新型功能材料分析.pptx

第七章第七章 新型功能材料新型功能材料第一节 光学功能材料第二节 电功能材料第三节 功能转换材料7.1 光学光学功能材料功能材料7.1.1 激光材料激光材料 自第一台激光器诞生后，激光技术便成为一门新兴科学发展起来，并且激光的出现又大大促进了光学材料的发展。1、激光的产生及特点、激光的产生及特点 当激光工作物质的粒子(原子或分子)吸收了外来的能量后，就要从基态跃迁到不稳定的高能态，很快无辐射跃迁到一个亚稳态能级。当亚稳态粒子数大于基态粒子数时，即实现粒子数反转分布，粒子就要跌落到基态并放出新的光子。这样便起到了放大作用。如果光的放大在一个光谐腔内反复作用，便构成光振荡，并发出强大的激光。激光具有下列特点：激光具有下列特点：(1)相干性好，所有发射的光具有相同的相位。(2)单色性好：因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后，其它频率的光受到相消干涉。(3)方向性好：光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过几次反射后被逸散掉。(4)亮度高：激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的辐射亮度比普通光强108 1010倍。2、常用激光材料、常用激光材料 激光工作物质分为固体、液体和气体激光工作物质。(1)激光晶体材料激光晶体材料 激光晶体材料按晶体的组成分类可分为掺杂型激光晶体和自激活激光晶体两类。掺杂型激光晶体掺杂型激光晶体 掺杂型激光晶体由激活离子和基质晶体两部分组成。激活离子激活离子：现有的激活离子主要有四类，分别是过渡族金属离子、三价稀土离子、二价稀土离子和锕系离子，常用的主要为前两类。基质晶体：基质晶体：它们是氧化物和复合氧化物、含氧金属酸化合物及氟化物和复合氟化物三大类。当激活离子成为基质的一种组分时，就形成了所谓的自激自激活晶体。活晶体。(2)激光玻璃激光玻璃激光玻璃与激光晶体一起构成了固体激光材料的两大类，并得到了迅速的发展。激活离子激活离子在激光玻璃中激活离子是以Nd3+离子为代表的三价稀土离子。基质玻璃基质玻璃玻璃中最早的激光输出是由在掺钕、钡的玻璃中实现的。7.1.2 红外材料红外材料 红外材料是指与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相关的一些材料。1、红外辐射材料、红外辐射材料 红外辐射材料可分为热型、“发光”型和热“发光”混合型三类。红外加热技术主要采用热型红外辐射材料。(1)红外辐射材料的辐射特性红外辐射材料的辐射特性 红外辐射材料的辐射特性决定于材料的温度和发射率。根据不同的情况，发射率可分为以下几种：材料本身结构对其发射率的影响材料本身结构对其发射率的影响 一般说金属导电体的值较小，电介质材料的值较高。这往往与材料的晶体结构有关。材料的发射率随辐射波长的变化材料的发射率随辐射波长的变化 多数红外辐射材料其发射红外线的性能，在短波主要与电子在价带至导带间的跃迁有关；在长波段主要与晶格振动有关。晶格振动频率取决于晶体结构、组成晶体的元素的原子量及化学键特性。原材料预处理工艺对发射率的影响原材料预处理工艺对发射率的影响 同一种原材料因预处理工艺不同而有不同的发射率值。经700空气气氛处理与1400煤气气氛处理的氧化钛的常温发射率分别为0.81和0.86。发射率与温度的关系发射率与温度的关系 温度影响材料的发射率。电介质材料的发射率较金属大的多，有些随温度升高而降低，有些随温度的升高而有复杂的变化。发射率受材料表面状态的影响发射率受材料表面状态的影响 一般来说，材料表面愈粗糙，其发射率愈大。