第五章(功能轉(zhuǎn)換材料)

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l 壓電材料l 熱釋電材料l 光電材料l 電光材料l 磁光材料l 熱電材料l 聲光材料第一節(jié)壓電材料第一節(jié)壓電材料 18801880年，年，P.P.居里和居里和J.J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)居里兄弟發(fā)現(xiàn)：當(dāng)對(duì)：當(dāng)對(duì) 石英晶體在某些特定方向石英晶體在某些特定方向上加力時(shí)，在垂直于作用力的平面上出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，即發(fā)生電極化。上加力時(shí)，在垂直于作用力的平面上出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，即發(fā)生電極化。由此發(fā)現(xiàn)材料的壓電性。由此發(fā)現(xiàn)材料的壓電性。一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)1 1、正壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)當(dāng)外加應(yīng)力當(dāng)外加應(yīng)力T T作用于某些單晶或多晶介電體并使它們發(fā)生應(yīng)變作用于某些單晶或多晶介電體并使它

2、們發(fā)生應(yīng)變S S時(shí)，介時(shí)，介電體內(nèi)的正負(fù)電荷中心會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，并在某兩個(gè)相對(duì)的表面產(chǎn)生異號(hào)電體內(nèi)的正負(fù)電荷中心會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，并在某兩個(gè)相對(duì)的表面產(chǎn)生異號(hào)束縛電荷。這種由應(yīng)力作用使材料發(fā)生電極化束縛電荷。這種由應(yīng)力作用使材料發(fā)生電極化( (即帶電即帶電) )或電極化的變化的或電極化的變化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)?，F(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。2 2、逆壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)與正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過程相反，當(dāng)對(duì)這類介電體施加外電場(chǎng)并使其中與正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過程相反，當(dāng)對(duì)這類介電體施加外電場(chǎng)并使其中的正負(fù)電荷中心產(chǎn)生位移時(shí)，該介電體要隨之發(fā)生變形。這種由電場(chǎng)作用的正負(fù)電荷中心產(chǎn)生位移時(shí)，該介電體要隨之發(fā)生變形。這種

3、由電場(chǎng)作用使材料產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。使材料產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.1 5.1 壓電材料壓電材料XYT1T1T2T2石英晶體切片的正壓電效應(yīng)石英晶體切片的正壓電效應(yīng)第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.1 5.1 壓電材料壓電材料 壓電效應(yīng)的機(jī)理：壓電效應(yīng)的機(jī)理：+(a)晶體不受外力作用：晶體不受外力作用：正負(fù)電荷的重心重合正負(fù)電荷的重心重合晶體的總電矩為零晶體的總電矩為零晶體表面的電荷為零晶體表面的電荷為零晶體受壓縮力或拉伸力作用：晶體受壓縮力或拉伸力作用：正負(fù)電荷的重心不重合正負(fù)電荷的重心不重合晶體表面產(chǎn)生異號(hào)束縛電荷晶體表面產(chǎn)生異號(hào)束縛電荷出現(xiàn)壓電效應(yīng)出現(xiàn)壓電效應(yīng)

4、+(c)+ +(b)第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.1 5.1 壓電材料壓電材料二、壓電材料的主要特性二、壓電材料的主要特性1.1.彈性模量彈性模量壓電體是彈性體，服從虎克定律。電學(xué)條件不同，彈性模量不同。壓電體是彈性體，服從虎克定律。電學(xué)條件不同，彈性模量不同。 （1 1） 短路彈性模量短路彈性模量 在外電路的電阻很小，即相當(dāng)于短路條件下，測(cè)得的彈性模量。在外電路的電阻很小，即相當(dāng)于短路條件下，測(cè)得的彈性模量。 （2 2） 開路彈性模量開路彈性模量 在外電路的電阻很大，即相當(dāng)于開路條件下，測(cè)得的彈性模量。在外電路的電阻很大，即相當(dāng)于開路條件下，測(cè)得的彈性模量。2.2.壓電常數(shù)壓電常數(shù)反映壓電材料中的

5、力學(xué)量和電學(xué)量之間的耦合關(guān)系，表示產(chǎn)生壓電效反映壓電材料中的力學(xué)量和電學(xué)量之間的耦合關(guān)系，表示產(chǎn)生壓電效應(yīng)的大小。應(yīng)的大小。 pidijk jk (i, j, k=1, 2, 3) )式中，式中，p pi i為壓電材料單位面積上的極化電荷；為壓電材料單位面積上的極化電荷； jk jk為應(yīng)力；為應(yīng)力；d dijkijk即壓電常數(shù)。即壓電常數(shù)。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.1 5.1 壓電材料壓電材料3.3.介電常數(shù)介電常數(shù) 介電常數(shù)反映了材料的介電性質(zhì)（或極化性質(zhì)）。介電常數(shù)反映了材料的介電性質(zhì)（或極化性質(zhì)）。 當(dāng)壓電材料的電行為用電場(chǎng)強(qiáng)度和電位移作變量來描述時(shí)，有：當(dāng)壓電材料的電行為用電場(chǎng)強(qiáng)度和電位

6、移作變量來描述時(shí)，有： 例如：例如：對(duì)于壓電陶瓷片，其介電常數(shù)對(duì)于壓電陶瓷片，其介電常數(shù) 為：為： Cd/A 式中，式中，C C電容電容(F)(F)；d d電極距離電極距離(m)(m)；A A電極面積電極面積(m(m2 2) ) 。 4.4.機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù) 綜合反映壓電體的機(jī)械能與電能之間的耦合關(guān)系。綜合反映壓電體的機(jī)械能與電能之間的耦合關(guān)系。 K K無量綱，數(shù)值越大，壓電耦合效應(yīng)越強(qiáng)。無量綱，數(shù)值越大，壓電耦合效應(yīng)越強(qiáng)。 DE （逆壓電效應(yīng)）（逆壓電效應(yīng)） （正壓電效應(yīng)）（正壓電效應(yīng)） 輸入的電能輸入的電能械能械能由逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換的機(jī)由逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換的機(jī)2K輸入的機(jī)械能輸入的機(jī)械能

7、能能由正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換的電由正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換的電2K第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.1 5.1 壓電材料壓電材料三、壓電材料三、壓電材料 1.1.壓電晶體壓電晶體 （1 1）石英）石英(SiO(SiO2 2) ) 晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)：三方晶系。三方晶系。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：壓電效應(yīng)出現(xiàn)在壓電效應(yīng)出現(xiàn)在X X、Y Y軸上，在軸上，在Z Z軸上無壓電效應(yīng)。軸上無壓電效應(yīng)。 壓電性能穩(wěn)定，內(nèi)耗小，但壓電性能穩(wěn)定，內(nèi)耗小，但K K值不是很大。值不是很大。 應(yīng)用：應(yīng)用：頻率穩(wěn)定器、擴(kuò)音器、電話、鐘表等。頻率穩(wěn)定器、擴(kuò)音器、電話、鐘表等。 （2 2）含氫鐵電晶體）含氫鐵電晶體 晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)：三方晶系。三方晶系。 特點(diǎn)

8、：特點(diǎn)：應(yīng)變應(yīng)變S Sx x與極化強(qiáng)度與極化強(qiáng)度P Px x2 2呈直線關(guān)系。呈直線關(guān)系。 典型材料：典型材料：磷酸二氫銨磷酸二氫銨(NH(NH4 4H H2 2POPO4 4，ADPADP) )、磷酸二氫鉀、磷酸二氫鉀(KH(KH2 2POPO4 4，KDPKDP) )、磷酸氫鉛磷酸氫鉛(PbHPO(PbHPO4 4，LHPLHP) )、磷酸氘鉛、磷酸氘鉛(PbDPO(PbDPO4 4，LDPLDP) )。 （3 3）含氧金屬酸化物）含氧金屬酸化物 典型材料：典型材料：鈦酸鋇鈦酸鋇(BaTiO(BaTiO3 3，鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)) )、鉭酸鋰、鉭酸鋰(LiTaO(LiTaO3 3，

