材料化學(xué)導(dǎo)論第8章-功能轉(zhuǎn)換材料課件

第八章功能轉(zhuǎn)換材料

利用能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)制造具有特殊功能元器件的材料叫功能轉(zhuǎn)換材料。該類材料能實現(xiàn)不同形式的能量轉(zhuǎn)換，在測量技術(shù)、傳感器技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。

8-1壓電材料+++---

一、壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)晶體在機械外力作用下發(fā)生形變時，電極化強度發(fā)生變化，因而在某些對應(yīng)表面產(chǎn)生異號電荷。

這種沒有電場作用而只由于形變使晶體電極化狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)，即因形變產(chǎn)生的電效應(yīng)。

也稱為正壓電效應(yīng)。

反之，在壓電晶體上加電場，晶體會產(chǎn)生應(yīng)力而使晶體形變。該效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)，也叫電致伸縮效應(yīng)。（加交變電場，產(chǎn)生機械振動）

壓電效應(yīng)使機械能和電能發(fā)生轉(zhuǎn)化。二、壓電機制1、非鐵電晶體（如石英）

不受外力作用時，晶體內(nèi)正負電荷中心重合，總電距為0，晶體表面無電荷。當(dāng)受到外力作用時，晶格變形，正負電荷中心不重合，出現(xiàn)電極化，表面呈現(xiàn)束縛電荷。電極電極電源

反之，接入電源，電極上呈現(xiàn)電壓，壓電體就會變形（壓縮或伸長）。加交變電源，壓電體交替出現(xiàn)伸縮即發(fā)生振動。三、壓電材料工作參數(shù)1、機械品質(zhì)因數(shù)

當(dāng)輸入電信號時，壓電晶片產(chǎn)生振動，會產(chǎn)生內(nèi)耗（發(fā)熱），造成機械能損耗。反映損耗程度的參數(shù)稱為機械品質(zhì)因數(shù)。3、壓電聚合物

幾乎所有聚合物都有壓電性，但有實用價值的不多。1940年，俄羅斯人發(fā)現(xiàn)木材壓電性后，相繼發(fā)現(xiàn)苧麻、絲竹、動物某些生物組織有壓電性。1960年，人工合成了聚合物有壓電性。1969年，日本河合平司發(fā)現(xiàn)聚偏四氟乙烯（極化處理后）有強壓電性，使壓電聚合物逐步進入實用化。與壓電陶瓷相比：柔性、耐沖擊、能制成大面積薄膜傳感材料。兩類：（1）固有壓電性聚合物

一些結(jié)晶聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)不對稱，有極性基團。未拉伸時，微晶取向隨機，總極化強度為0。拉伸時，晶粒有壓電響應(yīng)，不經(jīng)極化也有壓電性。稱為固有壓電聚合物。（2）駐極體聚合物

如木材、絲竹、動物骨骼、肌肉、皮、頭發(fā)等，在自然生長條件下，微晶粒已擇優(yōu)取向。

某些合成聚合物拉伸后，也顯示壓電性。

聚乙烯、聚丙烯等，分子中無極性基團，在電場中無偶極取向極化。這類材料本身無壓電性。但由于材料在加工過程中存在不對稱雜質(zhì)電荷或由外界注入的電荷在電場中不對稱分布而引起壓電性。但壓電常數(shù)低，重復(fù)性差，難于實用。

聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、尼龍等是極性高分子。若在高溫下用高直流電壓使之極化，并在冷卻后撤出電壓，使極化狀態(tài)凍結(jié)下來，就成為半永久性極化且有半永久性表面電荷的介質(zhì)材料。稱為駐極體聚合物。

PVDF駐極體有很強的壓電效應(yīng)，已實用化。

聚合物除PVDF等少數(shù)品種外，一般壓電常數(shù)小，應(yīng)用受限。而壓電陶瓷質(zhì)脆，不易加工。因此開發(fā)具有優(yōu)良加工性能和高壓電性的聚合物-陶瓷復(fù)合壓電材料應(yīng)用前景廣泛。

