第五章(功能转换材料).ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章功能转换材料,Chapter 5 Functional conversion materials,主要内容：,压电材料,热释电材料,光电材料,电光材料,磁光材料,热电材料,声光材料,第一节压电材料,1880年，P.居里和J.居里兄弟发现,：当对,石英晶体在某些特定方向上加力时，在垂直于作用力的平面上出现正、负束缚电荷，即发生电极化。由此发现材料的压电性。,一、压电效应,1、正压电效应,当外加应力T作用于某些单晶或多晶介电体并使它们发生应变S时，介电体内的正负电荷中心会产生相对位移，并在某两个相对的表面产生异号束缚电荷。这种由应力作用使材料发生电极化(即带电)或电极化的变化的现象称为正压电效应。,2、逆压电效应,与正压电效应产生的过程相反，当对这类介电体施加外电场并使其中的正负电荷中心产生位移时，该介电体要随之发生变形。这种由电场作用使材料产生形变的现象称为逆压电效应。,第五章功能转换材料,5.1 压电材料,X,Y,T,1,T,1,T,2,T,2,石英晶体切片的正压电效应,第五章功能转换材料,5.1 压电材料,压电效应的机理：,+,+,+,(a),晶体不受外力作用：,正负电荷的重心重合,晶体的总电矩为零,晶体表面的电荷为零,晶体受压缩力或拉伸力作用：,正负电荷的重心不重合,晶体表面产生异号束缚电荷,出现压电效应,+,+,+,+,+,+,(c),+,+,+,+,+,+,(b),第五章功能转换材料,5.1 压电材料,二、压电材料的主要特性,1.弹性模量,压电体是弹性体，服从虎克定律。电学条件不同，弹性模量不同。,（1）短路弹性模量,在外电路的电阻很小，即相当于短路条件下，测得的弹性模量。,（2）开路弹性模量,在外电路的电阻很大，即相当于开路条件下，测得的弹性模量。,2.压电常数,反映压电材料中的力学量和电学量之间的耦合关系，表示产生压电效应的大小。,p,i,d,ijk,jk,(,i,j,k,=1,2,3,),式中，,p,i,为压电材料单位面积上的极化电荷；,jk,为应力；,d,ijk即压电常数。,第五章功能转换材料,5.1 压电材料,3.介电常数,介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）。,当压电材料的电行为用电场强度和电位移作变量来描述时，有：,例如：,对于压电陶瓷片，其介电常数,为：,Cd/A,式中，C电容(F)；d电极距离(m)；A电极面积(m,2,)。,4.机电耦合系数,综合反映压电体的机械能与电能之间的耦合关系。,K,无量纲，数值越大，压电耦合效应越强。,（逆压电效应）,（正压电效应）,第五章功能转换材料,5.1 压电材料,2.压电半导体,晶体结构：,闪锌矿或纤锌矿结构。,特点：,K,值大，并兼有光电导性。,应用：,换能器。,水声换能器：,通过发射声波或接受声波(分别对应于正、逆压电效应),来完成水下观察、通讯和探测工作。,典型材料：,-族化合物：CdS、CdSe、ZnO、ZnS、ZnTe、CdTe。,-族化合物：GaAs、GaSb、InAs、InSb、AlN。,3.压电陶瓷,（1）钛酸钡,(BaTiO,3,),陶瓷,第一个被发现可以制成陶瓷的铁电体。室温下呈四方结构，120,C,时转变为立方晶相，铁电性消失。,（2）锆钛酸铅,（Pb(Zr、Ti)O,3,，,PZT,）,PbTiO,3,与PbZrO,3,形成的固溶体，钙钛矿结构，应用广泛。,组成锆钛酸铅的PbTiO,3,、PbZrO,3,也是常用的陶瓷压电材料。,第五章功能转换材料,5.1 压电材料,闪锌矿晶体结构模型,纤锌矿晶体结构模型,第五章功能转换材料,5.1 压电材料,四、压电材料的应用,1、微声技术应用,水声发射和接受装置,“声纳”。,1916年朗之万利用石英晶体制造出“声纳”，用于探测水中物体，至今仍在海军中有重要应用。,2、超声技术应用,超声清洗、超声乳化、超声焊接、超声粉碎等装置上的机电换能器。,利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强度超声波，并以此作为动力的应用。,3、机械能电能转换技术应用,压电点火器、引燃引爆装置、压电开关等。,利用压电材料的正压电效应，将机械能转换成电能，从而产生高电压。,4、信息技术应用,压电材料最主要的应用领域。