13.功能转换材料

变导电率。
EV
2、光生伏特
光照射下，半导体p-n结产生电势差的现象。
机理： 2020/4/9
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n
p
E
n
p
p Eg n 势垒
载流子扩散，形成p-n结空间电荷区。自建电场从n p,阻止扩散，最后平衡。
自建电场作用：
（1）阻止：
n区电子向p区扩散； p区空穴向n区扩散
（2）驱使：
nA nB
A
A
两接触点温度不同， AB (T1) AB (T2 ) ，方向相反。
AB (T ) 存在于两金属接触面上
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3、汤姆逊效应
a
金属棒 ab，两端 T1 T2 I T1
b
T1 T2 T2
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流过电流，棒吸热，电流反向时放热。称为汤姆逊效应。
原因：棒ab存在电动势（汤姆逊电动势）
光电探测器（光敏器件），光电导摄像管，固体图像传感器。
2、结型光电二极管 （1）高速响应的光电探测器
对非结型光电探测器，光电子在外电路中产生光电流的响 应慢。光照停止时，载流子平均寿命内仍存在光电子，故有延 迟光电流产生。
2对020结/4/9型光电二极管，光台电州学子院 主医要药产化工生学院于结中吸收区内。 19
某些合成聚合物拉伸后，也显示压电性。
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（2）驻极体聚合物
聚乙烯、聚丙烯等，分子中无极性基团，在电场中无偶极 取向极化。这类材料本身无压电性。但由于材料在加工过程中 存在不对称杂质电荷或由外界注入的电荷在电场中不对称分布 而引起压电性。但压电常数低，重复性差，难于实用。
所以，必须有自发极化即晶体某些方向存在固有电矩。故有对称中心的
晶体无热释电效应。
温度变化引起自发极化强度变化，而在晶体一定方向上产生表面电荷。
压电效应反映晶体电量与机械应力间的关系，机械应力有方向，引起正 负电荷相对位移。
热释电效应中晶体电荷变化来自于温度变化。热膨胀各向同性。只有晶 体存在着与其他极轴不同的唯一极化轴，才有可能发生热释电。
13.功能转换材料
Function conversion materials
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1
功能转换材料
利用能量转换效应制造具有特殊功能元器件的材料叫功能 转换材料。该类材料能实现不同形式的能量转换，在测量技术、 传感器技术中有广泛应用。
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T2
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2、帕尔贴效应
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，该现象称为帕尔 A
贴效应。（电流反向时，吸放热相反）。
T1 I
B
原因：接头处有接触电势差（接触电动 势）——帕尔贴电动势。
接头处非静电力，一个做正功，吸
A
热；一个做负功，放热。
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3、光电子发射应用
光电管是利用光电子发射（外光电效应）制成。用于光控继 电器（自动报警器等）、光电光度计（光电流反应入射光强度）
光电倍增管（非常弱的光照，产生很大电流），在工程、天 文、军事上有重要应用。
电视摄像管。
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13-4 热电材料
一、热电效应（温差电效应）
用不同导体构成回路，两接头保持温差，则闭合回路中有
电流流过。该现象叫温差电效应或热电效应。回路中的电动势
叫温差电动势。
1、塞贝克效应
T1 B
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，称为塞贝克效应。
A
V
V a(T1,T2 )T
实质：两接头处帕尔贴效应+两金属中汤姆逊效应
异号极化电荷。极化电荷吸附空气中的自由电荷而中和（空气中总存在微量
正负离子和电子），铁电体不呈电性。当铁电体作机械变形时，极化强度
（包括极化电荷）随之变化。导致表面吸附的自由电荷随之而变。变化着的
自由电荷便从一个极移至另一极形成电流。从而实现机械能向电能转变即压
电效应。
