第13章-能量及信号变换

第十三章能量及信号变换用薄膜与器件1能量变换膜与器件一次能量经过各种现象、效应、作用、反应等，变为二次能量的形式称之为能量变换。能量承载形态：机械、热、电、磁、光、放射线、化学最便与利用的能源形态是电能。清洁能源中，太阳能利用最普遍的形式是太阳能热水器和太阳能电池。2能量变换膜与器件与能量变换相关的现象3能量变换膜与器件45能量变换膜与器件主要种类1、光电变换薄膜材料2、光热变换薄膜材料3、热电变换薄膜材料4、热电子发身薄膜材料5、固体电解质薄膜材料6、超导薄膜器件6能量变换膜与器件光电变换薄膜材料光伏效应：指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。7能量变换膜与器件光热变换薄膜材料高效率光热转换：减少反射和辐射，增加吸收光选择膜选择透射选择吸收8能量变换膜与器件光热变换薄膜材料太阳能温室大棚太阳能热水器9能量变换膜与器件热电变换薄膜材料以薄膜形态存在，可通过内部载流子的运动将热能直接转变为电能的材料。•热电现象半导体材料比金属明显（高2~3数量级）•热电发电材料中，依其工作湿区分为：低温用（500K，比如Bi2Te3,ZnSb）、中温用（500-900K,PbTe）、高温用（900K,CrSi2,FeSi2,CoSi）•主要物质有硫属化合物系材料、过渡金属硅化物（Fe-Six系材料，硅锗系材料、硼系材料及非晶态材料等）10能量变换膜与器件热电变换薄膜材料温差发电在热电器件的两端施加温差，冷端会产生从P型电偶传到N型电偶的电动势，整个回路中会产生电流，实现温差发电。热电制冷在热电器件的热端施加电流，电流从N型电偶的热端的传到N型电偶的冷端，再从P型电偶的冷端的传到P型电偶的热端。在热端，电流是从P型电偶传到N型电偶，为放热效应，而在冷端则是相反为吸热效应。11能量变换膜与器件热电子发射薄膜材料处于高温的金属或某些金属化合物，可发射热电子。常作为热发射灯丝而应用的电子源，采用的就是高效率的热电子发射材料。受热激发的金属内部电子，当其能量超过称为功函数的能垒之后，就可从表面向真空中放出，并被外部电极的表面捕获。SEM钨灯丝：直流电压，钨丝发热,工作温度2600K~2800K之间,电子发射效率高，且温度越高电流密度越大。12能量变换膜与器件固体电解质薄膜材料固体电解质是固体离子(比如H+、O2-、Na+等)的传导体，特殊的固体电解质对特定的离子选择性地显示出高的传导能力。这类材料常温下的电导率大致为10-5~10-1S·cm-1。•Na+传导体——β-Al2O3；如Na/β-Al2O3/液态硫/多硫化苏打组合广泛应用于钠硫电池。•H+传导体——PVA凝胶；如H3PO4/PVA/H2O广泛应用于准固态超级电容器的电介质隔膜。13•O2-传导体——二氧化锆ZrO2燃料电池是将化学能直接变换为电能的电化学装置，它从外部向正极提供O2或空气等，而向负极提供乙醇、碳水化合物等，通过电化学反应不断从负极向正极输送电子流。能量变换膜与器件固体电解质薄膜材料O2+4e-=2O2-(正极)(电池总反应)2H2+O2=2H2OH22e-=2H+(负极)固体氧化物燃料电池是由美国西屋（Westinghouse）公司研制开发的。它以掺杂了氧化钇的氧化锆为固体电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（O2-）在其间通过。该电池的工作原理如下：14能量变换膜与器件超导薄膜器件1908年，荷兰莱顿大学的Onnes首次实现氦的液化，获得了4.2K的低温。1911年，他发现将汞冷却到4.2K时，汞的电阻突然消失，Onnes称这种处于超导状态的导体为超导体。超导体电阻突然变为零的温度叫超导临界温度。由于他的这一发现获得了1913年的诺贝尔奖。1987年2月，华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇（YBa2Cu3O7）系材料上把超导临界温度提高到90K以上，液氮的禁区，开启了高温超导的时代。