,第五章功能转换材料,5.1 压电材料,应用类型,代表性器件,信号发生,电信号发生,压电振荡器,声信号发生,送受话器，拾音器，扬声器，蜂鸣器，水声换能器，超声换能器,信号发射与接收,声纳，超声测声器，超声探测仪，超声厚度计，拾音器，扬声器，,传声器,信号处理,滤波器，鉴频器，放大器，衰减器，延迟线，混频器，卷积器，光,调制器，光偏转器，光开关，光倍频器，光混频器,信号存储与显示,铁电存储器(FRAM，DRAM)，光铁电存储显示器，光折变全息存储器,信号检测,与控制,传感器,微音器，应变仪，声纳，压电陀螺，压电加速度表，位移器，压电,机械手，助听器，振动器,探测器,红外探测器，高温计，计数器，防盗报警器，湿敏探测器，气敏探,测器,计测与控制,压电加速度表，压电陀螺，微位移器，压力计，流量计，流速计，,风速计，声速计,高压弱流电源,压电打火机，压电引信，压电变压器，压电电源,压电材料在信息技术及其他技术中的主要应用,第五章功能转换材料,5.1 压电材料,压电材料的研究近况：,弛豫型铁电单晶：,铌镁酸铅钛酸铅：(1-,x,)Pb(Mg,1/3,Nb,2/3,)O,3,x,PbTiO,3,，,PMN-PT,。,铌锌酸铅钛酸铅：(1-,x,)Pb(Zn,1/3,Nb,2/3,)O,3,x,PbTiO,3,，,PZN-PT,。,弛豫型铁电体具有很高的介电常数和较大的电致伸缩系数。,1996年和1997年，Park和Shrout报道了利用熔盐法生长PZN-PT单晶的技术工艺和晶体各种切向晶片的介电、压电和电致伸缩特性，发现当切向为(001)时，晶体具有最佳的性能。,例如，组分为0.92PZN-0.08PT的晶体，当按(010)切向时，压电性能：,d,33,2500pCN,-1,，为锆钛酸铅(PZT)材料的3,6倍；,K,33,0.94，为现有压电材料中最高的。,世界著名杂志Science的评论：,这类铁电单晶将是新一代超声换能器和高性能微位移和微驱动器的理想材料。,我国也在研制PMN-PT、PZN-PT弛豫铁电单晶，取得重要进展。,第五章功能转换材料,5.1 压电材料,第二节热释电材料,一、热释电效应热释电效应是晶体因温度变化而引起电极化的变化，即晶体表面产生等量异号电荷的现象。,热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系：,P,s,p,T,式中，,P,s,自发极化强度；,p,热释电系数；,T,温度。,热释电效应产生的前提条件,晶体具有自发极化现象，即在晶体结构的某些方向存在固有电矩。,热释电材料与压电材料的比较,压电晶体不一定有热释电效应，,但热释电晶体一定有压电效应。,铁电体都具有热释电效应,铁电体：,一类具有自发极化，且这种自发极化可以在外电场作用下改变方向的电介质。,第五章功能转换材料,5.2 热释电材料,铁电材料的极化特性曲线,电介质,压电体,热释电体,铁电体,电介质、压电体、热释电体和铁电体的关系,第五章功能转换材料,5.2 热释电材料,二、热释电材料的主要特性,1.热释电系数,热释电系数表示热释电材料受到热辐射后产生自发极化强度随温度变,化的大小。,p,越大越好。,2.优值指数,优值指数是热释电材料应用于探测器方面的重要参数。,电流响应优值,F,i,热释电材料单位体积的热容。,F,i,=p/,常用热释电材料的 约为2.510,6,Jm,-3,K,-1,。,第五章功能转换材料,5.2 热释电材料,电压响应优值,F,v,热释电材料的介电常数。,探测优值,F,d,tan,热释电材料的电学损耗因子。,3.吸热流量,代表单位时间吸热的多少。,一般要求热释电材料具有大的吸热流量。,4.,居里点或矫顽场,热释电材料有一大类是铁电体，要求有大的矫顽场或高的居里点。,F,=p/,F,d,p/,(tan,第五章功能转换材料,5.2 热释电材料,三、热释电材料,材料,p,(10,-4,Cm,-2,K,-1,),r,(1kHz),tan,(1kHz),(,10,6,J,m,-3,K,-1,),F,v,(,m,2,C,-1,),F,d,(,10,-5,Pa,-1/2,),TGS(35,C),DTGS(40,C),ATGSAs(25,C),ATGSP(25,C),LiTaO,3,SBN-50,PZ-FN陶瓷,PT陶瓷,PVDF,5.5,5.5,7.0,6.2,2.3,5.5,3.8,3.8,0.27,55,43,32,31,47,100,290,220,12,0.025,0.020,0.01,0.01,0.005,0.003,0.003,0.011,0.015,2.6,2.4,3.2,2.34,2.5,2.5,2.43,0.43,0.60,0.99,0.98,0.17,0.07,0.06,0.08,0.10,6.1,8.3,16.6,16.8,4.9,7.2,5.8,3.3,0.88,一些代表性热释电材料的性能,注：,SBN-50,是,Sr,0.5,Ba,0.5,NbO,6,；,PZ-FN,陶瓷是改性的,PbZrO,3,-PbFe,1/3,Nb,2/3,O,3,；PT,陶瓷是改性的,PbTiO,3,。