光电功能材料及应用重点(草稿).ppt

1 2 1导电材料 导电材料的分类 电子导电材料 起源于电子的运动离子导电材料 起源于离子的运动 电导率 2 3 2 1导电材料 能带理论 在孤立原子中 原子核外的电子具有分立的能量值 或者说电子的能量只能允许有一系列离散的值 电子的 也即原子的 能量被量子化 每一个能量取值叫做一个能级 能级 4 2 1导电材料 允许带 允带 允许被电子占据的能带称为允许带 原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满 然后再占据能量更高的外面一层的允许带 满带 被电子占满的允许带称为满带 空带 每一个能级上都没有电子的能带称为空带 5 2 1导电材料 导带 价带以上能量最低的允许带称为导带 价带 原子中最外层的电子称为价电子 与价电子能级相对应的能带称为价带 禁带 允许带之间的范围是不允许电子占据的 此范围称为禁带 6 1 1 2离子导电材料 无机非金属导电机制 电子导电 载流子是电子或电子空穴 离子导电 载流子是离子或离子空位 离子电导机理 离子晶体的导电机理本征导电杂质导电玻璃的导电机理 7 导电高分子材料 结构型导电高分子 复合型导电高分子 超导高分子材料 导电高分子是指电导率在半导体和导体范围内的高分子材料 也是指其本身或经过 掺杂 后具有导电性的一类高分子材料 导电高分子材料与金属相比 具有重量轻 易成型 电阻率可调节等诸多优点 早已引起人们的普遍关注 目前 复合型导电高分子材料已经在很多领域发挥重要作用 1 1 2导电高分子材料 8 各原子间的相互作用 原来孤立原子的能级发生分裂 若有N个原子组成一体 对于原来孤立原子 的一个能级 就分裂成N条靠得很近的能级 能带的宽度记作 E E eV的量级 若N 1023 则能带中两相邻能级的间距 称为能带 energyband 约为10 23eV 能带理论回顾 9 导电机理 半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中 跃迁电子可在导带中自由运动 传导电子的负电荷 同时 在满价带中留下空穴 空穴带正电荷 在价带中空穴可以按照电子运动相反的方向运动而传导正电荷 因此 半导体的导电来源于电子和空穴的运动 电子和空穴都是导电的载流子 激发既可以是热激发 也可以是半导体中非热激发 通过激发 半导体产生载流子 从而导电 10 半导体种类 按成分 元素半导体 本征 掺杂 化合物半导体 合金 化合物 陶瓷 有机高分子 本征半导体 10 9 掺杂半导体 n p 10 9 按杂质含量 二 杂质 impurity 半导体 1 n型半导体 又称n型半导体 量子力学表明 这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处 ED 10 2eV 极易形成电子导电 本征半导体Si Ge等的四个价电子 与另四 个原子形成共价结合 当掺入少量五价的杂质 元素 如P As等 时 就形成了电子型半导体 2 p型半导体 四价的本征半导体Si e等掺入少量三价的杂质元素 如 Ga In等 时 就形成空穴型半导体 又称p型半导体 量子力学表明 这种掺杂后多余的空穴能级在禁带中紧靠满带处 EA 10 1eV 极易产生空穴导电 13 氮化镓GaN第一代电子材料 Si Ge第二代电子材料 III V族化合物GaAs GaP InP第三代电子材料 SiC BN GaN AlN ZnSe 金刚石等宽带半导体 物理特性纤锌矿结构 六方 能隙3 4eV 用途蓝色与紫外LEDLD p n结 一 p n结的形成 在n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的 面附近产生了一个内建 阻止电子和空穴进一步扩散 电子和空穴的扩散 在p型和n型半导体交界 p型半导体 补偿作用 受主杂质 电 场 该区就成为 n型 p型 内建场大到一定程度 不再有净电荷的流动 达到了新的平衡 在p型和n型交界面附近形成的这种特殊结构称为p n结 阻挡层 耗尽层 其厚度约为0 1 m p n结 16 某些物质当冷却到临界温度以下时 同时产生零电阻率和排斥磁场的能力 这种现象被称为超导电性 该类材料称为超导体或超导材料 电力设备采用该类材料后 可以具有传统设备根本无法达到的技术及经济效益 有利于设备的小型化 轻量化及高效化 能抑制大电网的短路电流 可解决远距离 大容量输电的稳定性问题 能提高高密度输电的可靠性等等 超导定义 一 超导特性 1 完全导电性临界温度TC 是物质常数 同一种材料在相同条件下 TC有严格的确定值 汞的电阻与温度关系 Hg的同位素效应 2 完全抗磁性 反磁性 在超导态下 超导体内没有磁力线通过 磁场强度恒为零 这种现象称为超导体的完全抗磁性 或称迈斯纳效应 此时电流只通过导体表面 三 超导体的临界条件 1 临界温度TC 2 临界磁场强度HC 3 临界电流密度JC在无外磁场条件下使超导体通电 当电流密度超过一定值后 超导体失去超导电性而恢复正常态 