电功能材料课程论文.doc

西南大学研究生课程考试答 卷 纸 考试科目 纳米材料学 院、所、中心 00000000000000000 专业或专业领域 00000000000000 研究方向 纳米材料 级 别 学 年 第一学年 学 期 第一学期 姓 名 888 学 号 000000000000000 类 别 工程硕士 （全日制博士 全日制硕士 教育硕士 高师硕士工程硕士 农推硕士 兽医硕士 进修) 课 程 类 别 必修课课程考试方式 课程论文题号得分教 师 评 价一二三四五六七八九十总分任课教师签名：备注：成绩评定以百分制或等级制评分，每份试卷均应标明课程类别（必修课选修课同等学力补修课）与考核方式（闭卷笔试口试开卷笔试课程论文）。课程论文应给出评语。纳米科技在电功能材料方面的应用摘要：本文重点介绍了电功能材料的分类以及运用纳米技术对超导材料、导电高分子材料、半导体材料以及压电材料的改造，大大提高了其相关性能等。介绍了纳米技术在电功能材料上的工程价值以及所产生的意义关键词：电功能材料；纳米技术；超导材料；导电高分子；半导材料；压电材料Subject:This paper introduces the classification of electric functional materials and the application of nanotechnology in superconducting materials, conductive polymer materials, semiconductor materials and piezoelectric material transformation, and it greatly improves the performance. Nanotechnology has great engineering value in electric functional materials.Key words:Electric functional materials; nanotechnology; superconducting material; conductive polymer; semiconductor materials; piezoelectric material1 电功能材料的分类:电功能材料包括导电材料、介电材料、压电材料、光电材料和热电材料等。导电材料又包括导体材料、半导体材料、超导材料。导电材料有金属材料(如银、铜)、合金材料(如镍铬合金)、无机非金属材料(如石墨)、导电高分子材料(如聚苯胺、聚乙炔)。超导材料有元素超导体(如Rh、W、Mo、Nb等)、合金和化合物超导体(如钡亿氧铜、NiTi等)、有机高分子超导体(如聚氮化硫)。介电材料又叫电介质，是具有电极化特征的材料，材料在电场作用下对外表现出极化强度，极化强度越大，材料的介电常数越大。介电常数是反映材料贮存电荷能力大小的一个参数。如制作电容器的材料就属于这一类。例如BaTio：、Ta，Oj、聚乙烯等。压电材料是指具有压电效应的材料。压电效应是指没有对称中心的材料受到机械应力作用处于应变状态时，材料内部会引起电极化的现象。利用压电材料可以制成各种传感器、扬声器、超声探测仪等。例如铁酸钡陶瓷、聚偏二氟乙烯等。光电材料是受光照射后，电导率急剧上升的一种材料。例如CdS陶瓷、ZnU、PbO、聚从乙烯基昧陛(PNVC)在一定条件下都能表现出光导电性，它们可以用于太阳能利用、静电复印等领域。制造热电产生器或热电致冷器的材料称为热电材料,是一种将电能与热能交互转变的材料。本篇文章主要介绍了纳米技术对超导材料、导电高分子材料、半导体材料以及压电材料改造后，其性能的提高与改进。2超导材料:材料在一定条件下，电阻消失为零的状态称为超导态。此时磁力线不能进入超导态材料内部，导体呈完全抗磁性。超导材料从正常的电阻态过渡到超导态(零电阻态)的转变称为正常超导转变，转变时的温度Tc称为超导体的临界温度。显然Tc越高，超导体才越具有应用价值。除温度外，足够强的磁场也能破坏超导态。从超导态转变为正常态的最小磁场Hc(T)叫做该温度下超导体的临界磁场。如果施加磁场给正处于超导态的超导体，当磁场大于Hc(T)时，会破坏超导态，使电阻恢复正常。也就是说，磁场的存在可以使临界温度Tc降低，磁场越大，临界温度Tc也越低。表1给出了一些超导材料的临界温度(Tc)一些超导材料的临界温度Tc值材料Tc/K材料Tc/KMo体心立方0920Nb2A11880AI面心立方1174Nb3Ge2320Nb体心立方9260YBa2Cu4O880Nb-25Ti9.800RBa2Cu3O790Nb-25Zr11.0R为T、La、Nb、Sn等。零电阻和完全抗磁性是超导现象的基本特征和第二特征。根据在磁场中的不问特征，超导体可分为第一类超导体和第二类超导体两种。一般除了Nd和V外的纯金属均属于第一类超导体，Nd、V以及多数金属合金和化合物超导体、氧化物超导体为第二类超导体。郭芳芳等人的研究，“纳米SiC掺杂对微波合成MgB2超导体显微结构与超导电性的影响”，揭示了纳米SiC的掺杂很大程度提高了材料的超导电性。图l是纳米SiC掺杂量不同的MgB2。Si垅C垅的XRD图谱(MgB：的特征峰已经用晶面符号标注)。可以看出，所有样品均含有MgB：以及MgO，掺杂样品中有Mg：Si出现，且其含量随戈的增加而增加，但是并未发现C的衍射峰。随着菇的增加，MgB：的衍射峰有向高角度偏移的趋势，其中以(200)衍射峰最为为明显。