,第五章功能转换材料,5.2 热释电材料,1.热释电晶体,特点：,p,值高，性能稳定。,自发极化在外电场作用下不发生转向。,典型材料：,电气石、CaS、CaSe、Li,2,SO,4,H,2,O、ZnO等。,2.铁电晶体,特点：,p,值高，性能稳定。,自发极化在外电场作用下会改变方向。,典型材料,：,（1）硫酸三甘肽,(TGS),及其改性材料,硫酸三甘肽,(TGS),、氘化的TGS,(DTGS),、掺丙氨酸并以砷酸根取代部分硫酸根的TGS,(ATGSAs),和掺丙氨酸并以磷酸根取代部分硫酸根的TGS,(ATGSP),。,（2）含氧金属酸化物,LiTaO,3LiNiO,3,、PbTiO,3,、Pb(Zr、Ti)O,3,、BaTiO,3,等。,第五章功能转换材料,5.2 热释电材料,3.热释电陶瓷,特点：,制备容易，成本低，同时具有良好的热释电性能。,典型材料：,（1）钛酸铅(PbTiO,3,)陶瓷,居里温度高，,p,值随温度变化很小，是一种较好的红外探测器材料。,（2）锆钛酸铅(PZT)陶瓷,用量很大，性能优良。,添加Bi,2,O,3,的Pb,0.96,Bi,0.04,Zr,0.92,Ti,0.08,O,3,陶瓷在室温附近具有较大的,p,值。,（3）锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷,居里点高，在常温下使用不退化，热释电性能良好。,4.有机高聚物晶体典型材料：,聚偏二氟乙烯(PVDF)。,特点：,易于制得大面积的薄膜(6,m以下)，且工序少，成本低。,p,值较小，电压响应优值较高，介电损耗大，探测优值低。,第五章功能转换材料,5.2 热释电材料,四、热释电材料的应用,1、热释电探测器,重要应用：,制作室温红外探测器与列阵。,原理：,当热释电元件受到调制辐射加热后，晶片温度将发生微小变,化，由此引起晶体极化状态的改变，从而使垂直于自发极化轴,方向的晶体单位表面上的电荷(即,P,s,值)发生改变。,应用领域：,防火、防盗、医疗、遥测及军事等方面。,2、红外成像系统,重要应用：,“夜视”装置。,原理：,物体在黑暗环境中随其温度的变化会发射具有不同强度和波长,的红外线。红外摄像机能够接收到来自物体不同部位的不同强度和波,长的红外线，从而产生不同强度的电信号，最后被还原成可视图像。,第五章功能转换材料,5.2 热释电材料,(a)热释电红外成像焦平面的局部放大，第一像素的面积为19,m16m；,(b)用热释电红外成像系统摄取的红外光图像。,第五章功能转换材料,5.2 热释电材料,第三节光电材料,一、光电导材料,光电导材料是指具有光电导效应的材料，又称内光电效应材料、光敏,材料。光电导材料是制造光电导探测器的重要材料。,光电导材料的主要特性,1.,积分灵敏度,S,光电导材料的积分灵敏度代表了光电导产生的灵敏度，即单位光入射,通量产生的电导率变化的大小：,电导率；,光入射通量。,积分灵敏度代表了光电导产生的灵敏度。,第五章功能转换材料,5.3 光电材料,2.“红限”或长波限,产生光电导的波长上限。,并非任何波长的光照射在某种材料上时都会导致其电导率的变化，只有当入射光子的能量（与波长或频率有关）足够大时，才能把材料价带中的电子激发到导带，从而产生光生载流子。,3.光谱灵敏度,又称光谱响应度，用,-,曲线表示，它反映光电导材料对不同波长的光的响应。,4.灵敏阈,能够测出光电导材料产生光电导的最小光辐射量。,0.8,1.2,1.6,2.0,10,100,相对灵敏度，%,波长，,m,锗的本征光电导的光谱分布,第五章功能转换材料,5.3 光电材料,光电导材料,1.,光电导半导体,（,1,）单晶体：,Ge,、,Si,（,2,）氧化物：,ZnO,、,PbO,（,3,）镉化物：,CdS,、,CdSe,，,CdTe,（,4,）铅化物：,PbS,、,PbSe,、,PbTe,（,5,）其他半导体化合物：,Sb,2,S,3,、,InSb,2.,光电导陶瓷,CdS,陶瓷、,CdSe,陶瓷等。