超导的发现15能量变换膜与器件超导薄膜器件常压下具有超导性能的元素金属有32种，高压下或制成薄膜状态时具有超导性能的元素金属有14种（2010年数据）16能量变换膜与器件超导薄膜器件超导的基本性质（一）：零电阻效应超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失的现象，被称作零电阻效应。A)临界温度(Tc):电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度。超导Tc与样品纯度无关，但是越均匀纯净的样品超导转变时的电阻陡降越尖锐。B)临界磁场(Hc):超导电性可以被外加磁场所破坏,。对于温度为T(TTc)的超导体,当外磁场超过某一数值Hc(T)时，超导电性就会被破坏，变为正常态，Hc(T)称为临界磁场。17能量变换膜与器件超导薄膜器件C)临界电流(Ic):超导体无阻载流的能力也是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流，记为Ic。Ic(V)IV失超目前，常用电场描述Ic(V)，即当每厘米样品长度上出现电压为1V时所输送的电流。18能量变换膜与器件超导薄膜器件超导的基本性质（二）：完全抗磁性1933年，德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔德对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现，在小磁场中，把金属冷却到超导态时，超导体内的磁通线全部被排斥出去，保持体内磁感应强度B等于零，超导体的这一性质被称为迈斯纳效应。19能量变换膜与器件超导薄膜器件基于迈纳斯效应的磁悬浮试验：在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的Tc时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动。这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力。磁体越远离锡盘，斥力越小；当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。20能量变换膜与器件超导薄膜器件软超导体（第1类超导体）：1个临界磁场，多为纯金属类硬超导体（第2类超导体）：2个临界磁场；多为金属化合物及其合金一个材料是否为超导体，零电阻态和完全抗磁性是必须同时具有的两个独立特征。21能量变换膜与器件超导薄膜器件超导薄膜：目前为止，较成熟的超导薄膜制备技术主要有两种，即：磁控溅射和激光沉积。两种方法的原理都是把超导靶材的原子或分子一个个或一团团地移到一个基片上重新外延生长。两种方法所不同的是：一种是采用离子束轰击靶材；一种是采用激光蒸发靶材。由于高温超导体是由多种元素组成的材料，控制成分和生成的温度、气氛等是制备高质量超导薄膜的关键技术。超导薄膜器件：目前制备出的高温超导薄膜已经具有了相当好的电性能指标，并开始用到超导量子干涉器和微波通讯上。22信号变换膜与器件传感器所谓传感器，是指可接受外界信息（刺激），光、热、磁、压力、加速度、湿度、环境气氛等，并能在体系内变换为可处理信号的器件。23信号变换膜与器件传感器各种传感器及其可用材料24信号变换膜与器件传感器25信号变换膜与器件传感器传感器分类26信号变换膜与器件传感器性能要求：反应准确、动作灵敏、重复性好、寿命高等温度传感器：热释电型红外线传感器，利用随温度变化材料表面产生电荷的现象（热释电效应），由红外线能量转变为热能，并以电荷（输出电压）的方式检出。可广泛用于非接触式温度计进行流动人群体温测量，检测人及动物的位置、动作及活动等。常用热释电材料：单晶类，如LiTaO3，压电陶瓷类以及高分子薄膜类。27信号变换膜与器件传感器触觉传感器：电子皮肤，一种可以让机器人产生触觉的系统，可被加工成各种形状，能像衣服一样附着在设备表面，能够让机器人感知到物体的地点和方位、压强、湿度、温度等信息。28信号变换膜与器件传感器机器人表面感应假肢ZhenanBao(鲍哲南)生于江苏南京斯坦福大学化学工程系教授2017年度世界杰出女科学家29习题请列举三种不同固体电解质薄膜材料，并说明其应用。超导的两个基本性质是什么？何为软超导体、硬超导体？请各举一例。请举一例传感器，并说明其工作原理。