红外线在金属表面上的反射性能与红外线波长对表面不平整度的相对大小有关，与金属表面上的化学特征和物理特征无关。材料的体因素对发射率的影响材料的体因素对发射率的影响 材料的体因素包括材料的厚度、填料的粒径和含量等等。对某些材料，如红外线透明材料或半透明的材料，其发射率值还与其体因素有关，原因是红外线能量在传播过程中被材料吸收所致。材料的发射率随工作时间而变化材料的发射率随工作时间而变化 在工作条件下，由于与环境介质发生相互作用或其他物理化学变化，从而引起成分及结构的变化，将使材料的发射率改变。(2)红外辐射红外辐射材料的应用材料的应用红外辐射材料在热能利用方面可用作红外加热、耐火材料等。红外加热与干燥是指利用热辐射所发射出来的红外线，照射到物体上并被吸收后转换成热能，从而达到加热、干燥的目的。高发射率红外辐射涂层属于不定形耐火材料中的一种，一般被涂于加热炉的炉衬耐火砖或耐火纤维毡的表面，也可涂于测温套管、烧嘴砖等表面，将十分有利于热能的利用。在航天领域，航天器用红外辐射涂层是一种高温高发射率涂层，涂在航天器蒙皮表面上作为辐射防热结构。(3)用于用于军事目的军事目的 防红外伪装涂层防红外伪装涂层 红外伪装的最基本原理是降低和消除目标和背景的辐射差别，以降低目标被发现和识别的可能性。红外诱铒器红外诱铒器 红外诱铒器作为对付红外制导导弹的一种对抗手段，正受到重视。选择不同辐射频率的材料做成的红外诱铒器可以模拟各种武器装备的红外辐射特征，更好地发挥红外诱铒假目标的作用。2.透透红外材料红外材料(1)透透红外材料的性质红外材料的性质 透红外材料指的是对红外线透过率高的材料。对透红外材料的要求，红外光谱透过率要高，透过的短波限要低，透过的频带要宽。(2)透透红外材料的种类红外材料的种类 目前实用的光学材料只有二三十种，可以分为晶体、玻璃、透明陶瓷、塑料等。单晶体主要有锗、硅半导体作为红外光学材料。硅在力学性能和抗热冲击性上比锗好得多，温度影响也小，但硅的折射率高，使用时需镀增透膜，以减少反射损失。另一类单晶体是离子晶体-碱或碱土金属卤化物。红外光学玻璃主要有以下几种：硅酸盐玻璃、铝酸盐玻璃、镓酸盐玻璃、硫属化合物玻璃。氧化铝透明陶瓷不只是透过近红外，而且还可以透过可见光。稀有金属氧化物陶瓷是一类耐高温的红外光学材料，其中的代表是氧化钇透明陶瓷。塑料也是红外光学材料，但近红外性能不如其他材料，故多被用于远红外。(3)透红外材料的应用透红外材料的应用 透红外材料是用来制造红外光学仪器透镜、调制盘、整流罩等不可缺少的材料。7.1.3 发光发光材料材料 发光是一种物体把吸收的能量，不经过热的阶段，直接转换为特征辐射的现象。发光材料品种很多，按激发方式或分为：光致发光材料、电致发光材料、阴极射线发光材料、热致发光材料、等离子发光材料。1、材料的发光机理分立中心发光发光材料的发光中心受激后，激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光就叫做分立中心发光。它是单分子过程。复合发光 发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子，一般为正离子和电子，这两种粒子在复合时便发光，即复合发光。2.发光材料的发光特征发光材料的发光特征(1)颜色特征：材料的发光光谱可分为三种类型，宽带(100nm，如CaWO4)；窄带(50nm)；线谱(0.1nm)(2)强度特征：发光强度随激发强度而变，通常我们用发光效率来表征材料的发光本领。发光效率有三种表示方法：量子效率、能量效率及光度效率；(3)持续时间特征：最初发光分为荧光及磷光两种。荧光是指在激发时发光，磷光是指激发停止后发出的光。以时间108s区分这两种光。