功能材料课件-功能转换材料

磁光材料
磁光效应
磁光法拉第效应 平面偏振光（直线偏振光）通过带磁性的物体时，
其偏振光面将发生偏转，这种现象称为磁光法拉第效应
偏转角
Ve LH
磁场强度
维尔德 光线通过
常数
的长度
磁光材料
磁光效应
磁光克尔效应
当光入射到被磁化的物质，或入射到外磁场作用 下的物质表面时，其反射光的偏振面发生旋转的现象。 其偏振角随磁场强度的变化而变化。
由两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个 结点存在温度差，则开路中将产生电动势E。感应电动势 正比于结点温度之差。
DVAB a(T )DT
∆T：两接触点的温差 a(T)：相对塞贝克系数
原理：温差及材料差异导致两种材料 的电子浓度差，在结点处扩散，形成 内电场，即产生热电动势。
热电材料
热电效应 （2）帕尔帖效应（1834年J. C. A. Peltier发现）
声光材料
声光材料
•声光晶体
早期使用的声光晶体有LiNbO3、LiTaO3、α-Al2O3和 R3Al5O2等，品质因素较好的声光晶体有PbMoO4、Pb2MoO5、 TeO2、α-LiIO3等。 PbMoO4晶体具有较高的声光品质因素，其M2 = 36.3×10-18 s3/g，相当于LiNbO3晶体的5倍多。声波损耗低，不吸潮， 生长、处理和加工都比较容易，是制作实用声光器材的主 要材料之一。
电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收 或放出热量。单位长度上吸收或放出的热量：
Q (T ) I T
x
x
汤姆逊系数
三种热效应的比较：P177表13－3
热电材料
热电材料
塞贝克效应的应用——测温用热电偶 要求：
(1) 温度测量范围广。要求在规定的温度测量范围内有较高 的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系 是单值函数，最好是呈线性关系。
见P182
磁光材料
磁光材料的应用
稀土过渡族金属薄膜，如Cd－Co，Ho－Co，Cd－Fe，Te －Fe等，具有较强的磁光效应，可制作磁光器件，实现高密 度信息储存。
磁光材料
磁光材料的应用
激光调制器
磁光调制器是利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转 来调制光束。磁光调制器有广泛的应用，可作为红外检测器 的斩波器，可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏振计，还可 用于显示电视信号的传输、测距装置以及各种光学检测和传 输系统中。
增大光电导增益的途径： 减小样品长度 增加载流子的寿命 增大迁移率
光电导材料的性能 见P175表13-2
光电材料
光电材料
2、光电池材料（太阳能电池） 要求： ①半导体材料的禁带不能太宽；0.9-1.5eV ②要有较高的光电转换效率： ③材料本身对环境不造成污染； ④材料便于工业化生产且材料性能稳定。
热释电材料 热释电效应基本参数
热释电系数
DV＝ARPi
dT dt
两极板面积 负载电阻
温度变化率
热释电电压与热释电系数和温度的变化率有关。
热释电材料
热释电陶瓷
ZnO 、BaTiO3 、PMN (镁铌酸铅) 、PST(钽钪酸 铅) 、BST (钛酸锶钡) 、PbTiO3 、PLT (钛酸铅镧) 、 PZT (锆钛酸铅) 、PZNFT ( PbZrO32Pb (NbFe) O32PbTiO3) 、PLZT (锆钛酸铅镧)等
光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子 发射效应三种。
光电材料 光电效应
1） 光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡
到自由状态，从而引起材料电导率的变化，这种现象被称为 光电导效应。
本征光电导和杂质光电导
导带
Eg
禁带
价带
自由电子所占能带 价电子所占能带
ห้องสมุดไป่ตู้电材料 光电效应
磁光材料
磁光材料的应用
快速光开关 隔离器
单向导光器，隔离器放置于激光器及光放大器前面，防 止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤。
磁光材料 磁光材料的应用
环行器
声光材料 声光效应
声波作用于某些物质之后，该物质光学特性发生改 变，这种现象称为声光效应。
超声波引起的声光效应尤为显著，这是因为超声波 能够引起物质密度的周期性疏密变化，使正在该物质中 传输的光改变行进方向。