,3.,有机高分子光导体,聚氮乙烯基咔唑与,2,4,7-,三硝基芴酮组成的传荷络合物。,光电导材料的应用,光电导材料的应用基于光生载流子产生光电导效应，常用来作光敏器件：,如光电二极管、光敏三极管、光电导探测器等。,第五章功能转换材料,5.3 光电材料,二、光电动势材料,光电动势材料是能够产生光生伏特效应的材料，主要指光电池材料。,光电池的主要特性,1.,开路电压,V,0,开路电压,V,0,表示的是光电池在开路时的电压，也就是光电池的最大输,出电压。,2.,短路电流,I,0,短路电流,I,0,表示的是光电池在外电路短路时的电流，也就是光电池的,最大电流。,第五章功能转换材料,5.3 光电材料,3.转换效率,表示的是光生电动势转换效率的参数，是光电池的最大输出功率与入射到光电池结面上的辐射功率之比：,式中，,I,光电流；,E,光电动势；,光入射通量；,S,相关灵敏度。,与禁带宽度有关，当,E,g,=0.91.5eV时，,可获得最高值。温度、掺杂浓度及分布以及光强度等对,也有影响。,4.光谱响应曲线,光谱响应曲线是表示,V,0,、,I,0,、,的关系曲线，反映了光电池的几个重要参量与入射光波长的关系。,第五章功能转换材料,5.3 光电材料,半导体禁带宽度(eV),转换效率(%),转换效率与禁带宽度的关系曲线,第五章功能转换材料,5.3 光电材料,光电池材料,光电池中最活跃的领域是太阳能电池。,太阳能电池是一种利用光伏效应将太阳能转化为电能的光电转换器件。,1.,硅太阳能电池材料,（,1,）单晶硅太阳能电池材料,优点：,E,g,(,约,1.1eV),大小适宜，转换效率高,(,可达,18%),，反射损失,小，易掺杂。,缺点：,价格昂贵，使用寿命不长。,（,2,）多晶硅太阳能电池材料,优点：,制备工艺简单，易获得大尺寸材料。,缺点：,均匀性不易控制，转换效率低,(,约为,2,8%),。,对多晶硅进行表面改性，在其表面形成理想的织构来增强其对光的吸,收，可以将多晶硅电池的转换效率提高至,13.4%,。,第五章功能转换材料,5.3 光电材料,（3）非晶硅太阳能电池材料,优点：,制备工艺简单，对杂质的敏感性小，可制成大尺寸。,缺点：,转换效率不高(,约在10%左右)，性能不够稳定。,将非晶硅与晶体硅相结合，制备成非晶硅/晶体硅异质结构，能够有,效提高其转换效率（转换效率可达20.7%）。,2.化合物半导体薄膜太阳能电池材料,特点：,光电转化效率高、转换效率提高空间大。,耗材少。,化合物电池对阳光吸收系数大，适合制作薄膜电池。,品种多，应用广泛。,抗辐射性好。,适用于空间飞行器电源等特殊应用。,材料,光电转化效率,CuIn(Ga)Se,2,18.8%,CdTe,16%,InGaP/GaAs,30.28%,第五章功能转换材料,5.3 光电材料,3.陶瓷太阳能电池材料,优点：,制备简单，成本低。,缺点：,稳定性差。,典型材料：,CdS,陶瓷。,4.金属氧化物半导体(MOS)太阳能电池材料,优点：,转换效率高,，,可达20%。,缺点：,制备工艺复杂。,光电动势材料的应用前景,太阳每年射向地表的能量达,60,亿亿度，一万倍于全世界的能耗，但密,度低，仅有（,1kW/m,2,），且受自然影响大。,目前光电转换材料效率较低，太阳能电池仍只局限于单晶硅材料和薄,膜材料、非晶硅材料等几种，因此有待于进一步的发展。,今后的发展方向是寻求基于新的转换机理的材料。如美国近年来报道,的一种新型材料，效率高达,60%,，具有极好的应用前景。,第五章功能转换材料,5.3 光电材料,第四节电光材料,一、电光效应,电光效应是指在外加电场的作用下，介质的折射率发生变化的现象。,电光效应的类型,介质的折射率与外加电场,E,之间的关系：,n,n,0,+,aE,+,bE,2,+,式中，,n,0,介质在,E,0,时的折射率；,a,，,b,常数。,1.,一级电光效应（泡克耳斯,(,Pockels,),效应）,泡克耳斯效应是指由一次项,aE,引起的介质折射率变化的现象，即介,质折射率的变化与外电场强度成正比：,n,n,n,0,aE,2.,二级电光效应（克尔,(Kerr),效应）,克尔效应是指由二次项,bE,2,引起的介质折射率变化的现象，即介质折,射率的变化与外电场强度的二次方成正比：,n,n,n,0,bE,2,第五章功能转换材料,5.4 电光材料,入射光,异常光(e光),正常光(0光),V,P,压电晶体,电极,电极,波克耳斯效应,入射光,异常光(e光),正常光(0光),V,P,各向同性物质,电极,电极,克尔效应,电光效应的机理,介质在外电场作用下产生电极化，使其介电常数发生变化的结果。