EE～eV的量级若N~1023，则能带中两相邻能级的间距称为能带（energyband）。约为10-23eV。能带理论回顾9导电机理：半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子的负电荷。同时，在满价带中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可以按照电子运动相反的方向运动而传导正电荷。因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是导电的载流子。激发既可以是热激发，也可以是半导体中非热激发，通过激发，半导体产生载流子，从而导电。10半导体种类按成分元素半导体：本征，掺杂化合物半导体：合金，化合物，陶瓷，有机高分子本征半导体(10-9)掺杂半导体(n,p)(10-9)按杂质含量二.杂质（impurity）半导体1.n型半导体又称n型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处，ED～10-2eV，极易形成电子导电。本征半导体Si、Ge等的四个价电子，与另四个原子形成共价结合，当掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）时，就形成了电子型半导体，2.p型半导体四价的本征半导体Si、Ｇe等掺入少量三价的杂质元素（如Ｂ、Ga、In等）时，就形成空穴型半导体，又称p型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴能级在禁带中紧靠满带处，EA10-1eV，极易产生空穴导电。13氮化镓GaN第一代电子材料：Si,Ge第二代电子材料：III-V族化合物GaAs,GaP,InP第三代电子材料：SiC,BN,GaN,AlN,ZnSe,金刚石等宽带半导体。物理特性纤锌矿结构(六方)，能隙3.4eV,用途蓝色与紫外LEDLDp-n结一.p-n结的形成在n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的面附近产生了一个内建内E。内E阻止电子和空穴进一步扩散。内E电子和空穴的扩散，在p型和n型半导体交界p型半导体(补偿作用)。受主杂质，（电）场该区就成为n型p型内建场大到一定程度，不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。在p型和n型交界面附近形成的这种特殊结构称为p-n结（阻挡层，耗尽层），其厚度约为0.1m。p-n结内Ep型n型16•某些物质当冷却到临界温度以下时，同时产生零电阻率和排斥磁场的能力，这种现象被称为超导电性，该类材料称为超导体或超导材料。电力设备采用该类材料后，可以具有传统设备根本无法达到的技术及经济效益；有利于设备的小型化、轻量化及高效化；能抑制大电网的短路电流；可解决远距离、大容量输电的稳定性问题；能提高高密度输电的可靠性等等。超导定义一、超导特性1、完全导电性临界温度TC，是物质常数，同一种材料在相同条件下，TC有严格的确定值。汞的电阻与温度关系Hg的同位素效应2、完全抗磁性（反磁性）在超导态下，超导体内没有磁力线通过，磁场强度恒为零，这种现象称为超导体的完全抗磁性，或称迈斯纳效应。此时电流只通过导体表面。正常态超导态三、超导体的临界条件1、临界温度TC2、临界磁场强度HC3、临界电流密度JC在无外磁场条件下使超导体通电，当电流密度超过一定值后，超导体失去超导电性而恢复正常态。破坏超导态的最小电流密度称为临界电流密度JC.20常见的非线性光学现象①光学整流E2项的存在将引起介质的恒定极化项，产生恒定的极化电荷和相应的电势差，电势差与光强成正比而与频率无关，类似于交流电经整流管整流后得到直流电压。p=αE+βE2+γE3+……P=x(1)E+x(2)E2+x(3)E3+……21常见的非线性光学现象②产生高次谐波弱光进入介质后频率保持不变。强光进入介质后，由于介质的非线性效应，除原来的频率ω外，还将出现2ω、3ω、……等的高次谐波。1961年美国的P.A.弗兰肯和他的同事们首次在实验上观察到二次谐波。他们把红宝石激光器发出的3千瓦红色（6943埃）激光脉冲聚焦到石英晶片上，观察到了波长为3471.5埃的紫外二次谐波。若把一块铌酸钡钠晶体放在1瓦、1.06微米波长的激光器腔内，可得到连续的1瓦二次谐波激光，波长为5323埃。非线性介质的这种倍频效应在激光技术中有重要应用。22常见的非线性光学现象③光学混频当两束频率为ω1和ω2（ω1＞ω2）的激光同时射入介质时，如果只考虑极化强度P的二次项，将产生频率为ω1＋ω2的和频项和频率为ω1－ω2的差频项。利用光学混频效应可制作光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，可发射从红外到紫外的相干辐射。23常见的非线性光学现象④受激拉曼散射普通光源产生的拉曼散射是自发拉曼散射，散射光是不相干的。当入射光采用很强的激光时，由于激光辐射与物质分子的强烈作用，使散射过程具有受激辐射的性质，称受激拉曼散射。所产生的拉曼散射光具有很高的相干性，其强度也比自发拉曼散射光强得多。利用受激拉曼散射可获得多种新波长的相干辐射，并为深入研究强光与物质相互作用的规律提供手段。24常见的非线性光学现象⑤自聚焦介质在强光作用下折射率将随光强的增加而增大。激光束的强度具有高斯分布，光强在中轴处最大，并向外围递减，于是激光束的轴线附近有较大的折射率，像凸透镜一样光束将向轴线自动会聚，直到光束达到一细丝极限（直径约5×10-6米），并可在这细丝范围内产生全反射，犹如光在光学纤维内传播一样。