五、壓電材料的應(yīng)用1、水聲、超聲換能器

發(fā)射、接收聲波，完成水下觀察、通訊、探測。2、高電壓發(fā)生裝置（機械能電能）

壓電點火器（打火機、煤氣灶、汽車火花塞，高壓使空氣發(fā)生火花）

引燃引爆、壓電開關(guān)、小型電源、壓電變壓器等3、電聲設(shè)備揚聲器、話筒等4、濾波器

各種無線電通訊和測量儀器（電能機械能電能）。壓電振子對某些頻率信號衰減大，而對另一些衰減小，從而濾波。5、壓電傳感器

非電信號電信號。力敏傳感器、應(yīng)變儀、血壓計、壓力計等。電介質(zhì)壓電體熱釋電鐵電體1、熱釋電晶體前提是具有自發(fā)極化，但壓電晶體不一定都有自發(fā)極化。

所以，必須有自發(fā)極化即晶體某些方向存在固有電矩。故有對稱中心的晶體無熱釋電效應(yīng)。

溫度變化引起自發(fā)極化強度變化，而在晶體一定方向上產(chǎn)生表面電荷。

壓電效應(yīng)反映晶體電量與機械應(yīng)力間的關(guān)系，機械應(yīng)力有方向，引起正負電荷相對位移。熱釋電效應(yīng)中晶體電荷變化來自于溫度變化。熱膨脹各向同性。只有晶體存在著與其他極軸不同的唯一極化軸，才有可能發(fā)生熱釋電。2、熱釋電晶體一定存在壓電效應(yīng)，但壓電晶體不一定存在熱釋電效應(yīng)。三、熱釋電材料

1、有自發(fā)極化的非鐵電性晶體

如CaS、CuSe、ZnO、電氣石等

2、有自發(fā)極化的鐵電性晶體LiNbO3（鈮酸鋰）、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3、PLZT透明鐵電陶瓷。3、聚合物材料PVDF4、鐵電陶瓷-聚合物復(fù)合材料

如Pb（Zr，Ti）O3-硅橡膠復(fù)合物電介質(zhì)壓電體熱釋電鐵電體應(yīng)用：

紅外光譜儀、紅外遙感、熱輻射探測器（防火用）8-3光電材料一、光電效應(yīng)

物質(zhì)受光照后引起某些電學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，包括光電導(dǎo)、光生伏特、光電子發(fā)射三種。1、光電導(dǎo)——物質(zhì)（主要是半導(dǎo)體）受光照而電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象。原因：半導(dǎo)體吸收光子引起載流子激發(fā)（載流子濃度變化）（1）本征光電導(dǎo)價電子從價帶導(dǎo)帶，出現(xiàn)一個自由電子和空穴，都參與導(dǎo)電。（2）雜質(zhì)光電導(dǎo)

附加載流子來自禁帶中的雜質(zhì)能級上的電子或空穴，從而改變導(dǎo)電率。2、光生伏特

光照射下，半導(dǎo)體p-n結(jié)產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象。機理：npnp

載流子擴散，形成p-n結(jié)空間電荷區(qū)。自建電場從np,阻止擴散，最后平衡。自建電場作用：（1）阻止：n區(qū)電子向p區(qū)擴散；（2）驅(qū)使：p區(qū)空穴向n區(qū)擴散n區(qū)空穴向p區(qū)擴散p區(qū)電子向n區(qū)擴散；勢壘np

當(dāng)光照在p-n結(jié)附近，，p-n結(jié)附近形成電子空穴對。光生電子和空穴擴散到勢壘區(qū)，內(nèi)建電場使：空穴掃向p區(qū)；電子掃向n區(qū)。npnpnp1、光電導(dǎo)材料及應(yīng)用CdS,CdSe,CdTe,ZnSe,HgSe,HgTe,PbS,PbSe,InP,InAs,InSb,GaAs,GaSb,Ge,Si.