9、畸變的，畸變的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)) )、鈮酸鋰、鈮酸鋰(LiNbO(LiNbO3 3，畸變的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，畸變的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)) )、鈮酸鍶鋇、鈮酸鍶鋇(Ba(Bax xSrSr1-1-x xNbONbO6 6，SBNSBN，鎢青銅型結(jié)構(gòu)，鎢青銅型結(jié)構(gòu)) )。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.1 5.1 壓電材料壓電材料鈣鈦礦（鈣鈦礦（CaTiOCaTiO3 3）晶體結(jié)構(gòu)模型）晶體結(jié)構(gòu)模型第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.1 5.1 壓電材料壓電材料 2. 2.壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體 晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)：閃鋅礦或纖鋅礦結(jié)構(gòu)。閃鋅礦或纖鋅礦結(jié)構(gòu)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：K K 值大，并兼有光電導(dǎo)性。值大，并兼有光電導(dǎo)性。

10、應(yīng)用：應(yīng)用：換能器。換能器。 水聲換能器：水聲換能器：通過發(fā)射聲波或接受聲波通過發(fā)射聲波或接受聲波( (分別對(duì)應(yīng)于正、逆壓電效應(yīng)分別對(duì)應(yīng)于正、逆壓電效應(yīng)) ) 來完成水下觀察、通訊和探測(cè)工作。來完成水下觀察、通訊和探測(cè)工作。 典型材料：典型材料：-族化合物：族化合物：CdSCdS、CdSeCdSe、ZnOZnO、ZnSZnS、ZnTeZnTe、CdTeCdTe。 -族化合物：族化合物：GaAsGaAs、GaSbGaSb、InAsInAs、InSbInSb、AlNAlN。 3. 3. 壓電陶瓷壓電陶瓷 （1 1）鈦酸鋇）鈦酸鋇(BaTiO(BaTiO3 3) )陶瓷陶瓷 第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)可以制成陶瓷

11、的鐵電體。室溫下呈四方結(jié)構(gòu)，第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)可以制成陶瓷的鐵電體。室溫下呈四方結(jié)構(gòu)，120120 C C時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄?，鐵電性消失。時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄啵F電性消失。 （2 2）鋯鈦酸鉛）鋯鈦酸鉛（Pb(ZrPb(Zr、Ti)OTi)O3 3，PZTPZT） PbTiOPbTiO3 3與與PbZrOPbZrO3 3形成的固溶體，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，應(yīng)用廣泛。形成的固溶體，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，應(yīng)用廣泛。組成鋯鈦酸鉛的組成鋯鈦酸鉛的PbTiOPbTiO3 3、PbZrOPbZrO3 3也是常用的陶瓷壓電材料。也是常用的陶瓷壓電材料。 第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.1 5.1 壓電材料壓電材料閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)模型閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)模

12、型纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)模型纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)模型第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.1 5.1 壓電材料壓電材料四、壓電材料的應(yīng)用四、壓電材料的應(yīng)用 1 1、微聲技術(shù)應(yīng)用、微聲技術(shù)應(yīng)用 水聲發(fā)射和接受裝置水聲發(fā)射和接受裝置“聲納聲納”。 19161916年朗之萬利用石英晶體制造出年朗之萬利用石英晶體制造出“聲納聲納”，用于探測(cè)水中物體，至今，用于探測(cè)水中物體，至今仍在海軍中有重要應(yīng)用。仍在海軍中有重要應(yīng)用。2 2、超聲技術(shù)應(yīng)用、超聲技術(shù)應(yīng)用 超聲清洗、超聲乳化、超聲焊接、超聲粉碎等裝置上的機(jī)電換能器。超聲清洗、超聲乳化、超聲焊接、超聲粉碎等裝置上的機(jī)電換能器。 利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，在高驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下產(chǎn)生高強(qiáng)度超聲

13、波，并以利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，在高驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下產(chǎn)生高強(qiáng)度超聲波，并以此作為動(dòng)力的應(yīng)用。此作為動(dòng)力的應(yīng)用。3 3、機(jī)械能電能轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用、機(jī)械能電能轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用 壓電點(diǎn)火器、引燃引爆裝置、壓電開關(guān)等。壓電點(diǎn)火器、引燃引爆裝置、壓電開關(guān)等。 利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，從而產(chǎn)生高電壓。利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，從而產(chǎn)生高電壓。4 4、信息技術(shù)應(yīng)用、信息技術(shù)應(yīng)用 壓電材料最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。壓電材料最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.1 5.1 壓電材料壓電材料應(yīng)用類型應(yīng)用類型代表性器件代表性器件信號(hào)發(fā)生信號(hào)發(fā)生電信號(hào)發(fā)生電信號(hào)發(fā)生壓電振蕩器壓電振蕩器聲信

14、號(hào)發(fā)生聲信號(hào)發(fā)生送受話器，拾音器，揚(yáng)聲器，蜂鳴器，水聲換能器，超聲換能器送受話器，拾音器，揚(yáng)聲器，蜂鳴器，水聲換能器，超聲換能器信號(hào)發(fā)射與接收信號(hào)發(fā)射與接收聲納，超聲測(cè)聲器，超聲探測(cè)儀，超聲厚度計(jì)，拾音器，揚(yáng)聲器，聲納，超聲測(cè)聲器，超聲探測(cè)儀，超聲厚度計(jì)，拾音器，揚(yáng)聲器，傳聲器傳聲器信號(hào)處理信號(hào)處理濾波器，鑒頻器，放大器，衰減器，延遲線，混頻器，卷積器，光濾波器，鑒頻器，放大器，衰減器，延遲線，混頻器，卷積器，光調(diào)制器，光偏轉(zhuǎn)器，光開關(guān)，光倍頻器，光混頻器調(diào)制器，光偏轉(zhuǎn)器，光開關(guān)，光倍頻器，光混頻器信號(hào)存儲(chǔ)與顯示信號(hào)存儲(chǔ)與顯示鐵電存儲(chǔ)器鐵電存儲(chǔ)器(FRAM(FRAM，DRAM)DRAM)，光鐵

15、電存儲(chǔ)顯示器，光折變?nèi)⒋鎯?chǔ)器，光鐵電存儲(chǔ)顯示器，光折變?nèi)⒋鎯?chǔ)器信號(hào)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)與控制與控制傳感器傳感器微音器，應(yīng)變儀，聲納，壓電陀螺，壓電加速度表，位移器，壓電微音器，應(yīng)變儀，聲納，壓電陀螺，壓電加速度表，位移器，壓電機(jī)械手，助聽器，振動(dòng)器機(jī)械手，助聽器，振動(dòng)器探測(cè)器探測(cè)器紅外探測(cè)器，高溫計(jì)，計(jì)數(shù)器，防盜報(bào)警器，濕敏探測(cè)器，氣敏探紅外探測(cè)器，高溫計(jì)，計(jì)數(shù)器，防盜報(bào)警器，濕敏探測(cè)器，氣敏探測(cè)器測(cè)器計(jì)測(cè)與控制計(jì)測(cè)與控制壓電加速度表，壓電陀螺，微位移器，壓力計(jì)，流量計(jì)，流速計(jì)，壓電加速度表，壓電陀螺，微位移器，壓力計(jì)，流量計(jì)，流速計(jì)，風(fēng)速計(jì)，聲速計(jì)風(fēng)速計(jì)，聲速計(jì)高壓弱流電源高壓弱流電源壓電打火機(jī)

