第5章-功能转换材料

第5章功能转换材料1声光电热磁力热电、热释电光电、电光声光磁光压电常见的功能转换材料25.1压电材料3压电效应：材料在沿一定方向上受到外力的作用变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。1880年，法国物理学家P.居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成正比。5.1压电材料4正压电效应正压电效应：力的垂直方向产生正负电荷5逆压电效应逆压电效应：正负电荷中心位移导致晶体形变6压电效应的微观机理关键词：电心位置发生偏移7压电材料的晶体特征无对称中心在32种点群的晶体中，有21种点群的晶体不是中心对称的压电材料的晶体结构复习晶体学基础知识8七大晶系与对称型9压电材料的评价参数101.压电单晶：机电性能稳定，没有内耗。举列：石英晶体铌酸锂(LiNbO3)：机电耦合系数大其他压电单晶材料：酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、钽酸锂碘酸锂等晶体也都是比较好的压电晶体材料。压电材料石英晶体LNO晶体四川大学晶体组112.压电陶瓷：优点：价格便宜缺点：易于老化。代表性压电陶瓷：钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（这是PbTiO3和PbZrO3组成的二元固溶体）。钛酸锶钡锆钛酸铅肖定全教授12压电材料广泛应用于电子学和传感器领域。电压大小与受力大小成正比13水声换能器：利用正压电效应接收声波，来完成水下观察、通讯和探测等。14在超声技术的应用：利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强超声波，并以此为动力在超声乳化，超声焊接，超声粉碎等装置上的机电换能装置等。15压电点火器：压电开关，引燃、引爆装置，打火机，燃气灶等。无线压电开关点火装置16电子器件：拾音器、传声器、扬声器等。17小结：•压电效应的原理•压电材料的晶体结构特点•压电材料的用途5.2热释电材料19压电晶体中，有10种点群的晶体具有唯一的单向极轴，即存在自发性，可能具有热释电性。在这些热释电晶体中，有些晶体的自发极化方向能随外电场方向转化，即铁电体补充知识：压电、热释电与铁电材料20•具有自发极化，且自发极化不能被外加电场所转向的晶体。如电器石，CaS、CaSe、Li2SO4·H2O、ZnO等。通常称之为热释电晶体。•自发极化可以被外加电场所转向的晶体。即铁电晶体。如LiNbO3、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3等铁电晶体E普通电介质215.2热释电材料热释电效应：温度的变化引起极化状态改变，使得晶体表面产生电荷。热释电效应最早在电气石晶体(Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,H,F)3中发现，该晶体属三方晶系，具有唯一的三重旋转轴。22热释电效应23热膨胀系数各向异性单晶材料如TGS(硫酸三甘肽)、DTGS(氘化的TGS)、CdS、LiTiO3、LiNiO3、SBN(铌酸锶钡)、PGO(锗酸铅)、KTN(钽铌酸钾)等)；高分子有机聚合物及复合材料(如PVF(聚氟乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDF/PT(聚偏二氟乙烯与钛酸铅复合)、PVDF/PZT(聚偏二氟乙烯与锆钛酸铅复合)；金属氧化物陶瓷及薄膜材料(如ZnO、BaTiO3、PMN(镁铌酸铅)、PST(钽钪酸铅)、BST(钛酸锶钡)、PbTiO3、PLT(钛酸铅镧)、PZT(锆钛酸铅)、PLZT(锆钛酸铅镧)等)。24在物理学基础研究中的应用,如确定晶体的非中心对称结构和相变温度,确定晶体中原子(或离子)的相对位移等。另一类是在探测器方面的应用。热释电效应的典型应用利用红外热效应热释电探测器敏感度很高25(1)夜视装置。利用热释电探器制作的夜视装置,具有灵敏度高的优点,能够将热源从背景中区分出来,这是热释电材料最早的应用之一。26(2)卫星遥感探测装置。用于卫星探矿、森林火灾预警等。影片：深入敌后27(3)导弹、坦克等的探测器。28(4)银行、保险公司等重要部门的报警器。29小结：•热释电效应的原理•热释电材料的晶体结构特点•热释电材料的用途5.3光电材料315.3光电材料光电效应物质在受到光照后，往往会引发其某些电性质的变化，这一现象称为光电效应。主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应。光电导效应：物质在受到光照射时，其导电率产生变化的现象。