,由电学知识，,n,2,/,0,，因,变化导致,n,的变化，从而出现电光效应。,第五章功能转换材料,5.4 电光材料,二、电光材料的种类,电光材料的基本要求,品质因子,品质因子表征电光材料的有效电光效应的大小。,品质因子大，电光材料则具有大的电光系数和高的折射率。,光学均匀性,用材料的消光比来衡量器件光学均匀性。,消光比：,电光器件关断时剩余透过率与打开时最高透过率之比值。,好的电光开关器件要求消光比达,80dB,以上。,第五章功能转换材料,5.4 电光材料,透明波段,电光晶体要求对所用光波透明。,为避免双光子吸收，材料应具有低的短波吸收限。,吸收常与过渡金属元素杂质以及晶体中的散射颗粒有关。,温度稳定性,折射率的温度变化(特别是双折射率的温度变化)会造成器件性能的,极大变化。,易于获得大尺寸单晶,获得高光学质量的大尺寸单晶是对材料的重要要求。,第五章功能转换材料,5.4 电光材料,电光材料的种类,1.,磷酸二氢钾,(KH,2,PO,4,，,KDP),型晶体,特点：,光学均匀性好；,在,0.19,2.58,m,波段范围内透过率高达,95%,以上；,易获得大尺寸晶体。,缺点：,易潮解,典型晶体：,KH,2,PO,4,(KDP),、,NH,4,H,2,PO,4,(ADP),、,KH,2,AsO,4,(KDA),。,2.,钙钛矿,ABO,3,型晶体,特点：,具有较强的电光效应；,具有良好的机械性质；,不吸潮。,缺点：,不易获得大尺寸单晶；,光损伤阈值低。,典型晶体：,LiNbO,3,(LN),、,LiTaO,3,(LT),、,K(Ta,Nb)O,3,(KTN),、,BaTiO,3,(BT),、,KTaO,3,(KT),。,第五章功能转换材料,5.4 电光材料,3.闪锌矿AB型晶体,典型晶体：,ZnS、CdS、GaAs、CuCl。,特点：,具有较强的电光效应；,兼有压电和半导体性质；,如ZnS、CdS、GaAs。,透过波长范围宽。,如CuCl的透过波长范围为0.420.5,m。,缺点：,难以获得高质量的大尺寸单晶。,4.钨青铜型晶体,特点：,光损伤阈值高。,缺点：,难以生长优质单晶。,典型晶体：,Sr,0.75,Ba,0.25,Nb,2,O,6,(SBN),、K,3,Li,2,Nb,5,O,15,(KLN),、,Ba,2,NaNb,5,O,15,(BNN),。,第五章功能转换材料,5.4 电光材料,三、电光材料的应用,电光调制器,当在电光晶体上施加交变调制信号电压时，由于电光效应，晶体的折射率随调制电压,(,即信号,),而交替变化。此时，若有光波通过晶体，则原来不带信号的光波则含有了调制信号的信息。,如果是强度受到调制，称为电光强度调制器；如果是位相受到调制，称为电光位相调制器。,电光偏转器,电光偏转器是利用晶体的电光效应使激光束实现偏转的电光器件。,电光偏转器根据施加电压形式不同而造成的偏转方式的不同，分为数字偏转器和连续偏转器，前者使激光束在特定的间隔位置上离散，后者使光束传播方向产生连续偏转而形成光束光点在空间按预定要求连续移动。,第五章功能转换材料,5.4 电光材料,电光快门,从光源发出的自然光通过起偏片变成纵向振动的平面偏振光，如果电光晶体没有受外电场的作用，这束偏振光通过晶体时将不发生振动方向的偏转，即仍是纵,向振动的平面偏振光。但检偏片只允许水平振动的偏振光通过，纵向振动的偏振光不能通过，因而此时没有光输出，相当于快门关闭。如果在电光晶体上施加一个电压，由于电光效应使光的振动方向发生偏转，于是开始有光输出。随着施加电压大小的改变，光输出的大小也在变化。当所加电压调到某一电压值使光振动方向偏转到水平方向时，光输出达到最大，相当于快门全部打开。这个电压称为半波电压。,起偏片,检偏片,电光晶体,电光快门工作原理,第五章功能转换材料,5.4 电光材料,第五节磁光材料,磁光材料是指在磁场作用下，入射光经过材料时会发生某些性质(如旋光性、折射性、偏振性等)的变化的材料。,一、磁光效应,光与磁场中的物质，或光与具有自发磁化特性的物质之间相互作用所产生的各种现象统称为磁光效应。,1.法拉第效应,法拉第1846年发现，当平面偏振光(直线偏振光),通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，即,呈现旋光性。