16、，壓電引信，壓電變壓器，壓電電源壓電打火機(jī)，壓電引信，壓電變壓器，壓電電源壓電材料在信息技術(shù)及其他技術(shù)中的主要應(yīng)用壓電材料在信息技術(shù)及其他技術(shù)中的主要應(yīng)用 第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.1 5.1 壓電材料壓電材料 壓電材料的研究近況：壓電材料的研究近況： 弛豫型鐵電單晶：弛豫型鐵電單晶：鈮鎂酸鉛鈦酸鉛：鈮鎂酸鉛鈦酸鉛：(1-(1-x)Pb(Mg)Pb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3xPbTiOPbTiO3 3，PMN-PTPMN-PT。鈮鋅酸鉛鈦酸鉛：鈮鋅酸鉛鈦酸鉛：(1-(1-x)Pb(Zn)Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3xPbTiOPbTiO3 3

17、，PZN-PTPZN-PT。弛豫型鐵電體具有很高的介電常數(shù)和較大的電致伸縮系數(shù)。弛豫型鐵電體具有很高的介電常數(shù)和較大的電致伸縮系數(shù)。 19961996年和年和19971997年，年，ParkPark和和ShroutShrout報(bào)道了利用熔鹽法生長報(bào)道了利用熔鹽法生長PZN-PTPZN-PT單晶的單晶的技術(shù)工藝和晶體各種切向晶片的介電、壓電和電致伸縮特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)切向技術(shù)工藝和晶體各種切向晶片的介電、壓電和電致伸縮特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)切向?yàn)闉?001)(001)時(shí)，晶體具有最佳的性能。時(shí)，晶體具有最佳的性能。例如，組分為例如，組分為0.92PZN-0.08PT0.92PZN-0.08PT的晶體，當(dāng)按的晶體

18、，當(dāng)按(010)(010)切向時(shí)，壓電性能：切向時(shí)，壓電性能：d d33332500pC2500pCN N-1-1，為鋯鈦酸鉛，為鋯鈦酸鉛(PZT)(PZT)材料的材料的3 36 6倍；倍；K K33330.940.94，為現(xiàn)有壓電材料中最高的。，為現(xiàn)有壓電材料中最高的。世界著名雜志世界著名雜志ScienceScience的評(píng)論：的評(píng)論：這類鐵電單晶將是新一代超聲換能器和高性能微位移和微驅(qū)動(dòng)器的理這類鐵電單晶將是新一代超聲換能器和高性能微位移和微驅(qū)動(dòng)器的理想材料。想材料。我國也在研制我國也在研制PMN-PTPMN-PT、PZN-PTPZN-PT弛豫鐵電單晶，取得重要進(jìn)展。弛豫鐵電單晶，取得重要

19、進(jìn)展。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.1 5.1 壓電材料壓電材料第二節(jié)熱釋電材料第二節(jié)熱釋電材料一、熱釋電效應(yīng)一、熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)是晶體因溫度變化而引起電極化的變化，即晶體表面產(chǎn)生等量異號(hào)熱釋電效應(yīng)是晶體因溫度變化而引起電極化的變化，即晶體表面產(chǎn)生等量異號(hào)電荷的現(xiàn)象。電荷的現(xiàn)象。 熱釋電效應(yīng)反映了晶體的電量與溫度之間的關(guān)系：熱釋電效應(yīng)反映了晶體的電量與溫度之間的關(guān)系： PspT 式中，式中，P Ps s自發(fā)極化強(qiáng)度；自發(fā)極化強(qiáng)度；p p 熱釋電系數(shù)；熱釋電系數(shù)；T T 溫度。溫度。 熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的前提條件熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的前提條件 晶體具有自發(fā)極化現(xiàn)象，即在晶體結(jié)構(gòu)的某些方向存在固有電矩。晶體具

20、有自發(fā)極化現(xiàn)象，即在晶體結(jié)構(gòu)的某些方向存在固有電矩。 熱釋電材料與壓電材料的比較熱釋電材料與壓電材料的比較 壓電晶體不一定有熱釋電效應(yīng)，壓電晶體不一定有熱釋電效應(yīng)， 但熱釋電晶體一定有壓電效應(yīng)。但熱釋電晶體一定有壓電效應(yīng)。 鐵電體都具有熱釋電效應(yīng)鐵電體都具有熱釋電效應(yīng)鐵電體：鐵電體：一類具有自發(fā)極化，且這一類具有自發(fā)極化，且這種自發(fā)極化可以在外電場(chǎng)作用下改種自發(fā)極化可以在外電場(chǎng)作用下改變方向的電介質(zhì)。變方向的電介質(zhì)。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.2 5.2 熱釋電材料熱釋電材料鐵電材料的極化特性曲線鐵電材料的極化特性曲線電介質(zhì)電介質(zhì)壓電體壓電體熱釋電體熱釋電體鐵電體鐵電體電介質(zhì)、壓電體、電介質(zhì)、壓電

21、體、熱釋電體和鐵電體的關(guān)系熱釋電體和鐵電體的關(guān)系第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.2 5.2 熱釋電材料熱釋電材料二、熱釋電材料的主要特性二、熱釋電材料的主要特性1.1.熱釋電系數(shù)熱釋電系數(shù) 熱釋電系數(shù)表示熱釋電材料受到熱輻射后產(chǎn)生自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變熱釋電系數(shù)表示熱釋電材料受到熱輻射后產(chǎn)生自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變 化的大小。化的大小。p p 越大越好。越大越好。 2.2.優(yōu)值指數(shù)優(yōu)值指數(shù) 優(yōu)值指數(shù)是熱釋電材料應(yīng)用于探測(cè)器方面的重要參數(shù)。優(yōu)值指數(shù)是熱釋電材料應(yīng)用于探測(cè)器方面的重要參數(shù)。 電流響應(yīng)優(yōu)值電流響應(yīng)優(yōu)值F FiTPpddsc 熱釋電材料單位體積的熱容。熱釋電材料單位體積的熱容。cFi = p / 常

22、用熱釋電材料的常用熱釋電材料的 約為約為2.52.510106 6J Jmm-3-3K K-1 -1。 c第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.2 5.2 熱釋電材料熱釋電材料 電壓響應(yīng)優(yōu)值電壓響應(yīng)優(yōu)值F Fv v 熱釋電材料的介電常數(shù)。熱釋電材料的介電常數(shù)。 探測(cè)優(yōu)值探測(cè)優(yōu)值F Fd d tan 熱釋電材料的電學(xué)損耗因子。熱釋電材料的電學(xué)損耗因子。3.3.吸熱流量吸熱流量 代表單位時(shí)間吸熱的多少。代表單位時(shí)間吸熱的多少。 一般要求熱釋電材料具有大的吸熱流量。一般要求熱釋電材料具有大的吸熱流量。 4.4.居里點(diǎn)或矯頑場(chǎng)居里點(diǎn)或矯頑場(chǎng) 熱釋電材料有一大類是鐵電體，要求有大的矯頑場(chǎng)或高的居里點(diǎn)。熱釋電材料有一大

23、類是鐵電體，要求有大的矯頑場(chǎng)或高的居里點(diǎn)。 cF = p / 21)cFdp / (tan第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.2 5.2 熱釋電材料熱釋電材料三、熱釋電材料三、熱釋電材料材料材料p(10-4Cm-2K-1) r(1kHz)tan (1kHz)( (106J Jm-3K-1)Fv( (m2C-1)Fd( (10-5Pa-1/2)TGS(35 C)DTGS(40 C)ATGSAs(25 C)ATGSP(25 C)LiTaO3SBN-50PZ-FN陶瓷陶瓷PT陶瓷陶瓷PVDF5.55.57.06.22.35.53.83.80.275543323147100290220120.0250.0200.

