功能材料作业及答案

绪论1、简要叙述功能材料的定义、分类和主要应用领域；答:1)定义：功能材料是以物理性能为主的工程材料的统称，即指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质，或在其作用下表现出特殊功能的材料；2)分类:a.依用途：分为电子、航天、航空、兵工、建筑、医药、包装等；b.依化学化学成分：分金属、无机非金属、有机、高分子和复合功能材料；c.依聚集态：分为气态液态、固态、液晶和混合态功能材料，其中固态又分为晶态，准晶态和非晶态三种；d.依功能：分为物理、化学、生物和核功能材料；e.依形态：分为体积、纤维、膜及颗粒等；f.依维度：分为三维、二维、一维和零维；3)应用领域：a.功能材料在航空工业中的作用；例如：MCrAlY·ZrO2隔热涂层涂敷于涡轮和导向叶片表面可提高其使用温度150℃或更高；b.功能材料在环保上的应用；例如：活性碳纤维(ACF) 属粒子甚至微生物，还可将贵金属粒子还原为低价粒子或金属单质。

离子交换纤维可对SO2、HF、HCl、NH3等有害气体有效吸附，且由于它表面含有有机胺等非溶性活性基团，当它与人体皮肤接触时可改善皮肤微循环，达到抑杀细菌的目的c.功能材料在防伪上的应用；2．能量转换的主要形式和内容主要包括内涵？请各自举例说明；答：形式：a.电能转化热能；b.热能转化电能；c.机械能转化电能；d.光能转化电能；e.化学能转化电能；f.电能转化机械能；g.化学能转化热能；h.热能转化机械能；i.机械能转化热能；j.光能转化热能;k.光能转化机械能；l.光能转化化学能。

3．简要说明一次能源和二次能源以及常规能源和新能源技术的含义。

答：按照能源是否天然存在分为一次能源，二次能源1) 一次能源:自然界中天然存在的能源。

没有经过人工转换；如煤、石油、木材、水力、风力、太阳光等。

2) 二次能源:依靠一次能源产生而制取的能源；如电能、汽油、煤油、酒精（由石油中制取的）。

第一讲电性材料和半导体材料及应用1.分析和说明影响金属或合金电导率的重要因素；答：因素主要有三个方面：温度、参杂程度、各向异性；具体如下：1) 温度：电导率与温度具有很大相关性。

金属的电导率随着温度的升高而减小。

半导体的电导率随着温度的升高而增加；2) 参杂程度；金属或合金的掺杂程度会造成电导率很大的变化。

增加掺杂程度会造成电导率增高。

3) 各向异性：有些金属或合金会有异向性的电导率。

2. 试说明下列名词和概念的基本含义：答：1) 本征半导体:不含杂质且没有晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。

但实际半导体不能绝对的纯净，此类半导体称为杂质半导体。

2) 掺杂半导体: 本征半导体中载流子数目极少，导电能力仍然很低。

但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。

由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。

3) 直接带隙半导体: 直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和价带最大值在k空间中同一位置。

电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。

4) 间接带隙半导体: 间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。

形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。

3.计算半导体锗（Ge）在20oC下：(a) 载流子电荷的数目；(b)价带中电子受激进入导带的分数；（c）试分析单位体积中金属铜的价电子数与半导体锗（Ge）在20oC下的载流子电荷数目，说明其导电性能的差异。

由查表可知，锗的导电参数如下：σ= 0.02Ω-1cm-1, Eg = 0.67eV, μe =3800 cm2/V·s,μh = 1820cm2/V·s, 2kT = 0.05eV答：已知σ= 0.02Ω-1cm-1, Eg = 0.67eV,μe =3800 cm2/V·s, μh = 1820cm2/V·s(a)n=σq(μe+μh)=0.02(1.6 x 10−19)(3800+1820)=2.2 x 1013室温下锗中参与导电的电子和空穴数分别为2.2 x 1013(b)具有金刚石正方晶型的锗的点阵参数为 5.6775 x 10-18cm，价带中的电子总数为：电子总数=(8原子晶胞⁄)(4电子原子⁄)(5.6575 x 10−8cm)3=1.17 x 1023受激电子数=2.2×10131.77×1023=1.24×10−10 (c)n σ=n exp (−E g 2kT )=2.2×1013exp (−0.670.05)=3.33×107载流子/cm 34. 通过文献查询和阅读，简要综述目前有哪些有效方法可获得高电导率和力学强度较高的铜合金？其各自特点是什么？答：答：目前获得高强、高导铜合金的途径有两种:一是引入合金元素强化铜基体形成合金;二是引入第二强化相形成复合材料。

（1）合金化法是在铜中添加合金元素,溶质原子溶入晶格后会引起晶格点阵畸变,造成应力场,从而使强度提高。

传统的合金化法主要通过固溶强化和析出强化等手段来强化铜基体。

（2）固溶强化的主要机理是使溶质原子溶入铜基体形成固溶体,从而引起晶格畸变,而晶格畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场产生交互作用,溶质原子在位错周围积聚,阻碍位错运动,从而使材料得到强化。

