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整个空间，它类似于晶
态半导体中的共有化运 动状态。
➢当电子处于定域态时，它的波函数仅局限 在一些中心点附近，这时电子不能在整个 玻璃中作共有化运动，而只是在比较小的 范围内作定域运动。
➢在扩展态中，载流子的导电机理和晶态半 导体相似，但在定域态中的载流子却只能 和晶格振动相互作用、交换能量，才能从 一个定域态跳到另一个定域态，进行跳跃 式导电。
硕士研究生课程
功能材料
吉林大学材料科学与工程学院
功能玻璃
讲授：孙彦彬
➢由于原子能、电子工业、计算机、医疗、激 光等近代科学技术的发展及国防工业的需要， 玻璃材料和其他无机非金属材料一样，发展 非常迅速。在玻璃分类中把许多新型玻璃材 料归入特种玻璃。功能玻璃是指与传统玻璃 结构不同的、有某一方面独特性能的、有专 门用途的、或者制造工艺有明显差别的一些 新品种“玻璃”。功能玻璃近年来发展迅速， 它除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具 有许多独特的性质，如磁光玻璃的磁-光转换 功能、声光玻璃的声光特性、导电玻璃的导 电性、记忆玻璃的记忆特性等。
➢这种玻璃通常是n型半导体，电阻率在10～ 106Ω·m之间，载流子密度为1010cm-3，迁移 率一般在108～10-2cm2·V-1·s-1。表征氧化物 玻璃的热电转换常数—赛贝克系数在100～ 1000V·K-1(300℃以下)范围变化。（一块导 体或者半导体的两端如果温度不同就会产
生温差电动势,称为赛贝克效应，又称热电 效应）
➢新型功能玻璃就是采用高纯原料、新型技术、 新的制备方法或在特殊的条件下形成的具有 某种特殊功能的玻璃或无机非晶态材料，它 与通常玻璃相比具有许多明显的特征，主要 表现在：
➢ (1)玻璃化方面，通常玻璃是在大气中进行熔 融而制得的，而新型功能玻璃是采用超急冷 法、溶胶-凝胶法、PVD法、CVD法以及特种 气氛等方法而制得的；
三、半导体玻璃的制备方法
➢半导体玻璃的制备方法与普通玻璃相似， 只是在制造普通玻璃的原料中按一定比例 加入一些其他元素化合物，把原料加热熔 化后再冷却，即可制得各种不同用途的半 导体玻璃。因而与单晶半导体材料硅、锗 的生长工艺比较起来，要简单方便得多， 成本也会大大下降。
二、玻璃半导体的导电机理
➢ 与晶态半导体相似，玻璃 半导体也存在导带和价带， 两者间也有禁带。能带的 存在不依赖于晶格的周期 性，但是由于玻璃半导体 中原子排列的无序性，能 带拖有“尾巴”，见右图， 在晶态半导体中能带的状 态是电子共有化运动的状 态，而在玻璃半导体能带 中的状态分为两类，一类 叫扩展态；另一类叫定域 态。
(1) 元素半导体玻璃
如硒、硅、锗等。
(2) 氧化物半导体玻璃
这类玻璃含有大量钒、铁、钨、钴、镍 等过渡元素，研究得较多的是钒磷酸盐玻璃 和 铜 硼 酸 盐 玻 璃 ， 如 V2O5-P2O5-BaO ， CuO-B2O3-CaO 及 MnO-Al2O3-SiO2 等 系 统 。 其导电性是由于过渡金属离子具有两种不同 价态而引起的电子跃迁过程所造成的。
一、半导体玻璃分类
➢玻璃的种类是很多的，五颜六色，其化学成 分也是各种各样，其中能形成玻璃半导体的 大体上有三类，一类是元素(如硒、硅)半导 玻璃，另一类是金属的氮化物、氧化物半导 体玻璃，还有一类是硫系(如含硫、砷、碲 的化合物)半导体玻璃。
➢一般半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间， 在10-6～107Ω·m，并分为本征半导体和杂质 半导体两种。杂质半导体包括空穴型(p型) 半导体和电子型(n型)半导体，玻璃半导体 主要属于杂质半导体类型。
➢功能玻璃按照其功能来划分，可分为以下几 种。
微晶玻璃
光导纤维玻璃
激光玻璃Байду номын сангаас
功
光色玻璃
能
半导体玻璃
玻
非线性光学玻璃
璃
磁功能玻璃
生物玻璃
机械功能玻璃
功能玻璃薄膜
半导体玻璃