光電探測器（光敏器件），光電導(dǎo)攝像管，固體圖像傳感器。2、結(jié)型光電二極管（1）高速響應(yīng)的光電探測器

對非結(jié)型光電探測器，光電子在外電路中產(chǎn)生光電流的響應(yīng)慢。光照停止時，載流子平均壽命內(nèi)仍存在光電子，故有延遲光電流產(chǎn)生。

對結(jié)型光電二極管，光電子主要產(chǎn)生于結(jié)中吸收區(qū)內(nèi)。

空間電荷層產(chǎn)生的光生載流子在高電場（自建電場）中穿行距離不大于空間電荷層厚度。所以，對光響應(yīng)快（實用中盡量使光生載流子產(chǎn)生于結(jié)區(qū)）。

用作高速響應(yīng)光電探測器（2）光電池

也是p-n結(jié)二極管。對太陽能電池，要研究Eg小的材料，以充分利用太陽光譜。

Eg在0.9—1.5eV內(nèi)最好。Si是最理想材料。

還有：硫化鎘，鍗化鎘，砷化鎵3、光電子發(fā)射應(yīng)用

光電管是利用光電子發(fā)射（外光電效應(yīng)）制成。用于光控繼電器（自動報警器等）、光電光度計（光電流反應(yīng)入射光強度）光電倍增管（非常弱的光照，產(chǎn)生很大電流），在工程、天文、軍事上有重要應(yīng)用。電視攝像管8-4熱電材料一、熱電效應(yīng)（溫差電效應(yīng)）

用不同導(dǎo)體構(gòu)成回路，兩接頭保持溫差，則閉合回路中有電流流過。該現(xiàn)象叫溫差電效應(yīng)或熱電效應(yīng)?；芈分械碾妱觿萁袦夭铍妱觿?。1、塞貝克效應(yīng)

兩種不同材料A、B構(gòu)成開路，接點保持不同溫度，則回路產(chǎn)生電動勢，稱為塞貝克效應(yīng)。實質(zhì)：兩接頭處帕爾貼效應(yīng)+兩金屬中湯姆遜效應(yīng)2、帕爾貼效應(yīng)

兩種不同導(dǎo)體A、B構(gòu)成回路，接電源。則一個接點吸熱，另一個放熱，該現(xiàn)象稱為帕爾貼效應(yīng)。（電流反向時，吸放熱相反）。

原因：接頭處有接觸電勢差（接觸電動勢）——帕爾貼電動勢。

兩金屬A、B接觸，電子相互擴散。由于電子密度不同，交換電子數(shù)不同。

接頭處非靜電力，一個做正功，吸熱；一個做負功，放熱。A到B的電子數(shù)多

接觸處形成電荷層，產(chǎn)生電場，阻止擴散，達平衡，形成電勢差即帕爾貼電動勢。用表示（與溫度T有關(guān)）兩接觸點溫度不同，，方向相反。存在于兩金屬接觸面上3、湯姆遜效應(yīng)

金屬棒，兩端流過電流，棒吸熱，電流反向時放熱。稱為湯姆遜效應(yīng)。

所以，只有不同金屬構(gòu)成回路，總電動勢才不為0.二、熱電材料及其應(yīng)用1、用于測溫恒溫裝置電位差計

熱電偶：通過測電動勢來測溫。把熱學(xué)量變?yōu)殡妼W(xué)量測量。

非電量電測法2、用做溫差電源3、用于制冷

利用半導(dǎo)體帕爾貼效應(yīng)（比金屬強得多），實現(xiàn)熱、電能轉(zhuǎn)換，制成半導(dǎo)體制冷機（電流流過時，低溫端吸熱，高溫端放熱）

優(yōu)點：壽命長，可靠，小型化，無空氣污染4、材料

熱電偶：銅-康銅（60%Cu，40%Ni），200-4000C；鎳鉻（90%Ni，10%Cr）-鎳鋁（95%Ni，5%Al），0——10000C；鉑-銠，達15000C；金-鐵，低溫、超低溫測量。

