第八讲 固体物理学与材料科学(下).pdf

第八讲 固体物理学与材料科学（下）功能材料材料的物理特性随条件变化的规律-有用的功能例如:某些材料吸附特殊气体时电阻减少 开发研究具有优良特性的新材料一漏气报警功能陶瓷陶瓷:多晶体（非单晶）无机非金属材料它和金属材料、高分子材料并列为当代 三大固体材料。信息的获取有赖于传感器，或称敏感 元件。陶瓷敏感元件：光敏陶瓷，热敏陶瓷，磁敏陶瓷，声敏 陶瓷，压敏陶瓷，力敏陶瓷，氧敏陶瓷，湿 敏陶瓷，热敏陶瓷热敏陶瓷是一类电阻率、磁性、介电性 等性质随温度发生明显变化的材料,主要用 于制造温度传感器、线路温度补偿及稳频的 元件一热敏电阻(thermistor)。PTC热敏电阻有两种用途：恒温电热器，PTC热敏电阻通过自身发热 而工作，达到设定温度后，便自动恒温，因此 不需另加控制电路，如用于电热驱蚊器、恒温 电熨斗、暖风机、电暖器等。限流元件，如彩电消磁器、节能灯用电子镇流 器、程控电话保安器、冰箱电机启动器等。气敏陶瓷S11O2系气敏元件对酒精和co特别敏感,广泛用于co报警和工作环境的空气监测 等。a-FezC的化学稳定性好，对甲烷乃至 异丁烷都非常灵敏，对水蒸气和乙醇等却不 灵敏。作家庭用可燃气体报警器固体照明能源问题一开源、节流毁明枝木城市照明是现代化的 重要标志之一。目前 世界上的电能五分之 一用于照明The Drive forEnergy Efficient LightingGraeme ListerKeeping the Lights Burning照明技术就是在可见光光谱范围(380nm780nm)内作为阳光替代品的技术照明要使用多少能源?中国使用的电力约L65万亿度/2002,L91万亿度/2003,2.19万亿度/2004。其中照明用电约26千亿 度。2020年我国的电力需求为4.6万亿千瓦时，其中年照 明用电量约占总发电量的15%,为525千亿度三峡装机容量980万千瓦，一年不停机，可发电0.86千 亿度。曜明我木的发屐油灯(1780)化学供能的宽带辐射，效率很低 白炽灯(1879)电加热的宽带辐射，效率低 荧光灯(1936)电激励的气体窄带发射，效率高固体照明(2020?)电激励的固体窄带发射(SSL)SSL-LEDs;SSL-OLEDs固体照明-电激励的固体窄带发射半导体灯原理:电激励使电子跃迁到导带，电子返回价带的 辐射光子-发光白炽灯:电能先转化为热能，热激励使电子跃迁到 高能带，电子返回低能带辐射光子-发光荧光灯:冷光源，是由电能先激励汞蒸汽,汞蒸汽 放电产生的紫外线激发荧光粉发光（寿命短，因此成本较高）固态照明-照明技术的革命!LED仅使用传统照明1/10的电力LED是目前照明灯具10倍以上的寿命（10年）白光LED目前已商品化Forbes,Sept.99:u(LEDs).an invention that will kill off the lightbulb./9A reverse Plaza Accord i Putting the bang|Mitsubishi Motors i Golf teacher forfor the yen/dollar I into Bang&Olulsen|alms for a comeback|top executives各国和地区政府计划日本“21世纪光计划”美国“国家半导体照明研究计划”估计工0年后 相关产业将达500亿美元欧盟“彩虹计划”韩国“GaN半导体开发计划”我国台湾地区“次世代照明光源开发计划”“国彖半导体照明工程”2003年6月启动科技部、信息产业部等8个部门和16家地方政府参与；15家研究机构和50多家企业。LED白光照明三种方法产生白光照明与日光灯的白光合成原理类似，也可用不同颜色的半导体发光合成白光三基色白光光源4 4紫外LED激 发白光光源兰光LED激发 白光光源LED白光照明 I红、绿、蓝三色LED合成白光优点不需要磷粉进行光转 换，发光效率较高；非常好的彩色重现性缺点成本局Red+Green Blue LEDs.RGB LEDs白光LED材料半导体发光(EL)材料GaN,ZnO,SiC.衬底材料A12O39 ZnO,SiC晶格失配率:衬底材料+发光材料现在:A1,O.+GaN灯具LED车灯在上海大众途朗、安徽奇瑞瑞虎 等7个新车型上使用功率型LED制造的上海 通用别克君威概念车灯,正在进行跑车试验有机电致发光显示器（OELD）高分子发光二极管的结构示意图行机电致发光有两种材料小分子（分子量小于3000）高分子（分子量大于10000）柔性（软屏）像塑料一样又薄又软的 显示器指日可待。21世纪的新材料-纳米材料新材料-新生产力金属材料-机械工业高分子材料-塑料工业 I半导体材料-电子工业，计算机产业 纳米材料-?工业青铜时代铁器时代半导体时代?