➢提到半导体材料人们很自然地就会想起硅和 锗单晶体，并且用它制作了一系列电子器件， 从最简单的二极管发展到目前的绿豆大小面 积的硅片上集成几万乃至几十万个元件的大 规模集成电路，这些用单晶半导体材料做成 的电子元件已经在各个方面得到了广泛的应 用。至于玻璃通常被认为是绝缘体，但是当 人们对玻璃材料的性能深入研究以后，也确 实发现有些玻璃在一定的条件下并不是真正 的“绝缘体，它们是具有一定的导电本领的， 其电阻大小介于绝缘体与导电体之间，我们 称这种玻璃为半导玻璃或玻璃半导体。
➢(2)成型方面，通常玻璃主要产品是板材、管 材、成瓶、成纤等，而新型功能玻璃则是微 粉末、薄膜、纤维状等；
➢(3)在加工方面，通常玻璃采用烧制、研磨、 急冷强化等方法，而新型功能玻璃则采用结 晶化、离子交换法、分子溅射、分相、微细 加工技术等；
➢(4)在用途方面，通常玻璃主要用于建筑、容 器、光学制品等，而新型功能玻璃主要用于 光电子、光信息情报处理、传感显示、精密 机械以及生物工程等领域。
(3) 非氧化物半导体玻璃 (硫系玻璃)
这类玻璃是As、Sb、Ti、P、Ge、Si等 元素的硫化物、硒化物、碲化物或这几种 化合物的混合物以适当比例混合熔融而成。 其 电 导 率 随 成 分 而 变 ， 界 限 从 10-12 ～ 101S•m-1 (西门子每米)。这类玻璃是电子导电。 硫系玻璃半导体的品种很多，迄今研究得 比 较 充 分 的 有 As2S3 、 As2Se3 、 As2Te3 及 As2Se3-As2Te3、As2Se3-As2Te3-Te2Se等。
➢ 在 导 带 中 ， 能 量 E>Ec 的状态是扩展态，而
EA<E<EC 的 状 态 是 定 域态；在价带中， E<EV 的 状 态 是 扩 展 态 ， 而 EV<E<EB 的 状 态 是 定 域 态 。 EC和 EV 分 别 表示导带和价带中扩展
态和定域态的为界。当
电子处于扩展态时，电
子运动的波函数延展到
➢新型功能玻璃材料的开发主要依赖于如CVD、 PVD、等离子溅射、溶胶-凝胶、材料复合等 各种高新技术、新工艺在玻璃制造中的巧妙 运用，这些巧妙运用赋予功能玻璃材料许多 新的特性，使其塑造成具有各种专用功能的 特性材料．从而为现代光量子技术提供了更 新的材料和器件。
➢随着材料制备手段的不断提高和发展，新技 术、新工艺的出现，玻璃材料的开发日新月 异，具有各种探索性能的玻璃不断的涌现出 来。
态半导体中的共有化运 动状态。
➢当电子处于定域态时，它的波函数仅局限 在一些中心点附近，这时电子不能在整个 玻璃中作共有化运动，而只是在比较小的 范围内作定域运动。
➢在扩展态中，载流子的导电机理和晶态半 导体相似，但在定域态中的载流子却只能 和晶格振动相互作用、交换能量，才能从 一个定域态跳到另一个定域态，进行跳跃 式导电。
硕士研究生课程
功能材料
吉林大学材料科学与工程学院
功能玻璃
讲授：孙彦彬
➢由于原子能、电子工业、计算机、医疗、激 光等近代科学技术的发展及国防工业的需要， 玻璃材料和其他无机非金属材料一样，发展 非常迅速。在玻璃分类中把许多新型玻璃材 料归入特种玻璃。功能玻璃是指与传统玻璃 结构不同的、有某一方面独特性能的、有专 门用途的、或者制造工艺有明显差别的一些 新品种“玻璃”。功能玻璃近年来发展迅速， 它除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具 有许多独特的性质，如磁光玻璃的磁-光转换 功能、声光玻璃的声光特性、导电玻璃的导 电性、记忆玻璃的记忆特性等。
➢这种玻璃通常是n型半导体，电阻率在10～ 106Ω·m之间，载流子密度为1010cm-3，迁移 率一般在108～10-2cm2·V-1·s-1。表征氧化物 玻璃的热电转换常数—赛贝克系数在100～ 1000V·K-1(300℃以下)范围变化。（一块导 体或者半导体的两端如果温度不同就会产
生温差电动势,称为赛贝克效应，又称热电 效应）
➢新型功能玻璃就是采用高纯原料、新型技术、 新的制备方法或在特殊的条件下形成的具有 某种特殊功能的玻璃或无机非晶态材料，它 与通常玻璃相比具有许多明显的特征，主要 表现在：
➢ (1)玻璃化方面，通常玻璃是在大气中进行熔 融而制得的，而新型功能玻璃是采用超急冷 法、溶胶-凝胶法、PVD法、CVD法以及特种 气氛等方法而制得的；
三、半导体玻璃的制备方法