24、010.010.0050.0030.0030.0110.0152.62.43.22.342.52.52.430.430.600.990.980.170.070.060.080.106.18.316.616.84.97.25.83.30.88一些代表性熱釋電材料的性能一些代表性熱釋電材料的性能注：注：SBN-50是是Sr0.5Ba0.5NbO6；PZ-FN陶瓷是改性的陶瓷是改性的PbZrO3-PbFe1/3Nb2/3O3； PT陶瓷是改性的陶瓷是改性的PbTiO3。 c第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.2 5.2 熱釋電材料熱釋電材料 1. 1.熱釋電晶體熱釋電晶體 特點(diǎn)：特點(diǎn)： p p 值高，性能穩(wěn)定。

25、值高，性能穩(wěn)定。自發(fā)極化在外電場(chǎng)作用下不發(fā)生轉(zhuǎn)向。自發(fā)極化在外電場(chǎng)作用下不發(fā)生轉(zhuǎn)向。 典型材料：典型材料： 電氣石、電氣石、CaSCaS、CaSeCaSe、LiLi2 2SOSO4 4H H2 2O O、ZnOZnO等。等。 2.2.鐵電晶體鐵電晶體 特點(diǎn)：特點(diǎn)：p p 值高，性能穩(wěn)定。值高，性能穩(wěn)定。 自發(fā)極化在外電場(chǎng)作用下會(huì)改變方向。自發(fā)極化在外電場(chǎng)作用下會(huì)改變方向。 典型材料典型材料：（1 1）硫酸三甘肽）硫酸三甘肽(TGS)(TGS)及其改性材料及其改性材料 硫酸三甘肽硫酸三甘肽(TGS)(TGS)、氘化的、氘化的TGSTGS(DTGS)(DTGS)、摻丙氨酸并以砷酸根取代部分、摻丙氨

26、酸并以砷酸根取代部分硫酸根的硫酸根的TGSTGS(ATGSAs(ATGSAs) )和摻丙氨酸并以磷酸根取代部分硫酸根的和摻丙氨酸并以磷酸根取代部分硫酸根的TGSTGS(ATGSP)(ATGSP)。（2 2）含氧金屬酸化物）含氧金屬酸化物 LiTaOLiTaO3 3、LiNiOLiNiO3 3、PbTiOPbTiO3 3、Pb(ZrPb(Zr、Ti)OTi)O3 3、BaTiOBaTiO3 3等。等。 第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.2 5.2 熱釋電材料熱釋電材料 3. 3.熱釋電陶瓷熱釋電陶瓷 特點(diǎn)：特點(diǎn)：制備容易，成本低，同時(shí)具有良好的熱釋電性能。制備容易，成本低，同時(shí)具有良好的熱釋電性能。 典型

27、材料：典型材料： （1 1）鈦酸鉛）鈦酸鉛(PbTiO(PbTiO3 3) )陶瓷陶瓷 居里溫度高，居里溫度高，p p 值隨溫度變化很小，是一種較好的紅外探測(cè)器材料。值隨溫度變化很小，是一種較好的紅外探測(cè)器材料。 （2 2）鋯鈦酸鉛）鋯鈦酸鉛(PZT)(PZT)陶瓷陶瓷 用量很大，性能優(yōu)良。用量很大，性能優(yōu)良。 添加添加BiBi2 2OO3 3的的PbPb0.960.96BiBi0.040.04ZrZr0.920.92TiTi0.080.08OO3 3陶瓷在室溫附近具有較大的陶瓷在室溫附近具有較大的p p 值。值。 （3 3）鋯鈦酸鉛鑭）鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)(PLZT)陶瓷陶瓷 居里點(diǎn)高，在

28、常溫下使用不退化，熱釋電性能良好。居里點(diǎn)高，在常溫下使用不退化，熱釋電性能良好。 4.4.有機(jī)高聚物晶體有機(jī)高聚物晶體 典型材料：典型材料：聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯(PVDF)(PVDF)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：易于制得大面積的薄膜易于制得大面積的薄膜(6(6 m m以下以下) )，且工序少，成本低。，且工序少，成本低。 p p 值較小，電壓響應(yīng)優(yōu)值較高，介電損耗大，探測(cè)優(yōu)值低。值較小，電壓響應(yīng)優(yōu)值較高，介電損耗大，探測(cè)優(yōu)值低。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.2 5.2 熱釋電材料熱釋電材料四、熱釋電材料的應(yīng)用四、熱釋電材料的應(yīng)用 1 1、熱釋電探測(cè)器、熱釋電探測(cè)器 重要應(yīng)用：重要應(yīng)用：制作室溫紅外探測(cè)器與列

29、陣。制作室溫紅外探測(cè)器與列陣。原理：原理：當(dāng)熱釋電元件受到調(diào)制輻射加熱后，晶片溫度將發(fā)生微小變當(dāng)熱釋電元件受到調(diào)制輻射加熱后，晶片溫度將發(fā)生微小變化，由此引起晶體極化狀態(tài)的改變，從而使垂直于自發(fā)極化軸化，由此引起晶體極化狀態(tài)的改變，從而使垂直于自發(fā)極化軸方向的晶體單位表面上的電荷方向的晶體單位表面上的電荷( (即即P Ps s值值) )發(fā)生改變。發(fā)生改變。應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域：防火、防盜、醫(yī)療、遙測(cè)及軍事等方面。防火、防盜、醫(yī)療、遙測(cè)及軍事等方面。2 2、紅外成像系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng) 重要應(yīng)用：重要應(yīng)用： “夜視夜視”裝置。裝置。原理：原理：物體在黑暗環(huán)境中隨其溫度的變化會(huì)發(fā)射具有不同強(qiáng)度和波長物

30、體在黑暗環(huán)境中隨其溫度的變化會(huì)發(fā)射具有不同強(qiáng)度和波長的紅外線。紅外攝像機(jī)能夠接收到來自物體不同部位的不同強(qiáng)度和波的紅外線。紅外攝像機(jī)能夠接收到來自物體不同部位的不同強(qiáng)度和波長的紅外線，從而產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電信號(hào)，最后被還原成可視圖像。長的紅外線，從而產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電信號(hào)，最后被還原成可視圖像。 第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.2 5.2 熱釋電材料熱釋電材料(a)熱釋電紅外成像焦平面的局部放大，第一像素的面積為熱釋電紅外成像焦平面的局部放大，第一像素的面積為19 m16 m；(b)用熱釋電紅外成像系統(tǒng)攝取的紅外光圖像。用熱釋電紅外成像系統(tǒng)攝取的紅外光圖像。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.2 5.2 熱釋電材料熱

31、釋電材料第三節(jié)光電材料第三節(jié)光電材料一、光電導(dǎo)材料一、光電導(dǎo)材料 光電導(dǎo)材料是指具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料，又稱內(nèi)光電效應(yīng)材料、光敏光電導(dǎo)材料是指具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料，又稱內(nèi)光電效應(yīng)材料、光敏 材料。光電導(dǎo)材料是制造光電導(dǎo)探測(cè)器的重要材料。材料。光電導(dǎo)材料是制造光電導(dǎo)探測(cè)器的重要材料。l 光電導(dǎo)材料的主要特性光電導(dǎo)材料的主要特性 1.1.積分靈敏度積分靈敏度S S 光電導(dǎo)材料的積分靈敏度代表了光電導(dǎo)產(chǎn)生的靈敏度，即單位光入射光電導(dǎo)材料的積分靈敏度代表了光電導(dǎo)產(chǎn)生的靈敏度，即單位光入射通量產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化的大?。和慨a(chǎn)生的電導(dǎo)率變化的大?。?電導(dǎo)率；電導(dǎo)率； 光入射通量。光入射通量。 積分靈敏度代表了