纳米时代什么是纳米材料尺寸大小为1-100纳米范围Nano-meter1 nm=10-9m1纳米二亿分之一米细菌200-600nm病毒几十nm原子0.1-0.3nm研究的新层次宏观：人眼所见的最小物体一无限大微观：原子、分子一无限小之间为介观介观：亚微米，纳米，团簇纳米材料的分类纳米微粒纳米固体跨世纪的新科技八十年代末诞生1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议IBM首席科学家预言：“正如50年代微电 子技术产生了信息革命一样，纳米科学 技术将成为下一世纪信息时代的核心。”纳米材料的奇异特性纳米微粒*纳米磁性微粒-同样成份，磁性大大增强 例：铁粉，增大1000倍例：生物体中的磁性纳米微粒*熔点大大降低例：银块,熔点900 C纳米银粉，熔点100 C*纳米金属微粒在低温下成为绝缘体*纳米硅微粒可发光例：日本佳能公司，1990年，46nm硅微 粒，可发红光-红外光*纳米微粒对光作用有开关作用例：英国科学家发现，某种复杂分子颗粒,大小约4nm,对光作用有开关特性-光子计算机的可能基础纳米固体*纳米陶瓷的超塑性纳米口。2陶瓷，可拉伸100%纳米四方氧化错陶瓷，可拉伸800%*纳米隐身材料-在特定电磁波段有强烈 的吸收纳米AI2O3,FC2O3,等在中红外波段有强烈的 吸收*巨磁电阻效应-在磁场中电阻有巨大变化（减小），十 倍以上纳米Fe/Cu,Fe/Al等多层膜有巨磁电阻效 应-可应用于磁存储，微弱磁场探测，等等主要效应纳米材粒的奇异特性主要源于:*小尺寸效应*表面与界面效应*量子尺寸效应*宏观量子隧道效应*介电限域效应小尺寸效应微粒尺寸可比于光波波长透射深度相干长度，等物理特征尺寸时，光、电、磁等物理特性出现新的特点 起因：固体的周期性边界条件被破坏*纳米硅微粒发光：颗粒大小为6nm-发红外光（波长约800nm）颗粒大小为4nm发红光（波长小于800nm）发光随尺寸减小向短波方向移动*纳米材料吸收电磁波改变颗粒尺寸控制吸收频率制造特定频率的微波吸收材料原因：等离子共振频率随颗粒尺寸改变表面与界面效应*纳米微粒的表面效应比表面积:所有微粒表面积之和与其重量之比-纳米微粒有大的比表面积纳米微粒：10nm90m2/g,2nm450m2/g表面粒子活性高一 纳米粉体活性高*纳米微粒催化剂纳米Ni作有机物氢化催化剂，比普通Ni催化剂效率高十倍*自洁玻璃:玻璃+纳米口。2涂层-催化碳氢化合物的进一步氧化*汽车尾气净化剂-纳米Fe、Ni与r-Fe2O3混合轻烧结后可 代替贵金属纳米固体的界面效应界面所占体积百分数巨大如：品粒尺寸5nm,50%对性能影响举足轻重量子尺寸效应微粒（品粒）尺寸下降到某一值之下费米能级附近的电子能级由准连续变为离散电子运动被限制在小范围产生许多新的奇异的物理特性*硒化镉：发光二极管的发光材料-实验：颗粒尺寸减小，发光“蓝移”（红一 绿一蓝）-原因：尺寸减小一 能级间隔加宽一 发光频率升高-发光二极管颜色可调*金属的宽频带吸收-纳米金，反射率小于10%-变黑*纳米硅：不发光一发光广阔的应用前景*纳米陶瓷*纳米管和纳米丝*纳米颗粒膜*纳米器件纳米陶瓷*纳米YAG透明陶瓷-可代替单晶作激光材料*陶瓷增韧纳米管和纳米丝。60*纳米碳管-天梯*一维神化钱纳米丝1998年中国十大科技成果之一足球烯碳纳米管纳米颗粒膜纳米微粒+薄膜基体*磁性纳米微粒+薄膜基体一 磁性纳米微 粒为纪录单元 高密度磁记录*金纳米膜 对红外光强吸收一 热-红 外传感器*高亮度投影电视屏幕纳米粒子布料近日，在美国康奈尔大学举办的一场时装展上，研究学者们向 外界展出了这种具金属色泽的外 套和裙子。首次使用纳米粒子布料心/T/以巴日日八八声旦1工/|、阻 过100量微米（1量微来为十亿分Z 一米）的纳米橄粒，微粒直径只相 当于布料厚度的千分之一。通过静电作用将金属离子镶入 棉料。利用金属微粒设计出空气 净化系统，例如，银具有天然抗菌功能，远比头发直径还小的纳 酒髅*幽总在服饰上并纳米微粒还会防止大颗微粒粘附在衣物表面，因此这种“神奇 外套”无须经常清洗。纳米器件*单电子晶体管（纳米二氧化钛和纳米硅）-以单电子隧道效应为基础*纳米硒化镉发光二极管*微小磁场探测器*超导量子相干器件纳米收音机美国加州大学伯克利分校成功研制出迄今为止世界上 最小的收音机：它由单一的、尺寸仅为头发丝直径万 分之一的碳纳米管构成，人们加上电池和耳机就能用 它收听到广播节目。在纳米收音机中，碳纳米管 集天线、调谐器、放大器和解调器于一身；为探测到广播的无线电信号，碳纳米管被置于真空管中，并钩挂在电池负极上。无线电信号经过后，其产生的电 场将不断“推”和“拉”纳米 管，也就是碳纳米管随无线 电信号发生共振，利用这种共振现象可以探测到无线电信号O谢谢!