合金元素进入铜基体中,虽能提高铜的强度,但同时也很大程度上降低铜基体的电导率。

铜合金中常用的固溶合金元素有Sn 、Cd 、Ag 等。

5. 简要说明发光半导体二极管的发光原理；与常规半导体材料比较，发光二极管半导体材料有哪些特点？答：原理：实际上发光二极管就是一个pn 结。

当加上正向偏压时，在外电场作用下，P 区的空穴和n 区电子就向对方移动，构成少数载流子的注入，从而在pn 结附近引起导带电子和价带空穴的复合。

复合时多余的能量会以热能、光能或部分热能和光能的形式辐射出来。

对于直接带隙的半导体材料如GaAs 、GaP 、GaAs1-xPx 等，其电子与空穴的复合主要以光能形式释放。

特点：半导体发光二极管是由Ⅲ．Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、Q 暖sP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN 结。

因此，它具有一般PN 结的特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

其具有结构牢固，耐冲击，抗震动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等特点。

6. 简要说明半导体pn 结的光伏效应和光伏电池工作原理；答：光伏效应：当两个费米能级不同的半导体材料相互接触时，半导体界面之间会发生电荷转移，导致界面附近产生内建电场或势垒。

若用波长小于半导体价带宽度对应波长的光照射界面，并利用导线把两边联起来，可以发现回路中有电流流过，这种由于光照引起的电流称为光生电流，在开路时，半导体界面两侧有电压差存在此电压称光生电压。

这种由于内建电场引起的光电转换现象称光生伏特效应。

光伏电池工作原理：①当施加零偏压时，在空间电荷区存在自建电场；②的入射光照射，入射光能够使空间电荷区产生电子-空穴当一束hν≥Eg对；③这些电子-空穴对被自建电场分离后，形成沿反偏方向的光生电流；④光电流在负载R上产生电压降，这个电压可以p-n使结正偏，正ⅠL偏电压产生正偏电流。

Ⅰ7. 表征光伏电池性能的主要参数有哪些？说明光伏电池转换效率的意义和表达式。

答：表征光伏电池性能的主要参数：短路电流I SC；开路电压V OC；最大输出功率P m;填充因子FF；光-电转换效率光伏电池转换效率表示了光伏材料的光电转换能力。

其表达式：8. 简述光伏电池的内量子效率和外量子效率的意义；答：内量子效率：被电池吸收的波长为一个入射光子的能量对外电路提供一个电子的几率。

内量子效率反映的是对短路电流有贡献的光生载流子数与被电池吸收的光子数之比。

外量子效率：被电池吸收的波长为一个入射光子的能量对外电路提供一个电子的几率。

内量子效率反映的是对短路电流有贡献的光生载流子数与被电池吸收的光子数之比。

9. 太阳能电池的种类和典型材料特性；答：①单晶硅太阳能电池。

其材料特性为转化率高、可靠性高，但是其成本较高，光电转换效率有待提高。

②多晶硅太阳能电池。

晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约12％左右，稍低于单晶硅太阳电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

③非晶硅太阳电池。

非晶硅太阳电池硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。

但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10％左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。

④多元化合物太阳电池多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。

现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：（1）硫化镉太阳电池（2）砷化镓太阳电池（3）铜铟硒太阳电池。

10.试从半导体材料性质和电池结构方面，分析和叙述影响光伏电池转换效率的主要因素（或电池效率损失）。

答：①带隙宽度对转换效率有重要影响。

带隙宽度太窄或太宽都会引起效率的下降，故必须优化材料的Eg值。

②有非平衡载流子输运决定的光伏器件，其少子寿命对器件有重要影响。

长的少子寿命可制备出高性能的太阳能电池。

③表面复合的影响。

背表面复合主要影响电池的长波响应，而前表面复合主要影响电池的短波响应。

④寄生电阻效应。

串联电阻降低输出电压；并联电阻使电池整流特性变差；⑤温度对电池I-V 特性的影响。

第三章热电转换技术和材料1. 泽贝克（Seebeck）效应和佩尔捷（Peltier）效应；答：泽贝克（Seebeck）效应：1821年，德国人Seebeck首先发现当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产生，且在回路中有电流通过，即温差电现象或Seebeck效应。

佩尔捷（Peltier）效应：1833年，法国钟表匠Pletier发现了Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时，接点处会发生放热或吸热现象，称为Peltier效应。

2.热电材料温差发电的基本原理；答：与外电路构成闭合回路后，由于塞贝克效应扩散到n型半导体冷端的电子将通过导线和负载流向p型半导体的冷端，与同样由于塞贝克效应扩散聚集到p型半导体冷端的空穴复合消失。

同样在热端，闭合回路中的电子（通过导电金属片）从p型半导体热端到n型半导体热端的流动，使得由于塞贝克效应产生的电子和空穴运动得以维持。

由于ｐ型半导体材料的泽贝克系数为正值，n型材料的泽贝克系数为负值，将ｐ型和ｎ型材料如图所示组合在一起成为一个π对器件时，利用塞贝克效应产生的电势或二者可以叠加起来，相对于单个热电材料组成的器件，其能量转换效率大大提高。