3.发光材料发光材料(1)光致发光材料光致发光材料用紫外光、可见光及红外光激发发光材料而产生发光的现象称为光致发光，相应的这种材料便被称为光致发光材料。一般可分为荧光材料和磷光材料两种。荧光材料主要是以苯环为基的芳香族化合物和杂环化合物。具有缺陷的某些复杂的无机晶体物质，在光激发时和光激发停止后一定时间内能够发光，这些晶体称为磷光材料。光致发光材料主要用于显示、显像、照明和日常生活中。如洗涤增白剂、荧光涂料等属于荧光材料。而一些灯用荧光粉材料都属于磷光材料。总的来说，磷光材料比荧光材料的应用更为普遍。(2)电致发光材料电致发光材料电致发光材料是指在直流或交流电场作用下，依靠电流和电场的激发使材料发光的现象。电致发光材料是禁带宽度比较大的半导体。在这些半导体内场致发光的微观过程主要是碰撞激发或离化杂质中心。电致发光材料主要用途是制造电致发光显示器件。交流粉末电致发光显示板除了作照明板使用外，主要用作大面积显示。(3)射线致发光材料射线致发光材料射线致发光材料可分为阴极射线致发光材料和放射线致发光材料两种。阴极射线致发光是由电子束轰击发光物质而引起的发光现象。放射线致发光是由高能的射线，或光射线轰击发光物质而引起的发光现象。(4)等离子发光材料等离子发光材料等离子体是高度电离化的多种粒子存在的空间，其中带电粒子有电子、正离子、不带电的粒子有气体原子、分子、受激原子、亚稳原子等。等离子体发光材料的主要应用是制作等离子体发光显示屏，是目前显示技术中很受重视的显示方式之一。等离子体发光显示屏又分为交流驱动及直流驱动两种。其中等离子体具有以下特征：其中等离子体具有以下特征：气体高度电离。极限情况时所有中性粒子都被电离了。具有很大的带电粒子浓度，由于带正电与带负电的粒子浓度接近相等，等离子体具有良好的导体特性。等离子体具有电振荡的特性。在带电粒子穿过等离子体时，能够产生等离子基元，等离子基元的能量是量子化的。等离子体具有加热气体的特性。在高气压收缩等离子体内，气体可被加热到数万度。在稳定情况下，气体放电等离子体中的电场相当弱，并且电子与气体原子进行着频繁的碰撞，因此气体在等离子体中的运动可看作是热运动。除了上述发光材料外，热致发光材料的发现和使用最早，目前常用的材料如钨丝，主要用于白炽灯中，但是随着对光源亮度、发光效率、颜色等各种性能要求的不断提高，钨丝等热致发光材料逐渐为上述几种发光材料所取代。7.2 电电功能材料功能材料7.2.1 半导体材料半导体材料1、半导体的导电机理半导体的导电机理 半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。激发既可以是热激发，也可以是非热激发，通过激发，半导体中产生载流子，从而导电。2.半导体的分类半导体的分类 按成分可分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体又可分为本征半导体和杂质半导体。化合物半导体又可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种半导体。按掺杂原子的价电子数可分为施主型和受主型，前者掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，后者正好相反。按晶态分为结晶、微晶和非晶半导体。此外，还有按半导体能带结构和电子跃迁状态来分类的。3.半导体材料半导体材料 本节我们就晶态半导体，半导体微结构材料，非晶态半导体及半导体陶瓷分别作一下介绍。(1)晶态半导体晶态半导体从原子间键合的观点看，它们往往是共价键合。下面分别介绍元素半导体、化合物半导体和高温半导体。元素半导体元素半导体一般从下列元素中考察元素半导体：C、Si、Ge、-Sn、P、As、Te、I等。