制冷和低溫溫差電源：鍗化鉍，硒化鉍，鍗化銻。

右邊第一項：線性電光效應(yīng)（壓電晶體）（波克爾效應(yīng)）右邊第二項：二次電光效應(yīng)（各向同性物質(zhì)）（克爾效應(yīng)）

對上述兩種效應(yīng)：在與入射光垂直的方向上加電壓，物質(zhì)發(fā)生雙折射。電極異常光正常光壓電晶體入射光電極電極異常光正常光各向同性物質(zhì)入射光電極波克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)不同材料表現(xiàn)不同效應(yīng)：

波克爾效應(yīng)只存在于無對稱中心的晶體中，所有壓電晶體?？藸栃?yīng)存在于各向同性物質(zhì)（固體、液體、氣體）中，強電場下，在壓電晶體中較波克爾效應(yīng)弱得多，忽略不計。還有電旋光效應(yīng)：

線性偏振光通過外加電場的壓電晶體時，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。二、電光材料V晶體光源00900調(diào)制光兩偏振片正交

不加電壓：無光輸出（關(guān)）

加電壓：電光效應(yīng)使偏振方向旋轉(zhuǎn)，有光輸出。改變電壓，輸出光強變化?？梢宰C明：VT

理想情況下，開關(guān)頻率可達1010次/秒。任何機械快門難于達到。（2）電光調(diào)制器

在電光晶體上加交變調(diào)制信號電壓。折射率隨電信號交替變化。此時若有光波通過，則原來不帶信號的光波會含有調(diào)制信號。光波載電信號光通信技術(shù)

8-6磁光材料一、磁光效應(yīng)

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

材料在外磁場下呈光學(xué)各向異性，本質(zhì)上是磁場和光波電場共同作用產(chǎn)生的非線性極化過程。1、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。

原因：線偏振光通過磁性物體時，分解成左旋和右旋圓偏振光。因磁場作用，兩者傳播速度不同，出射合成的光偏振面發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。

偏轉(zhuǎn)角與磁場強度、通過介質(zhì)的長度關(guān)系為：2、磁克爾效應(yīng)

光照到強磁體表面反射后，偏振面轉(zhuǎn)一角度。偏轉(zhuǎn)方向與磁場強弱有關(guān)。3、振蕩磁光效應(yīng)

在與入射光垂直的方向上，對有冷卻氣體吹過的的物體加上磁場，物體對光的吸收系數(shù)隨光的頻率呈振蕩變化的現(xiàn)象，叫振蕩磁光效應(yīng)冷氣入射光透射光吸收系數(shù)波長波長吸收系數(shù)4、科頓蒙頓效應(yīng)、磁致雙折射

芳香族化合物在外磁場中具有雙折射性質(zhì)叫科頓蒙頓效應(yīng)。光波垂直磁化強度方向通過磁光晶體時，產(chǎn)生雙折射。二、磁光材料種類亞鐵磁石榴石：稀土過渡金屬膜：Cd-Co，Ho-Co，Cd-Fe尖晶石型鐵磁材料：CdCr2S4，CoCrS4等半導(dǎo)體材料：鍺、硅、硫化鉛等三、應(yīng)用

目前最多的是利用法拉第旋轉(zhuǎn)。用于激光器件：Q開關(guān)、調(diào)制器、隔離器、環(huán)形器等。還可以用于高密度存儲器（磁光存儲介質(zhì)）。也可以用于激光雷達、測距、光通信、紅外探測等P1P2激光反射

磁光晶體以光隔離器為例說明應(yīng)用：

激光通過P1，再通過晶體偏振面轉(zhuǎn)一角度（如450），然后過同偏振方向的P2。光反射，通過P2和晶體，再轉(zhuǎn)450.兩次共轉(zhuǎn)900，則不通過P1。達到了反射光與激光隔離的目的。8-7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)）。兩類衍射形式：

一是類似于普通光柵衍射的拉曼-納斯衍射；二是類似于晶體x