破坏超导态的最小电流密度称为临界电流密度JC 20 常见的非线性光学现象 光学整流E2项的存在将引起介质的恒定极化项 产生恒定的极化电荷和相应的电势差 电势差与光强成正比而与频率无关 类似于交流电经整流管整流后得到直流电压 p E E2 E3 P x 1 E x 2 E2 x 3 E3 21 常见的非线性光学现象 产生高次谐波弱光进入介质后频率保持不变 强光进入介质后 由于介质的非线性效应 除原来的频率 外 还将出现2 3 等的高次谐波 1961年美国的P A 弗兰肯和他的同事们首次在实验上观察到二次谐波 他们把红宝石激光器发出的3千瓦红色 6943埃 激光脉冲聚焦到石英晶片上 观察到了波长为3471 5埃的紫外二次谐波 若把一块铌酸钡钠晶体放在1瓦 1 06微米波长的激光器腔内 可得到连续的1瓦二次谐波激光 波长为5323埃 非线性介质的这种倍频效应在激光技术中有重要应用 22 常见的非线性光学现象 光学混频当两束频率为 1和 2 1 2 的激光同时射入介质时 如果只考虑极化强度P的二次项 将产生频率为 1 2的和频项和频率为 1 2的差频项 利用光学混频效应可制作光学参量振荡器 这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源 可发射从红外到紫外的相干辐射 23 常见的非线性光学现象 受激拉曼散射普通光源产生的拉曼散射是自发拉曼散射 散射光是不相干的 当入射光采用很强的激光时 由于激光辐射与物质分子的强烈作用 使散射过程具有受激辐射的性质 称受激拉曼散射 所产生的拉曼散射光具有很高的相干性 其强度也比自发拉曼散射光强得多 利用受激拉曼散射可获得多种新波长的相干辐射 并为深入研究强光与物质相互作用的规律提供手段 24 常见的非线性光学现象 自聚焦介质在强光作用下折射率将随光强的增加而增大 激光束的强度具有高斯分布 光强在中轴处最大 并向外围递减 于是激光束的轴线附近有较大的折射率 像凸透镜一样光束将向轴线自动会聚 直到光束达到一细丝极限 直径约5 10 6米 并可在这细丝范围内产生全反射 犹如光在光学纤维内传播一样 与自聚焦同样原理的另一种现象叫自散焦 25 常见的非线性光学现象 光致透明弱光下介质的吸收系数 见光的吸收 与光强无关 但对很强的激光 介质的吸收系数与光强有依赖关系 某些本来不透明的介质在强光作用下吸收系数会变为零 26 2 1有机非线性光学材料 有机二阶非线性光学分子设计和合成有机二阶NLO分子的设计原则作为有机二阶NLO材料设计 制备的基础 有机二阶NLO分子的设计 合成研究显得尤为重要 有机化合物的NLO效应是由于非局域的 电子受激发所致 所以有机NLO分子都是强极性的 共轭体系 分子设计原则如下 1 分子不具有对称中心 2 分子具有 共轭的电子体系 3 分子内存在电荷转移 4 透明性和光学非线性性能 激光 英文名 LASER LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 受激辐射的光放大 镭射 莱塞 中文名 1964年按照我国著名科学家钱学森建议将 光受激发射 改称 激光 最快的刀 最准的尺 最亮的光 奇异的激光 小学五年级语文课文 b 受激吸收处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下 吸收一个光子 跃迁到高能级态 宏观表现 光被吸收 a 自发辐射处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态 并同时向外辐射出一个光子 宏观表现 发光 c 受激辐射处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下 跃迁到低能级态 并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子 宏观表现 光被放大 自发辐射与受激辐射的区别 原子的自发辐射过程完全是一种随机过程 各发光原子的发光过程各自独立 互不关联 即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方 另外位相 偏振状态也各不相同 由于激发能级有一个宽度 所以发射光的频率也不是单一的 而有一个范围 受激辐射时 原子可发出与诱发光子全同的光子 不仅频率 能量 相同 而且发射方向 偏振方向以及光波的相位都完全一样 图4粒子数的分布 a 正常分布 b 反转分布 粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时 受激辐射总是大于受激吸收 因而产生了光的放大信号 实验证明 许多物质给予一定激励后 能实现这种反转分布 它为激光的产生提供了基础 3 粒子数反转要想使受激辐射占优势或者说占主导地位 就必须使N2 N1 如果借助于外界的激励 破坏粒子的热平衡分布 就可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1 