但C(石墨)、Bi、As、Sb与其说是半导体，不如称之为半金属，P、S及I称作绝缘体更合适。化合物半导体化合物半导体 由于半导体多成共价键结合，而周期表中A族和A族元素通常结合成为很强的离子型晶体，为具有NaCl型或者CsCl型晶体结构的绝缘体。A族和A族也较多地形成离子性强的NaCl型化合物，而族A族和A族形成的化合物离子性减小。高温半导体高温半导体 目前广泛使用的半导体硅器件，工作温度大多不超过200，因此在高温工作时，产生和耗散的热量无法达到平衡，在半导体器件内产生了不可恢复的破坏。但军事工业、飞机发动机和宇航等产业要求研制可在500600温度范围内工作的电子器件。因此，高温半导体的研究便开始了。(2)半导体微结构材料半导体微结构材料 半导体异质结、超晶格和量子阱材料统称为半导体微结构材料。由两种不同半导体材料所组成的结，称为异质结。两种或两种以上不同材料的薄层周期性地交替生长，构成超晶格。当两个同样的异质结背对背接起来，构成一个量子阱。(3)非晶态半导体非晶态半导体 非晶态半导体根据其结构可分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体。共价键非晶半导体有3种类型：四面体非晶半导体，如Si、SiC等；“链状”非晶半导体，如S、Se、As2S3等；交链网络非晶半导体，它们是由上述两类非晶半导体结合而成的，后丙类都含有S,Se或Te，所以被称为硫系化合物。离子键非晶半导体主要是氧化物玻璃。(4)半导体陶瓷半导体陶瓷 半导体陶瓷是指导电性介于导电陶瓷和绝缘介质陶瓷之间的一类材料，其电阻率介于10-410-7之间。一般是由一种或数种金属氧化物。彩陶瓷制备工艺制成的多晶半导体材料。这种材料的基本特征是具有半导体性质。且多半用于敏感元件，因此也称半导体陶瓷为第三陶瓷。目前实用的半导体陶瓷可分为以下三种：主要利用晶体本身性质：主要利用晶体本身性质：负温度系数热敏电阻、高温热敏电阻、氧化传感器。主要利用晶界和晶粒析出相性质的：主要利用晶界和晶粒析出相性质的：正温度系数热敏电阻、ZnO系压敏电阻。主要利用表面性质的：主要利用表面性质的：各种氧化传感器、温度传感器。7.2.2 超导性和超导材料超导性和超导材料 1911年荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象。后来又陆续发现了一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零，即具有超导现象。物质在超低温下，失去电阻的性质称为超导电性；相应的具有这种性质的物质就称这超导体。超导体在电阻消失前的状态称为常导状态；电阻消失后状态称为超导状态。1.超导体的基本物理性质超导体的基本物理性质(1)零电阻现象零电阻现象超导体的零电阻现象与常导体零电阻在实质上截然不同。常导体的零电阻是指在理想的金属晶体中，由于电子运动畅通无阻，因此没有电阻；而超导体零电阻是指当温度降至某一数值Tc或以下时，其电阻突然变为零。电阻率与温度T的关系见图(2)完全抗磁性完全抗磁性 1933年迈斯纳和奥尔德首次发现了超导体具有完全抗磁性的特点。把锡单晶球超导体在磁场(HHc)中冷却，在达到临界温度Tc以下时，超导体内的磁通线一下子被排斥出去；或者先把超导体冷却至Tc以下，再通以磁场，这时磁通线也被排斥出动；如图所示。即在超导状态下，超导体内磁感应强度B=0.这就是迈斯纳效应。2.超导体的临界参数超导体的临界参数 超导体有三个基本的临界参数，即临界温度Tc，临界Hc、临界电流Ac。(1)临界温度临界温度Tc 超导体从常导态转变为超导态的温度就叫做临界温度，以Tc表示。