反之，接入电源，电极上呈现电压，压电体就会变形（压缩或伸长）。
加交2变020电/4/源9 ，压电体交替出现伸台缩州学即院发生医振药化动工。学院
5
三、压电材料工作参数
1、机械品质因数
当输入电信号时，压电晶片产生振动，会产生内耗（发热）， 造成机械能损耗。反映损耗程度的参数称为机械品质因数。
谐振时振子储存的能量
Qm 谐振时振子每周损耗的机械能 2
2、机电耦合系数
聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、尼龙等是 极性高分子。若在高温下用高直流电压使之极化，并在冷却后 撤出电压，使极化状态冻结下来，就成为半永久性极化且有半 永久性表面电荷的介质材料。称为驻极体聚合物。
PVDF驻极体有很强的压电效应，已实用化。
聚合物除PVDF等少数品种外，一般压电常数小，应用受 限。而压电陶瓷质脆，不易加工。因此开发具有优良加工性能 和20高20/4压/9 电性的聚合物-陶台瓷州学复院合压医药电化材工学料院 应用前景广泛。 10
T1 T2
B
(T
)dT
所以，只有不同金属构成回路，总电动势才不
2
13-1 压电材料
一、压电效应
某些电介质晶体在机械外力作用下发生形变时，电极化强度发生变化， 因而在某些对应表面产生异号电荷。
这种没有电场作用而只由于形变使晶体电极化
状态发生变化的现象叫做压电效应，即因形变产
生的电效应。也称为正压电效应。
-
反之，如将一块压电晶体置于外电场中，由于 -
+ ++
电场的作用也会引起晶体的极化。
通过压电效应转换的能量
K
输入机械能
2
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四、压电材料种类
1、非铁电压电晶体
石英（SiO2）、酒石酸钾钠（NaKC4H64H2O)、锗酸铋 （Bi12Ge20）等。
压电半导体CdS、ZnO、ZnS等。
2、铁电晶体（压电陶瓷）
钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅Pb（ZrxTi1-x）O3即PZT、钛 酸铅PbTiO3等。
回路总电动势：
l
r
0 Ek dl
T2 (T )dT
T1
AB (T1)
A
B
AB (T1T2 ) AB (T1) AB (T2 )
T2 T1
A (T
)dT
T1 T2
B
(T
)dT
AB (T2 )
AB (T1T2 ) AB (T1) AB (T2 )
T2 T1
A (T )dT
重要应用：热敏传感器（用作温度计、红外探 测器等）
电介质 压电体 热释电
铁电体
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二、热释电机制与压电机制比较
1、热释电晶体前提是具有自发极化，但压电 晶体不一定都有自发极化。
电介质 压电体 热释电
Q PS PT
铁电体
PS —自发极化强度，P—热释电系数，T 温度
3、光电子发射（外光电效应）
金属（或半导体）受光照，电子吸收光子被激发， 激发了的电子有足够能量越过表面势垒（逸出功）从表 面离开（初动能），称为光电子发射。
h 1 mv2 A h A时产生光电发射效应
2
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二、光电子材料及其应用
1、光电导材料及应用
CdS,CdSe,CdTe,ZnSe,HgSe,HgTe,PbS,PbSe,InP, InAs,InSb,GaAs,GaSb,Ge,Si.
温度高处（a）电子动能较大，向 低温处扩散，形成电动势。非静电力 （扩散力）做负功，吸热；电流反向
a
T1
Ek
时2，020非/4/9静电力做正功，放台热州学。院 医药化工学院
E b
T2
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金属棒中，两端温度不同，电子扩散形成的电动势即汤姆逊 电动势。发生在同种金属两端之间。
Ek
(T )
dT dl
2、热释电晶体一定存在压电效应，但压电晶体不一定存在热释
电效应。
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三、热释电材料 1、有自发极化的非铁电性晶体
如CaS、CuSe、ZnO、电气石等
2、有自发极化的铁电性晶体
电介质 压电体 热释电
铁电体
LiNbO3（铌酸锂）、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3、PLZT透 明铁电陶瓷。
1、光电导
——物质（主要是半导体）受光照而电导率增加的现象。 原因：半导体吸收光子引起载流子激发（载流子浓度变化）