由于它同正常分布相反 所以叫粒子数反转分布 见图4 三能级系统 三个能级E1 E2 E3中 E2是亚稳态能级 外界激发作用 使得粒子从E1跃迁到E3 处于E3能级的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2 但E2是亚稳态 寿命较长约10 3s 允许粒子久留 随着E1上的粒子不断被跃迁到E3 又很快转移到E2 既然E2允许粒子久留 那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很小 于是粒子就在E2上积聚起来 从而实现E2与E1两能级间的粒子数的反转 该系统能对诱发光子能量h E2 E1的光进行放大 2 激光物质是三能级或四能级结构 二激光的产生 1 激光器的构成 激光器通常由三部分构成 1 工作物质 2 激励源 3 谐振腔 1 工作物质 是激光器中借以发射激光的物质 是激光器的核心 红宝石激光器的工作物质是含铬离子 Cr3 的红宝石 激光是由其中铬离子的2E能级到4A2能级的跃迁发射的 2 激励源 为了将工作物质中处于基态的粒子激发到激发态能级 以获得粒子数反转 就需要激励源供给能量 这也是激光器中不可缺少的一部分 不同的激光器有不同的激励源 红宝石激光器中的激励源是脉冲氙灯 3 谐振腔 激光器两端各有一反射镜 构成一谐振腔 其中一块为全反射 另一块为部分反射 激光从这一端输出 3 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 单色性纯 因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后 其他频率的光受到了相消干涉 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高108 1010倍 35 发散角小 激光器发射的激光 天生就是朝一个方向射出 光束的发散角极小 大约为0 001rad 接近平行 1962年 人类第一次用激光照射月球 地球距离月球的距离大约为38万公里 但激光在月球表面的光斑不到两公里 1 方向性好 激光的特点及应用 36 应用 激光测距 激光的特点及应用 37 亮度高 由于激光的发射能力强和能量的高度集中 所以亮度很高 它比普通光源高亿万倍 比太阳表面的亮度高几百亿倍 亮度是衡量一个光源质量的重要指标 若将中等强度的激光束经过会聚 可在焦点出产生几千到几万度的高温 1 方向性好 激光的特点及应用 激光能量在时间和空间上高度集中 能在极小区域产生几百万度的高温 激光加工 激光手术 激光武器等就利用了高亮度的特点 激光切割 激光的特点及应用 39 应用 激光打孔 激光的特点及应用 40 应用 激光核聚变 激光的特点及应用 41 单色性好 光的颜色由光的不同波长决定 不同的颜色 是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来 激光的波长基本一致 谱线宽度很窄 颜色很纯 单色性很好 由于这个特性 激光传递信息的容量大 实现光通信 2 单色性好 激光的特点及应用 计量工作的标准光源 激光通讯等利用了单色性好的特点 光缆 激光的特点及应用 43 相干性是所有波的共性 但由于各种光波的品质不同 导致它们的相干性也有高低之分 普通光是自发辐射光 不会产生干涉现象 激光不同于普通光源 它是受激辐射光 具有极强的相干性 所以称为相干光 相干条件 CoherentCondition 振动方向相同 振动频率相同 相位相同或相位差保持恒定那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象 3 相干性好 激光的特点及应用 激光具有很好的相干性 普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米 激光可达几十公里 全息照相 全息存储等就利用了相干性好的特点 激光的特点及应用 45 其它应用 激光医疗 美容整形 激光打印机 激光的特点及应用 中国第一台激光器 小球照明红宝石 激光器在当时激发方式上 比国外激光器具有更好的激发效率 红宝石激光器的应用 眼科 用于视网膜的焊接 治疗青光眼 虹膜的切除等 激光的首次在医学上的成功应用是进行眼内手术 无需要切开眼球 早在1962年 一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接 使他恢复了视力 红宝石激光器医学应用 皮肤科 用于照射治疗 激光去痣和激光美白 红宝石激光器波长为694 3nm的可见红光 这种波长的激光最不易被氧合血红蛋白吸收 而黑色素对其吸收率较高 激光脱毛 临床常用其长脉冲模式 深入皮肤真皮层 破坏毛囊 永久性去除身体多余毛发 全息术实验 用红宝石脉冲激光器拍摄的刚出壳的小鸡的反射全息图 可以白光再现 介电材料 电介质 DielectricMaterials 又称电介质 电极化为特征的材料 是电的绝缘材料 