(2)临界磁场临界磁场Hc使超导态的物质由超导态转变为常导态时所需的最小磁场强度，叫做临界磁场，以Hc。(3)临界电流临界电流Ic 破坏超导电性所需的最小极限电流就是临界电流，以Ic表示。(4)三个临界参数的关系三个临界参数的关系 三个临界值的关系可用图中的曲面表示。在临界面以下的状态为超导态，其余均为常导态3.超导超导机理机理 当前在阐明超导机理的几种理论中，二流体模型是较有说服力的，较为流行的一种。二流体模型认为：超导体处于超导态时，传导电子分为两部分，一部分叫常导电子，另一部分叫超流电子，两种电子占据同一体积，彼此独立运动，在空间上互相渗透；常导电子的导电规律与常规导体一样，受晶格振动而散射，因而产生电阻，对热力学熵有贡献；超流电子处于某种凝聚状态，不受晶格振动而散射，对熵无贡献，其电阻为零，它在晶格中无阻地流动。这两种电子的相对数目与温度有关，TTc时，没有凝聚；T=Tc时，开始凝聚；T=0时，超流电子成分占100%。上面即为二流体模型的理论观点。它很好的解释了超导体在超导状态时零电阻现象。4.超导材料的种类超导材料的种类 按成分分为：元素超导体、合金和化合物超导体，有机高分子超导体三类。按Meissner效应分为：(1)第一类超导体第一类超导体 超导体在磁场中有一同的规律，如图a所示：当HHc 时，B=H，即在超导态内能完全排除外磁场，且只有一个值。除钒、铌、钌外，元素超导体都是第一类超导体。(2)第二类超导体第二类超导体 如图b所示，第二类超导体的特点是：当HHc1时，B=0，排斥外磁场。当Hc1H0而BHc2时，B=H，磁场完全穿透。也就是在超导态和正常态之间有一种混合态存在，Hc有两个值Hc1和Hc2。钒、铌、钌及大多数合金或化合物超导体都是属于第二类导体。5.超导材料的性能超导材料的性能 超导材料的种类很多，大致可分为低温超导体、高温超导体、非晶超导材料、复合超导材料、重费米超导体、有机超导材料。(1)低温超导材料：低温超导材料：这种材料的超导转变温度较低，大约在30K以下。具体又可分为元素超导体、合金超导体、化合物超导体三种。(2)高温超导材料：高温超导材料：这种材料大多具有较高的临界转变温度，超过了77K，可在液氮的温度下工作。它们大多为氧化物陶瓷，首先开发的氧化物超导体是钇系氧化物YBa2Cu3O7-(YBCuO)超导体，随后开发的是鉍系氧化物超导体和铊系氧化物超导体。少数的非氧化物高温超导体主要是C60化合物。(3)非晶超导材料：非晶超导材料：非晶态超导体的研究始于20世纪50年代。非晶超导材料主要包括非晶态简单金属及其合金和非晶态过渡金属及其合金。(4)复合超导材料：复合超导材料：由许多超导线(或带)与良导体复合可得复合超导材料。它的优点是：可承载更大的电流，减少退化效应，增加超导的稳定性，提高机械强度和超导性能。(5)重费米子超导体：重费米子超导体：重费米子超导体是20世纪70年代发现的，这类超导体的比热测量显示其低温电子比热系数非常大，是普通金属的几百甚至几千倍，由此被称为重费米子超导体。(6)有机超导材料：有机超导材料：有机材料与无机材料相比，其最大的优点是质量轻，且十分容易进行分子水平上的剪裁与设计。这些优越条件使得有机超导体具有重要的应用价值。7.超导材料的应用超导材料的应用 在超导材料应用中，一般分为低温超导材料和高温超导材料应用两大方面。(1)低温超导材料的应用低温超导材料的应用 低温超导材料的应用分为：强电应用，主要包括超导在强磁场中的应用和大电流输送；弱电应用，主要包括超导电性在微电子学和精密测量等方面的应用。(2)高温超导体材料的应用与进展高温超导体材料的应用与进展 目前高温超导材料大量应用在磁体、电子器件、电力等方面。但仍有许多材料和技术方面的问题需要解决。