声光材料
声光材料
•声光晶体
TeO2晶体的声光品质因素M2远高于其他实用声光材料。声 损耗比PbMoO4晶体稍高， TeO2晶体制作的声光器件，驱动 功率小，器件体积小。 α-LiIO3晶体具有旋光、倍频、压电、电光、声光等多种 效应。α-LiIO3晶体的品质因素M2高达86 x 10-18 s3/g，是 PbMoO4、TeO2品质因素的两倍多，因而也是一种优良的声光 材料。
电流流经两种不同导体的界面时，将从外接吸收热 量或向外界放出热量。
物理解释： 电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同
的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时， 便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从 外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或 放出。
热电材料 热电效应 （3）汤姆逊效应（1856年发现，Thomson）
Pb1-xLax(Zr1-yTiy) O3
电光材料
电光材料
电光材料的应用 （1）电光快门——控制速度可达10-9 m/s，广泛应用于 高速摄影、电影、电视和激光通讯等许多领域。 （2）光调制
磁光材料 磁光效应
置于磁场中的物体，受磁场影响后光学特性发生变 化的现象称为磁光效应。 磁光效应：磁光法拉第效应和磁光克尔效应等
声光材料 声光效应
声光效应有两种表现形式：外加的超声波频率较高时产 生布拉格反射；外加的超声波频率较低时产生拉曼－纳 斯衍射。
(ω＞20MHz)
(ω≤20MHz)
2X sin B 0 / n 布拉格反射
X sin m m 0,1,2,3,...
拉曼－纳斯衍射
声光材料 声光材料 常用声光材料： •声光晶体 •声光玻璃 •声光液体
光电材料 光电效应
3）光电发射效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向
外发射的现象称为光电发射效应。向外发射的电子叫做 光电子。
光子能量
逸出电子 动能
逸出功
光电材料 光电材料
1、光电导材料 光电导增益——光电流与入射光引起的单位时间电荷量的比 值。
电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。
对许多红外声光扫描和调制应用来说，Ge是一比较好的材料， 易于生长成优质的大晶体。
声光材料
声光材料
•声光玻璃
声光玻璃通常分为四类:熔石英；含重金属离子玻璃；硫 属化合物玻璃；单质半导体玻璃。
尽管声光玻璃的某些性能不如声光晶体，但因其制造 方便、体积大光学均匀性好和成本低廉，实际上仍然是重 要的声光材料。熔石英、碲玻璃、致密火石、As12Se55Ge55、 As2Se3、非晶型Se等是有代表性的声光玻璃。
（铁电相，斜方反铁电体，居里温度在300℃以上）
压电材料 压电材料的应用
压电薄膜
压电材料 压电材料的应用
压电材料 压电材料的应用
经由双簧式压电致动器出 力使基板产生振动从而构 成一扬声机制：用于移动 电话、掌上电脑(PDA) 、 笔记电脑等的发声模块
压电材料
压电材料的应用
美容保健用超音波按摩头
功能转换材料
压电材料 热释电材料 光电材料 热电材料 电光材料 磁光材料 声光材料
压电材料
压电材料是实现机械能与电能相互转变的工作物质。 压电效应 ——在某些特定方向上加力时，在力方向的垂直平面
上出现正、负束缚电荷的现象。
正压电效应
正压电效应
电能
逆压电效应
逆压电效应
机械能
压电材料
压电材料
钙钛矿型： 钛酸钡 ——（铁电相，四方结构 0-120℃） 钛酸铅 ——（铁电相，四方结构 0-490 ℃） 钛锆酸铅（PZT） ——是由锆酸铅和钛酸铅构成的固溶体
常用太阳能电池材料：硅
光电材料 光电材料
2、光电池材料（太阳能电池） 化合物半导体薄膜太阳能电池 主要有铜铟硒(CIS)和铜铟镓 硒(CIGS)、CdTe、GaAs等。
它们都是直接带隙材料，带隙宽度在1-1.6eV之间，具有 很好大范围太阳光谱响应特性．所需材料只要几个微米厚就 能吸收阳光的绝大部分，是制作薄膜太阳电池的优选活性材 料。
FeSi2型化合物
热电材料 热电材料
帕尔帖效应的应用——电子制冷
电光材料
电光效应
物质的光学特性受电场影响而发生变化的现象称为 电光效应。
其中物质的折射率受电场的影响发生改变的电光效 应分为波克尔效应和克尔效应。
电光材料 电光效应
物质的折射率同所加电场之间的关系：
n n0 aE bE 2 ...