32、光電導(dǎo)產(chǎn)生的靈敏度。積分靈敏度代表了光電導(dǎo)產(chǎn)生的靈敏度。S 第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.3 5.3 光電材料光電材料 2.“ 2.“紅限紅限”或長波限或長波限 產(chǎn)生光電導(dǎo)的波長上限。產(chǎn)生光電導(dǎo)的波長上限。 并非任何波長的光照射在某種材料上時(shí)并非任何波長的光照射在某種材料上時(shí)都會(huì)導(dǎo)致其電導(dǎo)率的變化，只有當(dāng)入射光子都會(huì)導(dǎo)致其電導(dǎo)率的變化，只有當(dāng)入射光子的能量（與波長或頻率有關(guān)）足夠大時(shí)，才的能量（與波長或頻率有關(guān)）足夠大時(shí)，才能把材料價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)能把材料價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光生載流子。生光生載流子。 3.3.光譜靈敏度光譜靈敏度 又稱光譜響應(yīng)度，用又稱光譜響應(yīng)度，用 -

33、- 曲線表示，它曲線表示，它反映光電導(dǎo)材料對(duì)不同波長的光的響應(yīng)。反映光電導(dǎo)材料對(duì)不同波長的光的響應(yīng)。 4.4.靈敏閾靈敏閾 能夠測(cè)出光電導(dǎo)材料產(chǎn)生光電導(dǎo)的最小能夠測(cè)出光電導(dǎo)材料產(chǎn)生光電導(dǎo)的最小光輻射量。光輻射量。0.81.21.62.010100相相對(duì)對(duì)靈靈敏敏度，度，%波長，波長， m鍺的本征光電導(dǎo)的光譜分布鍺的本征光電導(dǎo)的光譜分布第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.3 5.3 光電材料光電材料l 光電導(dǎo)材料光電導(dǎo)材料1.1.光電導(dǎo)半導(dǎo)體光電導(dǎo)半導(dǎo)體 （1 1）單晶體：）單晶體：GeGe、SiSi（2 2）氧化物：）氧化物：ZnOZnO、PbOPbO （3 3）鎘化物：）鎘化物：CdSCdS、CdSeC

34、dSe，CdTeCdTe（4 4）鉛化物：）鉛化物：PbSPbS、PbSePbSe、PbTePbTe（5 5）其他半導(dǎo)體化合物：）其他半導(dǎo)體化合物：SbSb2 2S S3 3、InSbInSb 2. 2.光電導(dǎo)陶瓷光電導(dǎo)陶瓷 CdSCdS陶瓷、陶瓷、CdSeCdSe陶瓷等。陶瓷等。 3.3.有機(jī)高分子光導(dǎo)體有機(jī)高分子光導(dǎo)體 聚氮乙烯基咔唑與聚氮乙烯基咔唑與2,4,7-2,4,7-三硝基芴酮組成的傳荷絡(luò)合物。三硝基芴酮組成的傳荷絡(luò)合物。l 光電導(dǎo)材料的應(yīng)用光電導(dǎo)材料的應(yīng)用 光電導(dǎo)材料的應(yīng)用基于光生載流子產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，常用來作光敏器件：光電導(dǎo)材料的應(yīng)用基于光生載流子產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，常用來作光敏器

35、件：如光電二極管、光敏三極管、光電導(dǎo)探測(cè)器等。如光電二極管、光敏三極管、光電導(dǎo)探測(cè)器等。 第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.3 5.3 光電材料光電材料二、光電動(dòng)勢(shì)材料二、光電動(dòng)勢(shì)材料 光電動(dòng)勢(shì)材料是能夠產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的材料，主要指光電池材料。光電動(dòng)勢(shì)材料是能夠產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的材料，主要指光電池材料。l 光電池的主要特性光電池的主要特性 1.1.開路電壓開路電壓V V0 0 開路電壓開路電壓V V0 0表示的是光電池在開路時(shí)的電壓，也就是光電池的最大輸表示的是光電池在開路時(shí)的電壓，也就是光電池的最大輸 出電壓。出電壓。 2.2.短路電流短路電流I I0 0 短路電流短路電流I I0 0表示的是光電池

36、在外電路短路時(shí)的電流，也就是光電池的表示的是光電池在外電路短路時(shí)的電流，也就是光電池的 最大電流。最大電流。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.3 5.3 光電材料光電材料3.3.轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率 表示的是光生電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)，是光電池的最大輸出功率與表示的是光生電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)，是光電池的最大輸出功率與入射到光電池結(jié)面上的輻射功率之比：入射到光電池結(jié)面上的輻射功率之比： 式中，式中，I I 光電流；光電流；E E 光電動(dòng)勢(shì)；光電動(dòng)勢(shì)； 光入射通量；光入射通量；S S 相關(guān)靈敏度。相關(guān)靈敏度。 與禁帶寬度有關(guān)，當(dāng)與禁帶寬度有關(guān)，當(dāng)E Eg g=0.9=0.91.5eV1.5eV時(shí)，時(shí)， 可獲得最高

37、值。溫度、摻可獲得最高值。溫度、摻雜濃度及分布以及光強(qiáng)度等對(duì)雜濃度及分布以及光強(qiáng)度等對(duì) 也有影響。也有影響。 4.4.光譜響應(yīng)曲線光譜響應(yīng)曲線 光譜響應(yīng)曲線是表示光譜響應(yīng)曲線是表示V V0 0 、I I0 0 、 的關(guān)系曲線，反映了光電池的關(guān)系曲線，反映了光電池的幾個(gè)重要參量與入射光波長的關(guān)系。的幾個(gè)重要參量與入射光波長的關(guān)系。SIE率率入射到結(jié)面上的輻射功入射到結(jié)面上的輻射功光電池最大輸出功率光電池最大輸出功率第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.3 5.3 光電材料光電材料半導(dǎo)體半導(dǎo)體禁帶寬度禁帶寬度(eV)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換效效率率(%)轉(zhuǎn)換效率與禁帶寬度的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換效率與禁帶寬度的關(guān)系曲線第五章功能轉(zhuǎn)換材料

38、 5.3 5.3 光電材料光電材料l 光電池材料光電池材料 光電池中最活躍的領(lǐng)域是太陽能電池。光電池中最活躍的領(lǐng)域是太陽能電池。 太陽能電池是一種利用光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的光電轉(zhuǎn)換器件。太陽能電池是一種利用光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的光電轉(zhuǎn)換器件。 1.1.硅太陽能電池材料硅太陽能電池材料 （1 1）單晶硅太陽能電池材料）單晶硅太陽能電池材料優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：E Eg g( (約約1.1eV)1.1eV)大小適宜，轉(zhuǎn)換效率高大小適宜，轉(zhuǎn)換效率高( ( 可達(dá)可達(dá)18%)18%)，反射損失，反射損失小，易摻雜。小，易摻雜。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，使用壽命不長。價(jià)格昂貴，使用壽命不長。 （2 2）多晶