在材料方面，主要是要求超导体应有较高的临界温度和临界电流。7.2.3 热电材料热电材料1.热电效应热电效应(1)赛贝克赛贝克(seebeck)效应效应 当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为赛贝克效应，其所形成的电动势，称为赛贝克电动势。(2)珀耳帖珀耳帖(Peltier)效应效应 在赛贝克效应发现后不久，珀耳帖发现赛贝克效应的逆效应，即当两种金属通过两个接点组成一回路并通以电流时，会使得一个接头发热而使另一个接头致冷，这就是珀耳帖效应。由此效应而产生的热称为珀耳帖热，其数值大小既取决于两种材料的性质，也与通过的电流成正比，即QAB=ABI，式中为材料A和B间的相对珀耳帖系数。通常规定，电流由A流向B时有热吸收的，珀耳帖系数为正；反之为负。(3)汤姆逊汤姆逊(Thomson)效应效应 汤姆逊效应是基于赛贝克效应和珀耳帖效应而发现的第三个热电效应。汤姆逊发现，只考虑两个接头处发生的效应是不完全的，还必需同时考虑沿单根金属线由于其两端温度差而产生的时势。2.热电材料及其应用热电材料及其应用 合金热电材料是最重要的热电材料之一，根据赛贝克效应的原理，被广泛地应用在测量温度方面，这便是我们熟知的热电偶。此外，热电效应还被广泛地应用于加热(热泵)、制冷和发电等方面。7.2.4 压电材料1.压电效应与逆压电效应 压电材料是实现机械能与电能相互转变的工作物质。这是一类具有很大潜力的功能材料。当压电材料受到机械应力时，会引起电极化，其极化值与机械应力成正比，其符号则取决于力的方向，这种现象称为正压电效应；反过来，材料在电场作用下，产生一个在数量上与电场强度成正比的应变，这种现象称为逆压电效应。2.压电压电材料及其应用材料及其应用 常用的压电材料有石英(SiO2)、钛酸钡(BaTiO3)、铌酸锂(LiNbO3)等单晶和钙钛矿型的压电陶瓷，这种陶瓷是钛酸钡、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1-x)O3，简写为PZT等的多晶材料，其成分可根据应用的要求进行配料。压电材料的应用很广，首先是利用它的换能特性，即将电能转变为机械能或将机械能转变为电能；其次是压电晶体的谐振特性。压电效应除了利用换能作用外，还有另一类重要的应用，即利用压电晶体的谐振特性。例如石英晶体存在一个固有的谐振频率，当给压电晶体输入一个电信号时，如果电信号的频率与压电晶体的谐振频率相等，压电晶体会产生强的机械振动，这种机械振动又使压电晶体输出强的电信号。由于石英晶体的谐振频率极为稳定，可用以设计制造报时准确的石英电子表。7.2.5 铁电材料铁电材料1.铁电材料的结构和性质铁电材料的结构和性质一般的电介质只有在电场作用下才能电极化，但有一类电介质具有自发极化，而且它的自发极化方向能随电场的作用而转向，这一类电介质称为铁电体。晶体自发极化的性质起源于晶体中原子的有序排列，出现正负电荷的重心沿某一方向发生相对位移，整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负，使晶体自发地出现极化现象。自发极化晶体的极化状态，将随温度的改变而变化，这种性质称为热电性。热电性是所有呈现自发极化的晶体的共性。具有热电性的晶体称为热电体。铁电材料对电信号表现出高介电常数，对温度改变表现出大的热释电响应，在应力或声波作用下，具有强的压电效应和声光效应。在强电场作用下，具有显著的电光效应。另外铁电材料在强光辐射下，电子被激发引起自发极化的变化，从而出现许多新的现象，如光折变效应等。铁电材料具有的这些性质，已为它的应用开辟了广阔的前景。