此现象称磁光法拉第效应，又称磁致,旋光效应。,法拉第偏转角,：,偏振光面的偏转角，与带磁物,体的长度,l,、磁感应强度,B,有如下关系：,V,l,B,式中，,V,维尔德(Verdet)常数，与物质有关。,9.7,磁光法拉第效应,第五章功能转换材料,5.5 磁光材料,2.克尔效应,克尔发现，照射到强磁性介质表面上的直,线偏振光在反射时，其偏振面会随磁场强度,变化而发生偏转，即呈现旋光性，这一现象,称为磁光克尔效应。,法拉第效应和克尔效应的比较：,法拉第效应是透射光呈旋进性，克尔,效应是反射光呈旋进性。,前者适用于有较好穿透性的物质，后,者则只能用于入射光不能穿透的物质上。,9.8,磁光克尔效应,99,法拉第效应与克尔效应的比较,第五章功能转换材料,5.5 磁光材料,3.科顿蒙顿效应,在强磁场作用下，一些各向同性的透明磁介,质会呈现双折射现象，即在与入射光垂直的方,向上加上外磁场，则该磁介质中的一束入射光,会变成两束出射光正常光(0光)和异常光,(e光)，这种现象称为科顿蒙顿效应，又称,磁致双折射效应。,科顿蒙顿效应所产生的双折射率与磁场强,度,H,的平方成正比，即：,n,n,e,n,0,K,H,2,式中，,K,科顿蒙顿常数,科顿蒙顿效应仅在少数纯液体(如硝基苯)中表现得较明显，而在一般,固体中则不明显。,9.10,科顿蒙顿效应,第五章功能转换材料,5.5 磁光材料,二、磁光材料的种类磁光晶体,1.,稀土石榴石,分子式：,RE,3,Fe,5,O,12,。,晶体结构：,体心立方晶系。,典型材料：,钇,铁石榴石,(Y,3,Fe,5,O,12,，,YIG,),。,YIG,具有法拉第旋转角,较大、对近中红外波段透明、物化性能优良,等特点。,在,YIG,晶体中以,Bi,3+,或,Pr,3+,替代稀土,(Y),的位置，能显著增加,角。,2.,钆镓石榴石,分子式：,Gd,3,Ga,5,O,12,，,GGG,。,GGG,不仅是一种重要的磁光晶体，同时还具有激光、超低温磁致冷性,质，并可作人造宝石。,第五章功能转换材料,5.5 磁光材料,3.磁光单晶膜,实用的磁光单晶膜是在GGG衬底上外延生长的石榴石型铁氧体单晶膜，,具有很大的法拉第旋转角。,典型磁光单晶膜：,在GGG衬底上外延生长的Y,3,Fe,5,O,12,(YIG)、Bi,3,Fe,5,O,12,、Gd,0.2,Y,2.8,Fe,5,O,12,、,(BiGd),3,Fe,5,O,12,、(YLa),3,Fe,5,O,12,等。,磁光单晶膜是制造小型紧固的光隔离器、磁光存储器和磁光显示器的,重要材料。,4.其他磁光晶体,正尖晶石晶体结构的铁磁性硫属化合物CdCr,2,S,4,、CoCrS,4,：,适宜制作1,10,m红外波段的磁光器件。,只能用于液氮温度以下，应用上受限。,氟化铕(EuF,2,)晶体：,对可见光透明，是较好的可见光磁光晶体。,稀释的磁性半导体Cd,1-,x,Mn,x,Te：,具有很大的维尔德常数。,第五章功能转换材料,5.5 磁光材料,磁光玻璃,优点：,成本低，易于获得尺寸大、形状不同的器件。,缺点：,磁光系数较低，对可见光损耗大。,典型材料：,重原子铅的氧化物玻璃：,在可见光和近红外有低的吸收系数，其法拉,第效应品质因子较高，是可见光和近红外波段重要的磁致旋光材料。,砷的三硫化物玻璃：,具有半导体特性，可见光波段吸收系数大，但在,红外波段则有高的品质因子，是红外波段重要的磁致旋光材料。,重原子铽的硼酸盐和磷酸盐玻璃,稀土和过渡金属的非晶态金属玻璃薄膜,(,磁光型存储介质,),液体材料,特点：,主要呈现科顿蒙顿效应,典型材料：,水、丙酮、氯仿、苯。,第五章功能转换材料,5.5 磁光材料,三、磁光材料的应用,磁光材料应用最多的是利用其法拉第旋转，在激光系统中用作快速光开,关、调制器、循环器、隔离器等，也是磁光存储介质的重要材料。,现今磁光材料应用最实际、最广泛的是制作光隔离器和磁光光盘。,光隔离器的工作原理：,激光束通过起偏镜成为直线偏振光，经磁光晶体后偏振面旋转一角度(如,45,)，则可通过与其偏振方向相同的检偏镜P,2,。若此光被反射回来，则再,次通过P,2,和磁光晶体后，又一次旋转45,，两次共旋转90,，因此不可能通,过P,1,，从而达到将反射光与激光器隔离开的目的。,激光束,磁光晶体,反射,P,1,P,2,光隔离器原理图,第五章功能转换材料,5.5 磁光材料,第六节热电材料,热电材料是将热转变为电的功能转换材料，这种热电之间的转变基于,热电材料中出现的热电效应、热电导效应等。