新材料与社会进步课后总结

新材料与社会进步总结

第一节主要讲到材料的重要性，科学技术发展需要新一代的信息材料，生物生物材料，高端装备制造要新型结构材料，新能源需要发展能源材料，新能源汽车需要发展新型电池即电池材料，重点讲到能源材料新能源包括：新型功能材料、先进结构材料、纳米材料、高温合金材料。

能源材料LED：半导体照明重点发展白光LED，LED核心是一个芯片，白光LED的核心技术也就是芯片材料，新一代的信息技术LED节能产品和技术，是我国战略目标之一是重大需求，其优势是节能，它的能耗是普通灯具的1/10而寿命是传统灯具的10倍，它的应用有手机背光、交通灯、屏幕显示。

发光二极管又称为LED的生产流程：首先最重要的是高亮度的芯片制备，用MOCVD生长到芯片的检测、封装，封装也需要很多材料，目前蓝光LED 氮化镓的结构，氮化镓LED的结构是p型n型中间多量子阱结构，金属合金的衬底为了导热更好，加上一个电压就能发出光来，现在一般在MOCVD的生长是在蓝宝石上或硅上长，长出来后氮化镓就是30个nm，在张一个n型的，就是氮化镓掺硅的4um，中间还有一个多量子阱结构，这个是4nm和2.5nm，5个周期或者几个周期，这样发光效率高的一个发电层还有p型，氮化镓掺mg再加上透明导电层和n型p型电极，里面的薄膜是单晶。为什么要用多量子阱结构：肼层里面限制更多的电子电子空穴复合机会更多，使电子在漏斗里面发光效率会更高，最本质的电子跃迁要回来用光的形式发射出去。

白光LED 是目前要重点发展的，白光LED发展的思路：红绿蓝LED集成白光，还有一个思路就是氮化镓蓝光LED加上黄色的荧光粉合成出去，还有紫光LED 如果有三基色荧光粉，本身这种紫光直接激发就有可能发出白光来，白光是由红绿蓝三基色合成变成白光的。目前白光LED要提高他的效率通过改变结构，提高紫-蓝光的效率还有提高表面的光提取，能不能把发出来的光百分之百的出来而不是到了表面反射折射，有方法有p型氮化镓上进行刻蚀，生长纳米阵列或制成光子晶体，还有衬底图形化增加漫反射，还有增加内部光反射，在衬底结构中添加布拉格反射镜或金属反射层，让衬底的光能发射更多出去，还有侧壁出光，衬底的厚度减薄或做一个斜度。

LED技术要术：内量子效率、光抽取效率，光段转换效率，荧光转换效率，其中内量子效率是取决于外延材料，光抽取：芯片的工艺包括外面才用的材料和工艺，封装技术：封装除了晶体技术以外也有采用什么结构材料的问题，荧光粉：荧光粉的效率也很重要，包括引线，这些每一步材料都很重要。

LED技术发展方向：芯片的制造新技术，芯片新材料技术，封装新技术，应用于照明新技术，性能检测与标定新技术。

目前ZnO是紫蓝光LED的新选择，禁带宽度室温下激子束缚能很高环境友好物丰价廉，第二讲主要讲到能源材料：新型电池材料

能源技术材料：一个属于光电转换，如lde是电光转换，光电转换比如太阳能电池，一个属于储能：电池。

新材料与能源技术的关系：一个是新型电池材料，电池不是实际上电池是有不同性质的，大家都知道太阳能电池，实际意义上等于把光转换为垫，锂电池实际上是化学能转换属于储能，太阳是地球上所有能源的源头，除核能和地热能以外，水太阳能能风能等都直接或间接转换而来，太阳一个小时的照射可供全人类使用一年，但要找到正确的使用方法。

太阳能工作原理：光照产生电子-空穴对然后电子和空穴分离，最后产生光伏，太阳光的多

个波段如何使用它？太阳能电池n型p型形成后电子，电子空穴分离，光生电子流动，并形成回路。

太阳能电池制备：硅掺了硼表现为p型的硅，制绒以后清洗扩散，然后麟掺进去变n型，形成pn结，pn结再镀一层减反射膜，然后再印刷一个铝线或银线，用于输送电子，最后封装起来形成太阳能电池。

目前最主要的是硅单晶太阳能电池，占80-90%，光电转换律17%18%，硅只能吸收可见光和近红外波段。

锂电池：优点是适合于做交通运载工具的动力电池，因为具有具有高性能密度，高功率密度，高性能比，大电流的放电性能，安全性能，使用寿命。最突出的优点是高密度储存，快速充放电，环境稳定。

工作原理：充电磷酸铁锂通过充电，变磷酸铁锂离子加电子，放电倒过来，实际上是电子锂离子的运作过程，由正极负极电解液和隔膜组成，直接决定电子性能的是材料技术，所以电极材料很热门。

实现应用：材料的制备，工艺的研究

储氢材料：氢是未来理想的能源载体

第三讲主要是讲热电材料与温差发电

1、热电效应与热电材料

热电效应也叫seebeck效应，最早由德国seebeck在1822年发现的，他把两种不同的金属材料焊在一起构成一个回路，在一端加热，发现放在回路中间的磁针发生偏转，这是由于在回路中产生了电流，电流产生的原因是两端的温差而存在一个电动势差，他把单位温差所发生的电压差定义为seebeck系数，材料基本原理讲温差发生温差电是在温度较高的那一端载流子浓度大，比如n型半导体电子的浓度激发到到带上的浓度比较高，因此构成了向低温端的定向扩散，同时p型半导体中也是高温端的空穴浓度较高，构成了向低温端的定向扩散，若把这两种材料用一般金属连接起来，会发现回路中会有电流产生，这种由温差所造成的电的性质称为温差发电效应，因此热电材料是一种直接将热能和电能相互转换的功能材料，这种转换的优点是有没有运动部件、流体介质，因此是一种无噪声、无污染、无磨损、免维护的能量转换机制，1834年法国的peltier发现了seebeck效应的逆效应，将两种金属焊接在一起在焊点挖一个小坑在里面放一滴水，在另一端加上一个直流电，发现这滴水正向通电就结冰，反向通电冰化了，这就是peltier 效应，是现在很多半导体制冷的基础。所以热电材料有两种应用，一个是发电另个是制冷，今年热电材料研发的动力是：能源热电材料的性能用zt这个指标来衡量，材料一端高温一端低温然后构成一个回路，加一个负载，负载的功率等于通过的电流乘上两端电压，温差固定时电压正比于材料的seebeck系数，负载本身有电阻电导也就确定了通过的电流，这个功率与seebeck系数平方和电导率成正比，seebeck系数平方和电导率定义为功率因子，而能量另外散失的，散失的正比于材料的热导率，这个热导率一部分是电子贡献另一部分是声子（ph），热电优值Z=seebeck系数平方乘电导率除上热导率，热电优值除以T就是一个无量纲的，为ZT，这也是大家研究热电材料提高的性能指标，半导体使ZT值有了很大的提高（无极限），接近1的水平，技术难题：1、掺杂可以提高导电率但是会降低seebeck系数，引入缺陷可以提高seebeck系数但是降低导电率，能带理论定性解释：导带和施主能及的差与seebeck系数是正相关关系，跟导电率负的指数关系，所以导电率增加则导带和施主能及的差下降，2、所有提高电导率的措施几乎都会提高热导率，目前有ZT 值大于1的材料，称为先进材料，有两类典型的先进材料，第一类是一些新的化合物，外面具有晶体的框架所以电导率很高，里面有可塞进原子的