分类 气体 液体 固体三大类气体 天然电介质 空气非极性电介质 N2 He O2 H2 CH4等极性电介质 HCl NO液体 非极性 苯 CCl4弱极性 二甲苯 汽油 煤油 变压器油极性 乙醇 水固体 非极性 金刚石 硫磺 聚四氟乙烯PTFE极性 晶体 聚氯乙烯用途 主要用于制造电容器 1极化polarization 在电场作用下 电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象 称为电介质的极化 2自发极化spontaneouspolarization 在没有外电场作用时 晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化 称为自发极化 在垂直于极化轴的表面上 单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强度 单位面积的极化电荷量称为极化强度 它是一个矢量 用P表示 其单位为C m2 3介电常数dielectricconstant 表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数 用 表示 无量纲 基本概念 电介质的极化有3种主要基本过程 即 材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化 分子中正 负离子相对位移造成的离子极化 分子固有电偶极矩在外电场作用下转动导致的转向极化 某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时 随着形变的产生 会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷 表面电荷的极性与拉 压有关 当外力去掉形变消失后 又重新回到不带电的状态 这种现象称为 正压电效应 机械能转变为电能 反之 在极化方向上 产生电荷的两个表面 施加电场 它又会产生机械形变 这种现象称为 逆压电效应 电能转变为机械能 具有压电效应的物质 电介质 称为压电材料 二 压电效应的基本原理 1压电现象 3 压电效应产生的条件 晶体结构没有对称中心 压电体是电介质 其结构必须有带正负电荷的质点 即压电体是离子晶体或由离子团组成的分子晶体 55 一 热释电效应 热释电效应是指当某些晶体受温度变化影响时 由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方向上产生表面电荷 这一效应称为热释电效应 热能转换为电能 所谓的热释电效应是指热释电材料收到热辐射后 晶体自发极化强度Ps随温度变化而变化 因此其表面电荷也发生变化 56 晶体中存在热释电效应的前提 具有自发极化一定是具有自发极化的晶体 且在结构上应具有极轴 所谓极轴 顾名思义是晶体唯一的轴 在该轴两端往往具有不同的性质 且采用对称操作不能与其它晶向重合的方向 57 铁电体定义 铁电体指在某温度范围内具有自发极化且极化轻度可以因外电场而反向的晶体 是指具有铁电效应的一类材料 它是热释电材料的一个分支 铁电体具有电滞回线 具有许多电畴 晶体的铁电性 在热释电晶体中 有若干种点群的晶体不但在某温度范围内具有自发极化 且自发极化有两个或多个可能的取向 在不超过晶体击穿电场强度的电场作用下 其取向可以随电场改变 这种特性称为铁电性 具有这种性质的晶体成为铁电体 铁电体的共同特征 具有电滞回线 具有结构相变温度 居里点 具有临界特性铁电体重要的特征之一是电滞回线 1 太阳能光伏电池定义 太阳能光伏电池 太阳能 电能光生伏打效应 光伏效应 即某些材料 在气体 液体和固体 吸收了光能之后具有产生电动势的效应 4 太阳能光伏发电原理 光伏效应 太阳能电池光伏效应当太阳电池受到光照时 光在n区 空间电荷区和p区被吸收 分别产生电子 空穴对 由于入射光强度从表面到太阳电池体内成指数衰减 在各处产生光生载流子的数量有差别 沿光强衰减方向将形成光生载流子的浓度梯度 从而产生载流子的扩散运动 n区中产生的光生载流子到达p n结区n侧边界时 由于内建电场的方向是从n区指向p区 静电力立即将光生空穴拉到p区 光生电子阻留在n区 p区中到达p n结区p侧边界的光生电子立即被内建电场拉向n区 空穴被阻留在p区 空间电荷区中产生的光生电子 空穴对则自然被内建电场分别拉向n区和p区 1 光伏效应p n结及两边产生的光生载流子就被内建电场所分离 在p区聚集光生空穴 在n区聚集光生电子 使p区带正电 n区带负电 在p n结两边产生光生电动势 上述过程通常称作光生伏特效应或光伏效应 光生电动势的电场方向和平衡p n结内建电场的方向相反 当太阳能电池的两端接上负载 这些分离的电荷就形成电流 4 太阳能光伏发电原理 1 开路电压 Uoc 受光照的太阳能电池处于开路状态 光生载流子只能积累于p n结两侧产生光生电动势 这时在太阳电池两端测得的电势差叫做开路电压 用符号Uoc表示 2 短路电流 Isc 如果把太阳电池从