与自聚焦同样原理的另一种现象叫自散焦。25常见的非线性光学现象⑥光致透明弱光下介质的吸收系数（见光的吸收）与光强无关，但对很强的激光，介质的吸收系数与光强有依赖关系，某些本来不透明的介质在强光作用下吸收系数会变为零。262.1有机非线性光学材料有机二阶非线性光学分子设计和合成有机二阶NLO分子的设计原则作为有机二阶NLO材料设计、制备的基础，有机二阶NLO分子的设计、合成研究显得尤为重要.有机化合物的NLO效应是由于非局域的π电子受激发所致，所以有机NLO分子都是强极性的π共轭体系。分子设计原则如下：(1)分子不具有对称中心(2)分子具有π共轭的电子体系(3)分子内存在电荷转移(4)透明性和光学非线性性能激光英文名：LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)受激辐射的光放大“镭射”、“莱塞”中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”《奇异的激光》——小学五年级语文课文(b)：受激吸收处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子，跃迁到高能级态；宏观表现：光被吸收(a)：自发辐射处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子；宏观表现：发光(c)：受激辐射处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。宏观表现：光被放大自发辐射与受激辐射的区别：原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。受激辐射时,原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。图4粒子数的分布（a）正常分布（b）反转分布•粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明，许多物质给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激光的产生提供了基础。3、粒子数反转要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使N2N1。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1。由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反转分布，见图4。•三能级系统：三个能级E1、E2、E3中，E2是亚稳态能级。外界激发作用，使得粒子从E1跃迁到E3，处于E3能级的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2。但E2是亚稳态，寿命较长约10-3s，允许粒子久留。随着E1上的粒子不断被跃迁到E3，又很快转移到E2，既然E2允许粒子久留，那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很小，于是粒子就在E2上积聚起来，从而实现E2与E1两能级间的粒子数的反转。该系统能对诱发光子能量hν=E2-E1的光进行放大。2）激光物质是三能级或四能级结构受激吸收受激发射二激光的产生1.激光器的构成激光器通常由三部分构成：(1).工作物质(2).激励源(3).谐振腔工作物质激励源谐振腔•（1）工作物质：是激光器中借以发射激光的物质，是激光器的核心。红宝石激光器的工作物质是含铬离子（Cr3+）的红宝石。激光是由其中铬离子的2E能级到4A2能级的跃迁发射的。•（2）激励源：为了将工作物质中处于基态的粒子激发到激发态能级，以获得粒子数反转，就需要激励源供给能量。这也是激光器中不可缺少的一部分。不同的激光器有不同的激励源。红宝石激光器中的激励源是脉冲氙灯。•（3）谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐振腔。其中一块为全反射，另一块为部分反射，激光从这一端输出。3.激光具有下列特点：（1）相干性好。所有发射的光具有相同的相位。（2）单色性纯。因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后，其他频率的光受到了相消干涉。（3）方向性好。光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过几次反射后被逸散掉。（4）亮度高。激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的辐射亮度比普通光高108～1010倍。35发散角小：激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散角极小，大约为0.001rad，接近平行。1962年，人类第一次用激光照射月球，地球距离月球的距离大约为38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里；1.方向性好：激光的特点及应用36应用—激光测距激光的特点及应用37亮度高：由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将中等强度的激光束经过会聚，可在焦点出产生几千到几万度的高温。1.方向性好：激光的特点及应用激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几