➢半导体玻璃的制备方法与普通玻璃相似， 只是在制造普通玻璃的原料中按一定比例 加入一些其他元素化合物，把原料加热熔 化后再冷却，即可制得各种不同用途的半 导体玻璃。因而与单晶半导体材料硅、锗 的生长工艺比较起来，要简单方便得多， 成本也会大大下降。
二、玻璃半导体的导电机理
➢ 与晶态半导体相似，玻璃 半导体也存在导带和价带， 两者间也有禁带。能带的 存在不依赖于晶格的周期 性，但是由于玻璃半导体 中原子排列的无序性，能 带拖有“尾巴”，见右图， 在晶态半导体中能带的状 态是电子共有化运动的状 态，而在玻璃半导体能带 中的状态分为两类，一类 叫扩展态；另一类叫定域 态。
(1) 元素半导体玻璃
如硒、硅、锗等。
(2) 氧化物半导体玻璃
这类玻璃含有大量钒、铁、钨、钴、镍 等过渡元素，研究得较多的是钒磷酸盐玻璃 和 铜 硼 酸 盐 玻 璃 ， 如 V2O5-P2O5-BaO ， CuO-B2O3-CaO 及 MnO-Al2O3-SiO2 等 系 统 。 其导电性是由于过渡金属离子具有两种不同 价态而引起的电子跃迁过程所造成的。
一、半导体玻璃分类
➢玻璃的种类是很多的，五颜六色，其化学成 分也是各种各样，其中能形成玻璃半导体的 大体上有三类，一类是元素(如硒、硅)半导 玻璃，另一类是金属的氮化物、氧化物半导 体玻璃，还有一类是硫系(如含硫、砷、碲 的化合物)半导体玻璃。
➢一般半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间， 在10-6～107Ω·m，并分为本征半导体和杂质 半导体两种。杂质半导体包括空穴型(p型) 半导体和电子型(n型)半导体，玻璃半导体 主要属于杂质半导体类型。
➢功能玻璃按照其功能来划分，可分为以下几 种。
微晶玻璃
光导纤维玻璃
激光玻璃Байду номын сангаас
功
光色玻璃
能
半导体玻璃
玻
非线性光学玻璃
璃
磁功能玻璃
生物玻璃
机械功能玻璃
功能玻璃薄膜
半导体玻璃
➢提到半导体材料人们很自然地就会想起硅和 锗单晶体，并且用它制作了一系列电子器件， 从最简单的二极管发展到目前的绿豆大小面 积的硅片上集成几万乃至几十万个元件的大 规模集成电路，这些用单晶半导体材料做成 的电子元件已经在各个方面得到了广泛的应 用。至于玻璃通常被认为是绝缘体，但是当 人们对玻璃材料的性能深入研究以后，也确 实发现有些玻璃在一定的条件下并不是真正 的“绝缘体，它们是具有一定的导电本领的， 其电阻大小介于绝缘体与导电体之间，我们 称这种玻璃为半导玻璃或玻璃半导体。
➢(2)成型方面，通常玻璃主要产品是板材、管 材、成瓶、成纤等，而新型功能玻璃则是微 粉末、薄膜、纤维状等；
➢(3)在加工方面，通常玻璃采用烧制、研磨、 急冷强化等方法，而新型功能玻璃则采用结 晶化、离子交换法、分子溅射、分相、微细 加工技术等；
➢(4)在用途方面，通常玻璃主要用于建筑、容 器、光学制品等，而新型功能玻璃主要用于 光电子、光信息情报处理、传感显示、精密 机械以及生物工程等领域。
(3) 非氧化物半导体玻璃 (硫系玻璃)
这类玻璃是As、Sb、Ti、P、Ge、Si等 元素的硫化物、硒化物、碲化物或这几种 化合物的混合物以适当比例混合熔融而成。 其 电 导 率 随 成 分 而 变 ， 界 限 从 10-12 ～ 101S•m-1 (西门子每米)。这类玻璃是电子导电。 硫系玻璃半导体的品种很多，迄今研究得 比 较 充 分 的 有 As2S3 、 As2Se3 、 As2Te3 及 As2Se3-As2Te3、As2Se3-As2Te3-Te2Se等。
➢ 在 导 带 中 ， 能 量 E>Ec 的状态是扩展态，而
EA<E<EC 的 状 态 是 定 域态；在价带中， E<EV 的 状 态 是 扩 展 态 ， 而 EV<E<EB 的 状 态 是 定 域 态 。 EC和 EV 分 别 表示导带和价带中扩展
态和定域态的为界。当
电子处于扩展态时，电
子运动的波函数延展到
➢新型功能玻璃材料的开发主要依赖于如CVD、 PVD、等离子溅射、溶胶-凝胶、材料复合等 各种高新技术、新工艺在玻璃制造中的巧妙 运用，这些巧妙运用赋予功能玻璃材料许多 新的特性，使其塑造成具有各种专用功能的 特性材料．从而为现代光量子技术提供了更 新的材料和器件。
➢随着材料制备手段的不断提高和发展，新技 术、新工艺的出现，玻璃材料的开发日新月 异，具有各种探索性能的玻璃不断的涌现出 来。