波克尔效应——折射率的变化同电场强度直线关系 （压电晶体） Dn n n0 aE
克尔效应——折射率的变化同电场平方直线关系 各向同性物质（液体）
Dn n n0 bE 2
电光材料 电光材料
电光材料 （1）电光晶体——P179表13-4 （2）电光陶瓷——PLZT（电光系数大）
磁光材料
磁光效应
科顿-蒙顿效应
当光照射到硝基苯等芳香族化合物时，若在与入射 光相垂直的方向上加上外磁场，化合物便可呈现双折射 特性,即一束入射光变为两束出射光——正常光与异常光。 这种现象称为科顿-蒙顿效应。
磁光材料 磁光材料
磁光材料按其状态分为三类： 磁光晶体材料
磁光晶体的典型代表为亚铁磁性石榴石。还有很多磁性 材料，具有突出的磁光效应，它们是尖晶石铁氧体、正铁氧 体、钡铁氧体、二价铕的化合物、铬的三卤化物和一些金属。
2） 光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势
的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光 电池和光敏二极管、光敏三极管。
当光子入射到p-n结时，如果光子能量hν＞Eg，在 p-n结附近激发出电子空穴对，在自建电场的作用下，n 区的光生空穴被拉向p区，p区的光生电子被拉向n区，结 果n区积累了负电荷，p区积累了正电荷，产生光生电动 势。
热释电材料
热释电材料
热释电材料的应用 在物理学基础研究中的应用，如确定晶体的非中心对 称结构和相变温度，确定晶体中原子(或离子)的相对位 移等 在探测器方面的应用——热释电红外探测器
热释电探测器与常规红外探测器相比，具有工作频率 范围宽，灵敏度高，适用范围广等优点，广泛应用于军 事、卫星测控、银行、电力等部门。
热释电材料
热释电材料的应用
(1) 夜视装置。
热释电材料
热释电材料的应用
(2) 卫星遥感探测。森林火灾、探矿 (3) 红外探测报警。 (4)利用热释电晶体的静压电效应，可制作声场校准器，并且 可以用作水听器，监测潜艇及水面舰艇的活动情况。
光电材料
光电效应
光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的 光子轰击这些物体的表面；光子与物体之间的联接体是 电子。所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物 体中某些电子的能量而产生的电效应。
(2) 性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性 能稳定，均匀性和复现性好。
(3) 物理化学性能好。要求在规定的温度测量范围内有良好 的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。
热电材料
热电材料
塞贝克效应的应用——测温用热电偶
铂铑-铂热电偶
1300～1600℃ 高温
镍铬-镍硅热电偶 -200～+1300℃
压电材料
压电材料的应用
用于加湿机、精油雾化以 及医疗雾化领域
压电材料 压电材料的应用
汽车倒车雷达
热释电材料
某些晶体的电极化强度随温度变化而引起表面电荷。 热释电材料是压电材料中的一类，是不具有对称
中心。晶体受热时，膨胀是在各个方向同时发生的， 所以只有那些有着与其他方向不同的唯一极轴（极化 轴）时，才有热释电性。 热释电晶体一定是压电晶体，而压电晶体不一定是热释 电晶体
镍铬-铜 铁-铜镍热电偶
-200～+1000℃ -200℃～+1300℃
铜-铜镍热电偶
-200℃～+400℃
热电材料 热电材料
塞贝克效应的应用——温差发电
温差发电的效率一般 不超过14% 无噪音 余热利用
热电材料 热电材料
塞贝克效应的应用——温差发电
Bi2Te3- Sb2Te3系化合物 PbTe型化合物
热电材料
热电效应
在不同导体构成的闭合电路中，若其结合部出现 温差，则在此闭合回路中将出现热电流，或产生热电势， 此现象称为热电效应。
热电效应有塞贝克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire) 效应和汤姆逊(Thomson)效应三种。
热电材料 热电效应 （1）塞贝克效应（1821年T. J. Seebeck发现）