7.3 功能功能转换材料转换材料7.3.1 光电转换材料光电转换材料1.物质由于受到光照而引发其某些电性质变化的这一现象称为光电效应。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。光电导效应 光电效应 光生伏特效应 光电子发射效应-外光电效应(发生于金属中)内光电效应(发生于半导体中)(1)光电导效应光电导效应 物质在受到光照射作用时，电导率发生变体的现象，称为光电导效应。产生这种效应的原因在于材料吸收光子后，其中的载流子浓度发生了改变。(2)光生伏特效应光生伏特效应 如果光照射到半导体的p-n结上，则在p-n结两端会出现电势差，p区为正极，n区为负极。这一电势差可以用高内阻的电压表测量出来，这种效应称为光生伏特效应。利用光生伏特效应原理不仅可以制作探测光信号的光电转换元件，还可以制造光电池-太阳能电池。(3)光电发射效应光电发射效应 当金属或半导体受到照射时，其表面和体内的电子因吸收光子能量而被激发，如果被激发的电子具有足够的能量，足以克服表面势垒而从表面离开，就会产生了光电子发射效应。利用光电发射效应可制成光电发射管。2.光电材料光电材料(1)光光电子发射材料电子发射材料 光电子发射材料又称之为外光电效应材料。当光照射到材料上，光被材料吸收产生发射电子的现象称为光电子发射现象。具有这种现象的材料称为光电子发射材料。光电子发射现象是光电子能量转换的结果。光电子发射材料分为正电子亲和势阴极材料和负电子亲和势热阴极材料两类。利用光电子发射原理，可以把光电子发射材料做成光电子阴极，这种光电子发射阴极通过电场并配以荧光屏成像就可以制成光电转换器微光管，光电倍增管，高灵敏度电视摄像管，图像倍增管等(2)光电导光电导材料材料 受光照射电导急剧上升的现象被称为光电导现象。具有此现象的材料称为光电导材料。积分灵敏度：光电导材料的积分灵敏度是单位光入射能量产生的电导率的附加值的大小。“红限”或长波限：由于光电导不存在明显的长波限，所以规定光电导数值降到最大值一半的波长为长波限“红限”。其代表产生光电导的波长上限。光谱灵敏度：用光谱曲线表示光谱灵敏度。灵敏度表示能够测出该材料光电导的最小光辐射量称为灵敏度。光电导材料分分为三类：光电导材料分分为三类：1)光电导半导体：光电导半导体：包括单体(Ge,Si)，氧化物(ZnO,PbO)，镉化物(CdS,CdSe,CdTe)，铅化物(PbS,PbSe,PbTe)，其它(Sd2S3,InSd)等；2)光电导陶瓷：光电导陶瓷：CdS陶瓷、CdSe陶瓷等都是光电导陶瓷；3)有机高分子光导体：有机高分子光导体：如聚氮乙烯咔唑和2，4，7-三硝基芴酮组成的传荷配合物等属此类；除上面分类方法外，还可按用途分为远红外区光导体，近红外区光导体，可见区光导体，X射线光导体和电子射线光导体等。光电导材料主要是应用光生载流子产生光导效应的原理，它常用作光探测的光敏感器件的材料。如作可见光、红外光的半导体光电导型光敏元件的材料以及半导体光电二极管材料。(3)光电动势光电动势材料材料 光照时p-n结能够吸收光子，由于光激发而使电子和空穴激发。又由于存在内电场，因此受其作用，空穴将向p区移动而积累，电子向n区移动而积累。从而产生了电势。光电池中最活泼的领域是太阳能电池，所用的材料主要有以下几种：硅太阳能电池硅太阳能电池 硅太阳能电池是半导体太阳能电池的一种，可分为单晶硅太阳能电池、多晶太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池 这种电池的优点是质量轻，可制成大面积膜而且还可以弯曲。缺点是工艺复杂，质量不稳定，转换效率也不够高。陶瓷太阳能电池陶瓷太阳能电池 以硫化镉为主，它的优点是制备简单，成本低，缺点是稳定性差。