,一、热电效应与热电材料,热电效应,在用不同导体构成的闭合电路中，若使其结合部出现温度差，则在此闭,合电路中将有热电流流过，或产生热电势，这种现象称为热电效应。,1.,塞贝克效应,1812,年塞贝克发现，由,a,、,b,两种导体构成电路开路时，,如果接点,1,、,2,分别保持在不同的温度,T,1,(,低温,),、,T,2,(,高温,),下，则回路内将产生电动势,(,热电势,),，这种现象称为塞贝克效应。其热电势,V,正比于接点温度,T,1,和,T,2,之差：,V,a,(,T,),T,(,T,T,2,T,1,),式中，,a,(,T,),塞贝克系数。,塞贝克效应,第五章功能转换材料,5.6 热电材料,2.珀尔帖效应,1834年珀尔帖发现，在热电回路中，与塞贝克效应相反，,当通电时，在回路中则会在接点1处产生热量W，而在接点,2处吸收热量W,，产生的热量正比于流过回路的电流：,W,ab,I,式中，,ab,珀尔帖系数，大小取决于两种导体的种类和环,境温度。,珀尔帖效应实质上是塞贝克效应的逆效应，且塞贝克系,数与珀尔帖系数有如下关系：,ab,a,(,T,),T,3.汤姆逊效应,1856年汤姆逊发现，在由一种导体构成的回路中，如果,存在温度梯度,T,/,x,，,则当通过电流,I,时，导体中也将出现,可逆的热效应，即产生热的现象，此即汤姆逊效应，其热,效应由下式决定：,Q,/,x,(,T,),I,(,T,/,x,),t,式中，,(,T,),汤姆逊系数，,t,通电流的时间。,珀尔帖效应,汤姆逊效应,第五章功能转换材料,5.6 热电材料,热电材料的种类及应用,热电材料是指利用其热电效应的材料，有金属及半导体两大类：,金属热电材料：,利用塞贝克效应制作热电偶的重要材料。,半导体热电材料：,利用塞贝克效应、珀尔帖效应及汤姆逊效应制作热能,转变为电能的转换器以及反之用电能来作加热器和制冷器的重要材料。,1.,金属及合金热电材料,铜康铜,(60%Cu,，,40%Ni),：适于,200,400,C,。,镍铬,(90%Ni,，,10%Cr),镍铝,(95%Ni,，,5%Al),：适于,0,1000,C,。,铂,(Pt),铂铑,(13%Rh,，,87%Pt),：适于,0,1500,C,。,金,(Au),金铁,(0.03%Fe,，,99.7%Au),：适于,10K,使用。,2.,半导体热电材料,Bi,2,Te,3,：使用温度,200,C,左右。,PbTe,(,包括,GeTe,、,AsSbTe,2,、,SnTe,),：使用温度,500,C,左右。,FeSi,2,、,GeSi,：使用温度,1000,C,左右使用。,半导体热电材料的重要应用：,半导体温差发电装置。,第五章功能转换材料,5.6 热电材料,二、热电导效应与热电导材料,热电导效应,当温度升高时，材料的电导率发生变化的现象称为热电导效应。,1.,热电导材料的主要特性,电导率温度系数,式中，,电导率温度系数；,电导率。,电阻率温度系数,式中，,电阻率温度系数；,电阻率。,与,的关系,：,第五章功能转换材料,5.6 热电材料,耗散系数,式中，,P,热电导材料中功率耗散的变化量；,T,t,热电导材料的温度；,T,0,周围介质的温度。,的,物理意义：,热电导材料中功率耗散的变化量与其温度变化量之比。,耗散系数表征热电导材料与周围媒介进行热交换的能力。,功率灵敏度,式中，,电阻率温度系数；,C,材料的热容。,的物理意义：,降低热电导材料的电阻率的1/100所需的功(率)值。,灵敏阈值,可测出电阻变化的最小(热值)功，其数量级在10,9,W左右。,第五章功能转换材料,5.6 热电材料,热电导材料的种类及应用,热电导材料最重要的应用是制造热敏电阻，因此又称热敏材料或温敏材,料。热电导材料是重要的传感器材料。,1.,正温度系数,(PTC),热敏电阻材料,PTC,Positive Temperature Coefficient,典型材料：,掺杂,BaTiO,3,陶瓷,特点：,BaTiO,3,的,PTC,效应与其铁电性相关，其电阻率突变与居里温度,T,c,相对,应。,单晶,BaTiO,3,不具有,PTC,效应。仅晶粒充分半导化、晶界具有适当绝缘,性的,BaTiO,3,陶瓷才具有,PTC,效应。,第五章功能转换材料,5.6 热电材料,改性措施：,加入Nb,2,O,5,，可获得高电导率的N型半导体。,加入SrCO,3,使,T,c,向低温移动，加入Pb使,T,c,向高温移动。,添加SiO,2,、Al,2,O,3,、TiO,2,形成玻璃相，容纳有害杂质，促进半导化，,抑制晶粒长大。