32光生伏特效应：如果光照射在半导体的p-n结上，则在p－n结两端会出现电势差，p区为正极，n区为负极，这种效应称为光生伏特效应。光电发射效应：当金属或半导体受到光照射时，其表面和体内的电子因吸收光子的能量而被激发，如果被激发的电子具有足够的能量，足以克服表面势垒而从表面离开，产生了光电子发射效应。光电效应爱因斯坦与光电效应33光生伏特材料：硅太阳能电池、半导体太阳能电池、薄膜太阳能电池。内建电场界面附近产生电子与空穴光伏材料•硅•铜铟镓硒•碲化镉•有机光伏材料34-+第一代第二代第三代35•硅•碲化镉•铜铟镓硒•有机光伏材料最高转换效率：9.0%平均转换效率：8.2%良率：≈100%超声喷涂技术太阳能电池结构大面积太阳能电池本人科研团队在聚合物光伏器件的研究进展。36低功函数材料（电子容易被电离发射）。应用：光电转换器、高灵敏度电视摄像管、图象倍增器。光电子发射材料光电转换器高灵敏摄像机37光电半导体：Ge、Si、ZnO、CdS、PbS。光电导陶瓷：CdS陶瓷、CdSe陶瓷等。有机高分子光电导体。应用：1.光探测的光敏感器件光电导摄像管固体图像传感器光电导材料38小结：•什么是光电导效应•什么是光伏特效应•什么是光电发射5.3热电材料405.4热电材料热电效应：在用不同导体构成的闭合电路中，若使其结合部分出现温度差，则在此闭合电路中将有电流通过，或产生热电势，这种现象叫热电效应。热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料1T2TABV41热电效应理论Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。1821年,T.J.Seebeck发现,由两种不同导体a,b构成的闭合回路的两端接点的温度不同时,回路中就产生电流,这种现象称为Seebeck效应。温差电动势,亦称为Seebeck电动势：dV=α(T)dTα(T)为Seebeck系数,在冷端接点处,若电流由2流向1,则α(T)为正,反之为负。其大小取决于接点温度及组成材料。421T2TABI1T2TABVSeebeck效应：两种不同材料A、B构成开路，接点保持不同温度，则回路产生电动势Peltier效应：两种不同导体A、B构成回路，接电源。则一个接点吸热，另一个放热。（电流反向时，吸放热相反）。431T2TI12TTabThomson效应：流过电流，棒吸热，电流反向时放热。44ABCC0TT恒温装置电位差计1、用于测温热电偶：通过测电动势来测温。把热学量变为电学量测量。45热电材料的应用常用的热电偶材料•T型：铜－康铜（60％Cu，40％Ni）适用于－200℃～400℃。•K型：镍铬－镍铝（90％Ni＋10％Cr－95％Ni＋5％Al）适用于0℃～1000℃。•S型：铂－铂铑（Pt－13％Rh＋87％Pt）温度范围0℃～1500℃。热电偶材料：有近300种，广泛应用的有8种。制冷和低温温差电源材料：•碲化铋，硒化铋，碲化锑。462、用做温差电源最多的应用是温差发电，但效率低，成本高。然而在一些场合其它能源无法使用时，便成为独一无二的发电方式，如南极、高山、空间及月球工作的大功率电源必须采用它。3、用于制冷利用半导体帕尔贴效应，实现热、电能转换，制成半导体制冷机（电流流过时，低温端吸热，高温端放热）优点：寿命长，可靠，小型化，无空气污染4748Ba8Ga14Sn50样品Seeback系数武汉光电国家实验室-程峰博士性能优异的笼合物材料49dV=α(T)dT热电材料与热释电材料的差别1.原理2.材料类型3.用途50其他功能转换材料511、电光效应与电光材料电光效应——物质光学特性受电场影响而发生改变的现象。电光材料绝大部分为晶体材料。KH2PO4,NH4H2PO4,BaTiO3,SrTiO3,LiTiO3,ZnS,GaAs用途：制造光体制原件，用于光偏转，可变谐振滤波，电场测定等。52532磁光效应与磁光材料磁光效应——物质受磁场影响而光学特性发生变化的现象磁光法拉第效应LBxxyy线偏振光通过磁性物体（沿磁场方向通过介质），偏振面转一角度。3.声光效应与声光材料一、声光效应声光效应——声波作用于物质使其光学特性发生改变的现象。超声波引起的效应尤其显著。超声波可以引起物质密度周期性变化，形成超声光栅，引起光的衍射（声光衍射效应）。54拉曼-纳斯衍射20MHz（超声波频率）物质内形成的疏密波相当于光栅，光栅常数即声波波长sin,1,2,3mm超声振子超声波551、声光玻璃(100MHz适应于声光器件）常用材料：熔融石英玻璃，Te玻璃等优点：易生产加工，退火后光学均匀性好，损耗小，价廉。缺点：可见光区，难获得折射率2.1的玻璃2、声光晶体(100MHz适应于声光器件）主要是氧化物晶体，其中重要的是：二氧化碲（TeO2）、钼酸铅（PbMoO4）、锗酸铋（Bi12GeO20）56