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（1）本征光电导
h Eg 价电子从价带 导带，
EC
出现一个自由电子和空穴，都参与 导电。
EV
（2）杂质光电导
EC
附加载流子来自禁带中的杂
质能级上的电子或空穴，从而改
正负电荷的重心位移将导致晶体形变，这种现象称为逆压电效应。如 加交变电场，产生机械振动。
202压0/4/电9 效应使机械能和台电州学能院发生医药转化工化学。院
3
二、压电机制 1、非铁电晶体（如石英）
不受外力作用时，晶体内正负电荷中心重合，
总电矩为0，晶体表面无电荷。当受到外力作
用时，晶格变形，正负电荷中心不重合，出现
五、压电材料的应用
1、水声、超声换能器
发射、接收声波，完成水下观察、通讯、探测。
2、高电压发生装置（机械能 电能） 压电点火器（打火机、煤气灶、汽车火花塞，高压使空气
发生火花）
引燃引爆、压电开关、小型电源、压电变压器等 3、电声设备
扬声器、话筒等 4、滤波器
各种无线电通讯和测量仪器（电能 机械能 电能）。压 电振子对某些频率信号衰减大，而对另一些衰减小，从而滤波。 5、压电传感器
电极化，表面呈现束缚电荷。
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2、铁电晶体
电极
铁电晶体一定有压电效应，但有压电效应的晶体不 一定是铁电体。
电极
铁电体中有许多自发极化小区域，称为电畴。电畴取
向混乱，总电矩为0。经电场处理后的铁电体可以成为压 电材料。
当加电场后再撤去，铁电体有剩余极化强度，处于极化状态，在表面上有
T2
E
B
两金属A、B接触，电子相互扩散。 由于电子密度不同，交换电子数不同。
nA nB
A到B的电子数多
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接触处形成电荷层，产生电场，阻止扩散，达平衡，形成电
势差即帕尔贴电动势。用 AB (T ) 表示（与温度T有关）
E
A
B
B T1
B T2 T1
T2
n区空穴向p区扩散 p区电子向n区扩散；
当光照在p-n结附近，h Eg ，p-n结 附近形成电子空穴对。光生电子和空穴
扩散到势垒区，内建电场使：空穴扫向 p区202；0/4/9电子扫向n区。 台州学院 医药化工学院
n
n n
p Eg
p
p17
n
p Eg
p
n
p
n
则p区积累正电荷，n区积累负电荷，产生光生电动 势。接通外电路，由p经外电路达到n区形成电流。
3、聚合物材料
PVDF 4、铁电陶瓷-聚合物复合材料
如Pb（Zr，Ti）O3-硅橡胶复合物。
应用：
20红20/4外/9 光谱仪、红外遥感台州、学院热辐医射药化探工学测院器（防火用）
14
13-3 光电材料
一、光电效应
物质受光照后引起某些电学性质变化的现象叫光电效应，包 括光电导、光生伏特、光电子发射三种。
与压电陶瓷相比：柔性、耐冲击、能制成大面积薄 膜传感材料。
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两类：
（1）固有压电性聚合物
一些结晶聚合物化学结构不对称，有极性基团。未拉伸时， 微晶取向随机，总极化强度为0。
拉伸时，晶粒有压电响应，不经极化也有压电性。称为固 有压电聚合物。
如木材、丝竹、动物骨骼、肌肉、皮、头发等，在自然生 长条件下，微晶粒已择优取向。
空间电荷层产生的光生载流子在高电场（自建电场）中穿行距 离不大于空间电荷层厚度。所以，对光响应快（实用中尽量使光 生载流子产生于结区）。
用作高速响应光电探测器。
（2）光电池
也是p-n结二极管。 对太阳能电池，要研究Eg小的材料，以充分利用太阳光谱。 Eg在0.9—1.5eV内最好。Si是最理想材料。 还有：硫化镉，鍗化镉，砷化镓。
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3、压电聚合物
1940年，俄罗斯人发现木材压电性后，相继发现苎 麻、丝竹、动物某些生物组织有压电性。1960年，人 工合成了聚合物有压电性。
几乎所有聚合物都有压电性，但有实用价值的不多。
1969年，日本河合平司发现聚偏四氟乙烯（极化处 理后）有强压电性，使压电聚合物逐步进入实用化。
2非020电/4/9信号 电信号。力台州敏学院传感医器药化、工学应院变仪、血压计、压力计11 等。
13-2 热释电材料
一、热释电效应
一些材料由于温度变化而引起电极化状态改变，在某些相对 应表面产生异号电荷。该现象叫热释电效应。
其逆效应为电生热效应——外加电场变化，引起材料温度变 化。
最早在电气石晶体中发现热释电效应