,添加MnO,2,提高电阻率和电阻温度系数。,添加Sb,2,O,3,或Bi,2,O,3,细化晶粒。,添加Li,2,CO,3,加大PTC温区内的电阻率变化范围。,加入Ca可控制晶粒生长，提高电阻率。,应用：,温度控制、液面控制、彩色电视消磁、马达起动器、等温发热体等。,第五章功能转换材料,5.6 热电材料,2.负温度系数(NTC)热敏电阻材料,典型材料：,尖晶石型过渡金属氧化物半导体陶瓷,MnO-CoO-O,2,系陶瓷,含锰量,23,60%,，主晶相是立方尖晶石,MnCo,2,O,4,和四方尖晶石,CoMn,2,O,4,，,主要导电相是,MnCo,2,O,4,。这一系列陶瓷的热敏电阻常数和电阻温度系数,比,MnO-CuO-O,2,和,MnO-NiO-O,2,系高。,MnO-CuO-O,2,系陶瓷,含锰量60,90%，主晶相和导电相是,CuMn2,O,4,。该系陶瓷的电阻值范,围较宽，温度系数较稳定，但电导率对成分偏离敏感，重复性差。,MnO-NiO-O,2,系陶瓷,主晶相是NiMn,2,O,4,，电导率和热敏电阻常数值较窄，但电导率稳定。,应用：,通讯及线路中的温度补偿、控温和测温传感器等。,第五章功能转换材料,5.6 热电材料,3、临界温度电阻(CTR)材料,临界温度电阻：电阻在某特定温度范围内急剧变化。,典型材料：,以V,2,O,5,为基础的半导体陶瓷材料,常用MgO、CaO、SrO、BaO、B,2,O,3,、P,2,O,5,、SiO,2,、GeO,2,、NiO、WO,3,、MoO,3,或La,2,O,3,等掺杂来改善性能。通过对V,2,O,5,的适当处理，可制得四价V,4+,离子,存在的VO,2,陶瓷。,特点：,VO,2,基陶瓷在67,C左右电阻率突变，降低3,4个数量级。,VO,2,的CTR特性同相变有关。,在67,C以上，VO,2,为四方晶系的金红石结构，在67,C以下，晶格发生,畸变，转变为单斜结构，使原处于金红石结构中氧八面体中心的V,4+,离子,的晶体场发生变化，导致V,4+,的3d层产生分裂，导电性突变。,应用：,具有开关特性，用于温度控制、火灾报警和过热保护等。,第五章功能转换材料,5.6 热电材料,第七节声光材料,一、声光效应,声波作用于某些物质之后，使该物质的光学性质发生改变的现象。,声光效应的机理,在各种声波中，超声波引起的声光效应尤为显著。超声波是机械波，,当作用在物质上时，能够引起物质密度的周期性疏密变化，即在物质内,形成密度疏密波,(,起光栅作用,),，从而导致其折射率发生周期性改变。当,光通过这种超声波光栅时就会发生折射和衍射，产生声光交互作用。,声光交互作用可以控制光束的方向、强度和位相。利用声光效应能制成,各种类型的器件，如偏转器、调制器和滤波器等。,第五章功能转换材料,5.7 声光材料,声光效应的类型,1,、拉曼,-,纳斯衍射,当超声波频率较低（,20MHz,），声,光交互作用长度较短，光束与超声波波,面平行时，产生拉曼,-,纳斯声光衍射。,2,、布拉格衍射,当超声波频率较高（,20MHz,），声,光交互作用长度较大，光波从与超声波,波面成布拉格角,B,的方向射入，以同样,的角度反射时，产生布拉格衍射,。,拉曼-纳斯衍射,布拉格衍射,第五章功能转换材料,5.7 声光材料,二、声光材料的种类,1.,声光玻璃,典型材料：,熔融石英玻璃、,Te,玻璃、重火石玻璃、,As,12,Se,55,Ge,33,、,As,2,S,3,、,As,2,Se,3,。,优点：,易于生产，可获得形状各异的大尺寸块体；,退火后，光学均匀性好、光损耗小、易于加工、价格低。,缺点：,在可见光区，难以获得折射率大于,2.1,的透明玻璃；,玻璃的弹光系数小。,应用：,声频低于,100MHz,的声光器件。,第五章功能转换材料,5.7 声光材料,2.,声光晶体,钼酸铅,(PbMoO,4,，,PM,),晶体,特点：,具有高的声光优值，通光波段宽,(0.42,5.5,m),，声损耗系数小。,制备方法：,提拉法、水热法或凝胶法生长。其中提拉法应用最多。,应用：,制作声频,500MHz,以下的声光调制器和声光偏转器。,二氧化碲,(TeO,2,),晶体,特点：,具有大的旋光性和折射率。,制备方法：,提拉法或坩埚下降法。,应用：,大带宽、高分辨率的各向异性声光偏转器和可调声光滤波器。,第五章功能转换材料,5.7 声光材料,硅酸铋,(Bi,12,SiO,20,，,BSO,),晶体,特点：,透光波段