3.电光电光材料材料 具有电光效应的材料称电光材料，按其特征可分为泡克耳斯材料与克尔材料两种。电光材料大部分是晶体，它们最重要的用途是用于制造光调制元件及用于光偏转、可变谐振滤波和电场的测定等方面。电光效应是最重要的应用是作电光快门，电子快门在激光技术中的重要应用是作为激光器的Q开关，在激光通信、激光显示、激光雷达以及高速摄影中，Q开关等都有重要的应用。7.3.2 磁光材料磁光材料1.磁光效应磁光效应 置于磁场中的物体，受磁场影响后其光学特性发生变化的现象称为磁光效应。磁光效应有磁光法拉第效应、磁光克尔效应等。2.磁磁光材料的特点及种类光材料的特点及种类 磁光材料是在可见和红外波段有磁光效应的光信息功能材料，它的选择依赖于用途、所需波长、可利用的磁场以及各种物理性质。磁光材料按其状态可分为磁光晶体材料、磁光玻璃材料和磁光液体材料三种。(1)磁光晶体材料：磁光晶体材料：磁光晶体材料是指在强磁场作用下，光学性质会发生变化的晶体。一类是具有磁致旋光效应的晶体；另一类是具有磁致双折射效应的晶体。(2)磁光玻璃材料磁光玻璃材料：磁光玻璃是具有较强磁光效应的玻璃，由基质玻璃中掺入一定量的稀土旋光离子所制成。(3)磁光液体材料：磁光液体材料：有少数液体具有较为显著的磁致双折射效应，如水、丙酮、氯仿、苯等3.磁光磁光材料的应用材料的应用 具有磁光效应的半导体材料主要是锗、硅、硫化铅、锑化铟及亚锡酸镁等。利用材料的磁光效应可制成许多磁光器件如调制器、隔离器、旋转器、环行器、相移器、锁式开关、Q开关等快速控制激光参数器件，也可用于激光雷达、测距、光通信、激光陀螺、红外探测和激光放大器等系统的光路中。7.3.3 声光材料声光材料 当声波在介质中通过时，由于光弹效应，介质的密度随声波振幅的强弱而产生相应的周期性的疏密变化，它对光的作用犹如条纹光栅。此时光束若以适当角度射入晶体内即产生衍射现象。这种声致光衍射现象称声光效应。具有声光效应的材料叫声光材料。1.声光效应声光效应 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。2.声声光材料种类光材料种类 常用的声光材料有晶体，玻璃和液体三大类。(1)声光晶体声光晶体：指具有声光效应的晶体。除满足光学晶体的一般要求外，声光晶体还应具备品质因素大、声吸收系数低、声速及其对温度的变化小等特点。(2)声光声光玻璃：玻璃：指能产生强的声光互作用的玻璃。其性能要求是具有大的声光互作用品质因素，并有高的光学均匀性和低的光和声损耗。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、音质半导体玻璃(3)液态液态材料：材料：主要是水和一些有机碘化物、有机溴化物3.声光材料应用声光材料应用 早期的声光效应仅用于物理性质的测量。随着激光和超声波技术的发展，声光材料在光电子学方面得到了广泛的应用，主要应用在以下几个方面。声光调制器：改变超声波的强度便可改变经声光材料衍射的衍射光束强度，从而实现对衍射光的强度调制。声光偏转器：改变声波的驱动频率，便可以改变衍射光束的方向，用这一原理可制成高速偏转光束的声光偏转器。声光滤波器：声光衍射原理在许多方面与透射型衍射光栅相似，而声光光栅常数可以用电控改变，完全有可能制成电子调谐分光计。作业：1.什么是红外辐射材料？什么是透红外材料？它们各自有什么特点？2.什么是发光材料？发光机理是什么？3.半导体有几种分类方法，它们大致的分类引起结果是什么？4.超导体有哪些物理性质？有哪些临界参数？它们有什么内在联系？5.什么是光电效应？电光效应？光电材料有哪几种？它们各自的原理是什么，有哪些应用。6.通过能带理进一步了解导体、半导体及绝缘体的结构和导电机理。