39、硅太陽能電池材料）多晶硅太陽能電池材料優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：制備工藝簡(jiǎn)單，易獲得大尺寸材料。制備工藝簡(jiǎn)單，易獲得大尺寸材料。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：均勻性不易控制，轉(zhuǎn)換效率低均勻性不易控制，轉(zhuǎn)換效率低( ( 約為約為2 28%)8%)。 對(duì)多晶硅進(jìn)行表面改性，在其表面形成理想的織構(gòu)來增強(qiáng)其對(duì)光的吸對(duì)多晶硅進(jìn)行表面改性，在其表面形成理想的織構(gòu)來增強(qiáng)其對(duì)光的吸 收，可以將多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高至收，可以將多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高至13.4%13.4%。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.3 5.3 光電材料光電材料（3 3）非晶硅太陽能電池材料）非晶硅太陽能電池材料優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：制備工藝簡(jiǎn)單，對(duì)雜質(zhì)的敏感性小，可制成大尺寸。制備工

40、藝簡(jiǎn)單，對(duì)雜質(zhì)的敏感性小，可制成大尺寸。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率不高轉(zhuǎn)換效率不高( ( 約在約在10%10%左右左右) )，性能不夠穩(wěn)定。，性能不夠穩(wěn)定。 將非晶硅與晶體硅相結(jié)合，制備成非晶硅將非晶硅與晶體硅相結(jié)合，制備成非晶硅/ /晶體硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠有晶體硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠有 效提高其轉(zhuǎn)換效率（轉(zhuǎn)換效率可達(dá)效提高其轉(zhuǎn)換效率（轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20.7%20.7%）。）。2.2.化合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池材料化合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池材料 特點(diǎn)：特點(diǎn)：光電轉(zhuǎn)化效率高、轉(zhuǎn)換效率提高空間大。光電轉(zhuǎn)化效率高、轉(zhuǎn)換效率提高空間大。 耗材少。耗材少。 化合物電池對(duì)陽光吸收系數(shù)大，適合制作薄膜電池?；衔镫姵貙?duì)陽

41、光吸收系數(shù)大，適合制作薄膜電池。 品種多，應(yīng)用廣泛。品種多，應(yīng)用廣泛。 抗輻射性好?？馆椛湫院?。 適用于空間飛行器電源等特殊應(yīng)用。適用于空間飛行器電源等特殊應(yīng)用。材料材料 光電轉(zhuǎn)化效率光電轉(zhuǎn)化效率CuIn(Ga)SeCuIn(Ga)Se2 218.8%18.8%CdTeCdTe16%16%InGaP/GaAsInGaP/GaAs30.28%30.28%第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.3 5.3 光電材料光電材料 3. 3.陶瓷太陽能電池材料陶瓷太陽能電池材料 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：制備簡(jiǎn)單，成本低。制備簡(jiǎn)單，成本低。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差。穩(wěn)定性差。 典型材料：典型材料：CdSCdS陶瓷。陶瓷。 4.4.金屬氧

42、化物半導(dǎo)體金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)(MOS)太陽能電池材料太陽能電池材料 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率高轉(zhuǎn)換效率高， 可達(dá)可達(dá)20%20%。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：制備工藝復(fù)雜。制備工藝復(fù)雜。l 光電動(dòng)勢(shì)材料的應(yīng)用前景光電動(dòng)勢(shì)材料的應(yīng)用前景太陽每年射向地表的能量達(dá)太陽每年射向地表的能量達(dá)6060億億度，一萬倍于全世界的能耗，但密億億度，一萬倍于全世界的能耗，但密 度低，僅有（度低，僅有（1kW/m1kW/m2 2），且受自然影響大。），且受自然影響大。目前光電轉(zhuǎn)換材料效率較低，太陽能電池仍只局限于單晶硅材料和薄目前光電轉(zhuǎn)換材料效率較低，太陽能電池仍只局限于單晶硅材料和薄膜材料、非晶硅材料等幾種，因此有待于進(jìn)一

43、步的發(fā)展。膜材料、非晶硅材料等幾種，因此有待于進(jìn)一步的發(fā)展。今后的發(fā)展方向是尋求基于新的轉(zhuǎn)換機(jī)理的材料。如美國近年來報(bào)道今后的發(fā)展方向是尋求基于新的轉(zhuǎn)換機(jī)理的材料。如美國近年來報(bào)道的一種新型材料，效率高達(dá)的一種新型材料，效率高達(dá)60%60%，具有極好的應(yīng)用前景。，具有極好的應(yīng)用前景。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.3 5.3 光電材料光電材料第四節(jié)電光材料第四節(jié)電光材料一、電光效應(yīng)一、電光效應(yīng) 電光效應(yīng)是指在外加電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象。電光效應(yīng)是指在外加電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象。l 電光效應(yīng)的類型電光效應(yīng)的類型 介質(zhì)的折射率與外加電場(chǎng)介質(zhì)的折射率與外加電場(chǎng)E E 之間

44、的關(guān)系：之間的關(guān)系： nn0+aE+bE2+ 式中，式中，n n0 0介質(zhì)在介質(zhì)在E E0 0時(shí)的折射率；時(shí)的折射率；a a，b b常數(shù)。常數(shù)。 1.1.一級(jí)電光效應(yīng)（泡克耳斯一級(jí)電光效應(yīng)（泡克耳斯(Pockels(Pockels) )效應(yīng)）效應(yīng)） 泡克耳斯效應(yīng)是指由一次項(xiàng)泡克耳斯效應(yīng)是指由一次項(xiàng)aE引起的介質(zhì)折射率變化的現(xiàn)象，即介引起的介質(zhì)折射率變化的現(xiàn)象，即介 質(zhì)折射率的變化與外電場(chǎng)強(qiáng)度成正比：質(zhì)折射率的變化與外電場(chǎng)強(qiáng)度成正比： nnn0aE 2. 2.二級(jí)電光效應(yīng)（克爾二級(jí)電光效應(yīng)（克爾(Kerr)(Kerr)效應(yīng)）效應(yīng)） 克爾效應(yīng)是指由二次項(xiàng)克爾效應(yīng)是指由二次項(xiàng)bE2引起的介質(zhì)折射率變

45、化的現(xiàn)象，即介質(zhì)折引起的介質(zhì)折射率變化的現(xiàn)象，即介質(zhì)折 射率的變化與外電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比：射率的變化與外電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比： nnn0bE2 第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.4 5.4 電光材料電光材料入射光入射光異常光異常光(e(e光光) )正常光正常光(0(0光光) )VP壓電晶體壓電晶體電極電極電極電極波克耳斯效應(yīng)波克耳斯效應(yīng)入射光入射光異常光異常光(e光光)正常光正常光(0光光)VP各向同性物質(zhì)各向同性物質(zhì)電極電極電極電極克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)l 電光效應(yīng)的機(jī)理電光效應(yīng)的機(jī)理 介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電極化，使其介電常數(shù)發(fā)生變化的結(jié)果。介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電極化，使其介電常數(shù)發(fā)生變化的結(jié)果。

46、 由電學(xué)知識(shí)，由電學(xué)知識(shí)，n2 / 0，因，因 變化導(dǎo)致變化導(dǎo)致n的變化，從而出現(xiàn)電光效應(yīng)。的變化，從而出現(xiàn)電光效應(yīng)。 第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.4 5.4 電光材料電光材料二、電光材料的種類二、電光材料的種類l 電光材料的基本要求電光材料的基本要求 品質(zhì)因子品質(zhì)因子 品質(zhì)因子表征電光材料的有效電光效應(yīng)的大小。品質(zhì)因子表征電光材料的有效電光效應(yīng)的大小。 品質(zhì)因子大，電光材料則具有大的電光系數(shù)和高的折射率。品質(zhì)因子大，電光材料則具有大的電光系數(shù)和高的折射率。 光學(xué)均勻性光學(xué)均勻性 用材料的消光比來衡量器件光學(xué)均勻性。用材料的消光比來衡量器件光學(xué)均勻性。 消光比：消光比：電光器件關(guān)斷時(shí)剩余透過率與打