据衍射峰的位移计算样品的晶胞参数和c，结果如图2所示。未掺杂样品内(戈=o00)的晶胞参数o=030859nlTl，C=035263nm，这比标准卡(PDFNo381369)上的值。=03083nm，c=03521nm稍微偏大一些。可以发现，随着戈的增大，晶胞参数n、c都逐渐减小，其中。降幅明显且呈现线性降低的趋势；未掺杂样品的口=030859nm。而当筇=010时n=030752nm。说明晶格中B原子的位置被更小半径的原子如si或c取代。掺杂量从x=0变化到菇=01，晶格参数n总变化量为00107A，而传统真空加热法制备的纳米SiC掺杂样品E51在相同条件下。的变化总量为00050a。微波法得到的样品，其晶格参数的变化量是传统方法得到的样品的2倍，这可能是由于微波加热从内向外，整体加热的特点使得更多的纳米粒子进入B位发生替代，在晶体内引起更多的位错，这些掺杂的第二相粒子和由于掺杂引起的位错都可以作为有效的钉扎中心，从而有效提高材料的超导电性。3 导电高分子材料:高分子材料绝大多数是电介质，即绝缘材料。l971年日本筑波大学白川英树制成了聚乙炔的正、反两种异构体。1977年白川英树和美国的MacDiamid等人发现用或As掺杂聚乙炔，可以将聚乙炔的电导率从Scm提高到Scm，从此聚合物一直作为绝缘材料的禁锢被打破，白川英树等三人也因此获得2000年度诺贝尔化学奖。导电高分子材料包括结构型导电高分子材料和复合型导电高分子材料。结构型导电高分子材料以共扼高聚物居多，共扼高聚物主要包括聚乙炔、聚苯乙炔、聚对苯类、聚苯胺、聚毗咯等。它们的导电机理是：由于共扼高分子链中有离域的”电子，只要在无阻共扼的条件下，这些共扼高聚物在电场作用下就会表现出半导电特性。由于共扼高聚物的禁带宽度类似于半导体材料，因此通过适当的掺杂可以提高其电导率，而且掺杂后的电导率增加几个甚至十几个数量级。可供掺杂的共扼高聚物如前述，掺杂剂的种类也很多，如电子受体掺杂剂有、As、HF、HCl等，电子给体掺杂剂有K、Na、Li等。复合型导电高分子材料比结构型导电高分子材料具有更广泛的应用前景。它是以高分子材料为基体与各种导电填料均匀分散、复合、层叠复合而成。按高分子基体不同可分为导电橡胶、导电塑料、导电涂料、导电粘接剂等。导电高分子材料和纳米技术的结合，在催化、光学器件、药物转移、微电子等方面有着巨大的潜在应用。中空的纳米、微米、导电高分子材料可以作为极小的容器在封装过程（蛋白质、酶、DNAs）的保护等方面。另外，还可以用作填料、颜料、涂料等，中空结构的低密度也使他们优于其他固体物质。这些纳米结构化的材料不仅具有导电高分子自身的特点，同时也兼具纳米材料的特殊性质，使其在许多方面发挥着其他材料不可替代的作用。例如，中空的导电高分子（聚吡咯）纳米管内包入生物酶可以用作反应器和生物传感器。这是利用了聚吡咯的生物兼容性、导电性和纳米管的空腔、大的比表面积和薄膜的透过性等。再如导电高分子纳米线阵列经组装可以成为很有效的微驱动器，是以导电高分子在掺杂和去掺杂时体积的变化为驱动力。4 半导体材料：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电阻率在10（U-3）10（U-9）欧姆/厘米范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。（1） 元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50年代，锗在半导体中占主导地位，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种增导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。（2） 化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。（3） 无定形半导体材料用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。（4） 有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。5 压电材料：浙江大学赵新兵教授首次报道了采用水热法合成了Bi2Te3化合物纳米管和纳米囊(直径为100nm),将其加入到n型Bi2Te3热电材料中形成纳米复合材料,相比传统区熔法制得的材料,电导率得到了明显的提高(如图1(a)所示),同时热导率明显降低(200e下仅为0.3W/(m#K),如图1(b)所示),ZT值达到了1.0以上,超过了Tritt等报道的商业化热电器件最高的ZT值(如图1(c)。该成果得到了2004年第23届国际热电学术会议(ICT)与会各国学者的高度评价,为高性能热电材料的研究开拓了新途径和新方向。5 结束语 纳米技术对于提高电功能材料方面的性能有着广阔的前景，尤其是当代计算机的使用和对材料的要求之高以及在智能材料上电功能材料都起着极其重要的作用。但是目前改进后的某些性能有些不稳定，需要科研工作者的进一步研究。参考文献:1索辉,向思清,阮圣平,张彤,徐宝琨,王立军.纳米技术在提高热电材料性能上的应用现状及发展趋势J.微细加工技术,2010,(02)2物理学报第38卷1989年J.物理学报,1989,(12)3刘技文,李娟,赵燕平,李延辉,李昌龄,许京军.SiC纳米晶薄膜的制备及发光性质研究J.光电子.激光,2005,(03)4秦勇，李宗全.纳米晶PdSi薄膜析出相的TEM研究J.电子显微学报,19