材料化学导论第8章_功能转换材料【PPT课件】
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也称为正压电效应。
反之，在压电晶体上加电场，晶体会产生应力而使 晶体形变。该效应称为逆压电效应，也叫电致伸缩效应。
（加交变电场，产生机械振动）
压电效应使机械能和电能发生转化。
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，总电距为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，出现电极化，表面呈现
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， 电极 压电体就会变形（压缩或伸长）。加交
EV
Байду номын сангаас
（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
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：
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
某些合成聚合物拉伸后，也显示压电性。
（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。
8-2 热释电材料
一、热释电效应
束缚电荷。
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，在表面上有异号极化电荷。极化电荷吸附空气
PZT、钛酸铅PbTiO3等。
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。
8-3 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。
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）
（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。
（2）驱使：
n区空穴向p区扩散 p区电子向n区扩散；
n
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；电子扫向n区。
n n
p Eg
p
p
n
p Eg
p
n
n
p
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。
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。
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。
电介质
压电体
三、热释电材料
热释电
电介质
但压电晶体不一定都有自发极化。
压电体
热释电
P S — 自 发 极 化 强 度 P S ， P P — T 热 释 电 系 数 ， T 温 度 铁电体
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。
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 m v 2 Ah A 时 产 生 光 电 发 射 效 应 2
1、有自发极化的非铁电性晶体
铁电体
如CaS、CuSe、ZnO、电气石等
2、有自发极化的铁电性晶体
LiNbO3（铌酸锂）、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3、 PLZT透明铁电陶瓷。
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： 红外光谱仪、红外遥感、热辐射探测器（防火用）
与压电陶瓷相比：柔性、耐冲击、能制成大面积薄 膜传感材料。
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。
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 重要应用：热敏传感器（用作温度计、 红外探测器等）
二、热释电机制与压电机制比较
电介质 压电体 热释电
铁电体
1、热释电晶体前提是具有自发极化，
K通 过 压 电 输 效 入 应 机 转 械 换 能 的 能 量 2
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
变电源，压电体交替出现伸缩即发生振
电源
动。
电极
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。
Q m 谐 振 谐 时 振 振 时 子 振 每 子 周 储 损 存 耗 的 的 能 机 量 械 能 2
2、机电耦合系数
反之，在压电晶体上加电场，晶体会产生应力而使 晶体形变。该效应称为逆压电效应，也叫电致伸缩效应。
（加交变电场，产生机械振动）
压电效应使机械能和电能发生转化。
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，总电距为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，出现电极化，表面呈现
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， 电极 压电体就会变形（压缩或伸长）。加交
EV
Байду номын сангаас
（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
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：
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
某些合成聚合物拉伸后，也显示压电性。
（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。
8-2 热释电材料
一、热释电效应
束缚电荷。
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，在表面上有异号极化电荷。极化电荷吸附空气
PZT、钛酸铅PbTiO3等。
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。
8-3 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。
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）
（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。
（2）驱使：
n区空穴向p区扩散 p区电子向n区扩散；
n
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；电子扫向n区。
n n
p Eg
p
p
n
p Eg
p
n
n
p
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。
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。
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。
电介质
压电体
三、热释电材料
热释电
电介质
但压电晶体不一定都有自发极化。
压电体
热释电
P S — 自 发 极 化 强 度 P S ， P P — T 热 释 电 系 数 ， T 温 度 铁电体
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。
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 m v 2 Ah A 时 产 生 光 电 发 射 效 应 2
1、有自发极化的非铁电性晶体
铁电体
如CaS、CuSe、ZnO、电气石等
2、有自发极化的铁电性晶体
LiNbO3（铌酸锂）、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3、 PLZT透明铁电陶瓷。
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： 红外光谱仪、红外遥感、热辐射探测器（防火用）
与压电陶瓷相比：柔性、耐冲击、能制成大面积薄 膜传感材料。
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。
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 重要应用：热敏传感器（用作温度计、 红外探测器等）
二、热释电机制与压电机制比较
电介质 压电体 热释电
铁电体
1、热释电晶体前提是具有自发极化，
K通 过 压 电 输 效 入 应 机 转 械 换 能 的 能 量 2
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
变电源，压电体交替出现伸缩即发生振
电源
动。
电极
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。
Q m 谐 振 谐 时 振 振 时 子 振 每 子 周 储 损 存 耗 的 的 能 机 量 械 能 2
2、机电耦合系数