47、開時(shí)最高透過率之比值。電光器件關(guān)斷時(shí)剩余透過率與打開時(shí)最高透過率之比值。 好的電光開關(guān)器件要求消光比達(dá)好的電光開關(guān)器件要求消光比達(dá)80dB80dB以上。以上。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.4 5.4 電光材料電光材料 透明波段透明波段 電光晶體要求對(duì)所用光波透明。電光晶體要求對(duì)所用光波透明。 為避免雙光子吸收，材料應(yīng)具有低的短波吸收限。為避免雙光子吸收，材料應(yīng)具有低的短波吸收限。 吸收常與過渡金屬元素雜質(zhì)以及晶體中的散射顆粒有關(guān)。吸收常與過渡金屬元素雜質(zhì)以及晶體中的散射顆粒有關(guān)。 溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性 折射率的溫度變化折射率的溫度變化( (特別是雙折射率的溫度變化特別是雙折射率的溫度變化) )會(huì)造成

48、器件性能的會(huì)造成器件性能的 極大變化。極大變化。 易于獲得大尺寸單晶易于獲得大尺寸單晶 獲得高光學(xué)質(zhì)量的大尺寸單晶是對(duì)材料的重要要求。獲得高光學(xué)質(zhì)量的大尺寸單晶是對(duì)材料的重要要求。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.4 5.4 電光材料電光材料l 電光材料的種類電光材料的種類 1.1.磷酸二氫鉀磷酸二氫鉀(KH(KH2 2POPO4 4，KDP)KDP)型晶體型晶體 特點(diǎn)：特點(diǎn)：光學(xué)均勻性好；光學(xué)均勻性好； 在在0.190.192.582.58 m m波段范圍內(nèi)透過率高達(dá)波段范圍內(nèi)透過率高達(dá)95%95%以上；以上； 易獲得大尺寸晶體。易獲得大尺寸晶體。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：易潮解易潮解 典型晶體：典型晶體：KHK

49、H2 2POPO4 4(KDP)(KDP)、NHNH4 4H H2 2POPO4 4(ADP)(ADP)、KHKH2 2AsOAsO4 4(KDA)(KDA)。2.2.鈣鈦礦鈣鈦礦ABOABO3 3型晶體型晶體 特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有較強(qiáng)的電光效應(yīng)；具有較強(qiáng)的電光效應(yīng)； 具有良好的機(jī)械性質(zhì)；具有良好的機(jī)械性質(zhì)； 不吸潮。不吸潮。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不易獲得大尺寸單晶；不易獲得大尺寸單晶； 光損傷閾值低。光損傷閾值低。 典型晶體：典型晶體：LiNbOLiNbO3 3(LN)(LN)、LiTaOLiTaO3 3(LT)(LT)、K(Ta,Nb)OK(Ta,Nb)O3 3(KTN)(KTN)、 BaTiOBaT

50、iO3 3(BT)(BT)、KTaOKTaO3 3(KT)(KT)。第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.4 5.4 電光材料電光材料 3. 3.閃鋅礦閃鋅礦ABAB型晶體型晶體 典型晶體：典型晶體：ZnSZnS、CdSCdS、GaAsGaAs、CuClCuCl。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有較強(qiáng)的電光效應(yīng)；具有較強(qiáng)的電光效應(yīng)； 兼有壓電和半導(dǎo)體性質(zhì)；兼有壓電和半導(dǎo)體性質(zhì)；如如ZnSZnS、CdSCdS、GaAsGaAs。 透過波長范圍寬。透過波長范圍寬。如如CuClCuCl的透過波長范圍為的透過波長范圍為0.40.420.520.5 mm。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：難以獲得高質(zhì)量的大尺寸單晶。難以獲得高質(zhì)量的大尺寸單晶。 4.4

51、.鎢青銅型晶體鎢青銅型晶體 特點(diǎn)：特點(diǎn)：光損傷閾值高。光損傷閾值高。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：難以生長優(yōu)質(zhì)單晶。難以生長優(yōu)質(zhì)單晶。 典型晶體：典型晶體：SrSr0.750.75BaBa0.250.25NbNb2 2O O6 6(SBN)(SBN)、K K3 3LiLi2 2NbNb5 5O O1515(KLN)(KLN)、 BaBa2 2NaNbNaNb5 5O O1515(BNN)(BNN)。 第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.4 5.4 電光材料電光材料三、電光材料的應(yīng)用三、電光材料的應(yīng)用l 電光調(diào)制器電光調(diào)制器 當(dāng)在電光晶體上施加交變調(diào)制信號(hào)電壓時(shí)，由于電光效應(yīng)，晶體的折射當(dāng)在電光晶體上施加交變調(diào)制信號(hào)電壓時(shí)

52、，由于電光效應(yīng)，晶體的折射率隨調(diào)制電壓率隨調(diào)制電壓( (即信號(hào)即信號(hào)) )而交替變化。此時(shí)，若有光波通過晶體，則原來不而交替變化。此時(shí)，若有光波通過晶體，則原來不帶信號(hào)的光波則含有了調(diào)制信號(hào)的信息。帶信號(hào)的光波則含有了調(diào)制信號(hào)的信息。 如果是強(qiáng)度受到調(diào)制，稱為電光強(qiáng)度調(diào)制器；如果是位相受到調(diào)制，稱如果是強(qiáng)度受到調(diào)制，稱為電光強(qiáng)度調(diào)制器；如果是位相受到調(diào)制，稱為電光位相調(diào)制器。為電光位相調(diào)制器。l 電光偏轉(zhuǎn)器電光偏轉(zhuǎn)器 電光偏轉(zhuǎn)器是利用晶體的電光效應(yīng)使激光束實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的電光器件。電光偏轉(zhuǎn)器是利用晶體的電光效應(yīng)使激光束實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的電光器件。 電光偏轉(zhuǎn)器根據(jù)施加電壓形式不同而造成的偏轉(zhuǎn)方式的不同，分為數(shù)

53、字電光偏轉(zhuǎn)器根據(jù)施加電壓形式不同而造成的偏轉(zhuǎn)方式的不同，分為數(shù)字偏轉(zhuǎn)器和連續(xù)偏轉(zhuǎn)器，前者使激光束在特定的間隔位置上離散，后者使光偏轉(zhuǎn)器和連續(xù)偏轉(zhuǎn)器，前者使激光束在特定的間隔位置上離散，后者使光束傳播方向產(chǎn)生連續(xù)偏轉(zhuǎn)而形成光束光點(diǎn)在空間按預(yù)定要求連續(xù)移動(dòng)。束傳播方向產(chǎn)生連續(xù)偏轉(zhuǎn)而形成光束光點(diǎn)在空間按預(yù)定要求連續(xù)移動(dòng)。 第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.4 5.4 電光材料電光材料l 電光快門電光快門 從光源發(fā)出的自然光從光源發(fā)出的自然光通過起偏片變成縱向振通過起偏片變成縱向振動(dòng)的平面偏振光，如果動(dòng)的平面偏振光，如果電光晶體沒有受外電場(chǎng)電光晶體沒有受外電場(chǎng)的作用，這束偏振光通的作用，這束偏振光通過晶體時(shí)將不

54、發(fā)生振動(dòng)過晶體時(shí)將不發(fā)生振動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)，即仍是縱方向的偏轉(zhuǎn)，即仍是縱向振動(dòng)的平面偏振光。但檢偏片只允許水平振動(dòng)的偏振光通過，縱向振動(dòng)的向振動(dòng)的平面偏振光。但檢偏片只允許水平振動(dòng)的偏振光通過，縱向振動(dòng)的偏振光不能通過，因而此時(shí)沒有光輸出，相當(dāng)于快門關(guān)閉。如果在電光晶體偏振光不能通過，因而此時(shí)沒有光輸出，相當(dāng)于快門關(guān)閉。如果在電光晶體上施加一個(gè)電壓，由于電光效應(yīng)使光的振動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，于是開始有光輸上施加一個(gè)電壓，由于電光效應(yīng)使光的振動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，于是開始有光輸出。隨著施加電壓大小的改變，光輸出的大小也在變化。當(dāng)所加電壓調(diào)到某出。隨著施加電壓大小的改變，光輸出的大小也在變化。當(dāng)所加電壓調(diào)到某一電

55、壓值使光振動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)到水平方向時(shí)，光輸出達(dá)到最大，相當(dāng)于快門全一電壓值使光振動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)到水平方向時(shí)，光輸出達(dá)到最大，相當(dāng)于快門全部打開。這個(gè)電壓稱為半波電壓。部打開。這個(gè)電壓稱為半波電壓。起偏片起偏片檢偏片檢偏片電光晶電光晶體體電光快門工作原理電光快門工作原理 第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.4 5.4 電光材料電光材料第五節(jié)磁光材料第五節(jié)磁光材料 磁光材料是指在磁場(chǎng)作用下，入射光經(jīng)過材料時(shí)會(huì)發(fā)生某些性質(zhì)磁光材料是指在磁場(chǎng)作用下，入射光經(jīng)過材料時(shí)會(huì)發(fā)生某些性質(zhì)( (如旋如旋光性、折射性、偏振性等光性、折射性、偏振性等) )的變化的材料。的變化的材料。 一、磁光效應(yīng)一、磁光效應(yīng) 光與磁場(chǎng)中的物質(zhì)，或光與

56、具有自發(fā)磁化特性的物質(zhì)之間相互作用所光與磁場(chǎng)中的物質(zhì)，或光與具有自發(fā)磁化特性的物質(zhì)之間相互作用所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象統(tǒng)稱為磁光效應(yīng)。產(chǎn)生的各種現(xiàn)象統(tǒng)稱為磁光效應(yīng)。 1.1.法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) 法拉第法拉第18461846年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平面偏振光年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平面偏振光( (直線偏振光直線偏振光) )通過帶磁性的物體時(shí)，其偏振光面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即通過帶磁性的物體時(shí)，其偏振光面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即呈現(xiàn)旋光性。此現(xiàn)象稱磁光法拉第效應(yīng)，又稱磁致呈現(xiàn)旋光性。此現(xiàn)象稱磁光法拉第效應(yīng)，又稱磁致旋光效應(yīng)。旋光效應(yīng)。 法拉第偏轉(zhuǎn)角法拉第偏轉(zhuǎn)角 ：偏振光面的偏轉(zhuǎn)角，與帶磁物偏振光面的偏轉(zhuǎn)角，與帶磁物體的長度體的長度l、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁

57、感應(yīng)強(qiáng)度B B 有如下關(guān)系：有如下關(guān)系： V V l B B式中，式中，V V 維爾德維爾德( Verdet( Verdet) )常數(shù)，與物質(zhì)有關(guān)。常數(shù)，與物質(zhì)有關(guān)。9.7 磁光法拉第效應(yīng)磁光法拉第效應(yīng)第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.5 5.5 磁光材料磁光材料 2. 2.克爾效應(yīng)克爾效應(yīng) 克爾發(fā)現(xiàn)，照射到強(qiáng)磁性介質(zhì)表面上的直克爾發(fā)現(xiàn)，照射到強(qiáng)磁性介質(zhì)表面上的直線偏振光在反射時(shí)，其偏振面會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度線偏振光在反射時(shí)，其偏振面會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即呈現(xiàn)旋光性，這一現(xiàn)象變化而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即呈現(xiàn)旋光性，這一現(xiàn)象稱為磁光克爾效應(yīng)。稱為磁光克爾效應(yīng)。 法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)的比較：法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)的比較

58、：法拉第效應(yīng)是透射光呈旋進(jìn)性，克爾法拉第效應(yīng)是透射光呈旋進(jìn)性，克爾 效應(yīng)是反射光呈旋進(jìn)性。效應(yīng)是反射光呈旋進(jìn)性。前者適用于有較好穿透性的物質(zhì)，后前者適用于有較好穿透性的物質(zhì)，后 者則只能用于入射光不能穿透的物質(zhì)上。者則只能用于入射光不能穿透的物質(zhì)上。9.8磁光克爾效應(yīng)磁光克爾效應(yīng)9.9法拉第效應(yīng)與克爾效應(yīng)的比較法拉第效應(yīng)與克爾效應(yīng)的比較第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.5 5.5 磁光材料磁光材料3.3.科頓蒙頓效應(yīng)科頓蒙頓效應(yīng)在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，一些各向同性的透明磁介在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，一些各向同性的透明磁介質(zhì)會(huì)呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，即在與入射光垂直的方質(zhì)會(huì)呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，即在與入射光垂直的方向上加上外磁場(chǎng)，則該磁

59、介質(zhì)中的一束入射光向上加上外磁場(chǎng)，則該磁介質(zhì)中的一束入射光會(huì)變成兩束出射光會(huì)變成兩束出射光正常光正常光(0(0光光) )和異常光和異常光(e(e光光) )，這種現(xiàn)象稱為科頓蒙頓效應(yīng)，又稱，這種現(xiàn)象稱為科頓蒙頓效應(yīng)，又稱磁致雙折射效應(yīng)。磁致雙折射效應(yīng)。 科頓蒙頓效應(yīng)所產(chǎn)生的雙折射率與磁場(chǎng)強(qiáng)科頓蒙頓效應(yīng)所產(chǎn)生的雙折射率與磁場(chǎng)強(qiáng)度度H H 的平方成正比，即：的平方成正比，即： nnen0K H 2 式中，式中，K K 科頓蒙頓常數(shù)科頓蒙頓常數(shù) 科頓蒙頓效應(yīng)僅在少數(shù)純液體科頓蒙頓效應(yīng)僅在少數(shù)純液體( (如硝基苯如硝基苯) )中表現(xiàn)得較明顯，而在一般中表現(xiàn)得較明顯，而在一般固體中則不明顯。固體中則不明顯

60、。9.10科頓蒙頓效應(yīng)科頓蒙頓效應(yīng)第五章功能轉(zhuǎn)換材料 5.5 5.5 磁光材料磁光材料二、磁光材料的種類二、磁光材料的種類 l 磁光晶體磁光晶體 1.1.稀土石榴石稀土石榴石 分子式：分子式：RERE3 3FeFe5 5O O1212。 晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)：體心立方晶系。體心立方晶系。 典型材料：典型材料：釔釔鐵石榴石鐵石榴石(Y(Y3 3FeFe5 5O O1212，YIGYIG) )。 YIGYIG具有法拉第旋轉(zhuǎn)角具有法拉第旋轉(zhuǎn)角 較大、對(duì)近中紅外波段透明、物化性能優(yōu)良較大、對(duì)近中紅外波段透明、物化性能優(yōu)良等特點(diǎn)。等特點(diǎn)。 在在YIGYIG晶體中以晶體中以BiBi3+3+或或PrPr3+3