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功能无机材料,第二章电学材料,导体：电荷能从产生的地方迅速转移或传导到其它部分的那种物体。,绝缘体：电荷几乎只能停留在产生的地方的那种物体。,半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间，且对温度、光照、杂质、压力、电磁场等外加条件极为敏感。,（各种金属、电解质溶液）,（云母、胶木等）,（Si、GaAs等）,一、物质的导电性能,=RS/L:电阻率(electricresistivity);R:电阻(resistance);S:横截面面积。某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的在常温下（20时）导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。电阻率的常用单位是欧姆毫米和欧姆米。电阻率的倒数为电导率，电导率的单位称为西门子/米（S/m）。电导率的物理意义是表示物质导电的性能。,维尔纳冯西门子（ErnstWernervonSiemens）（1816-1892）:德国工程学家、企业家、电动机、发电机、有轨电车和指南针式电报机的发明人，改进过海底电缆,提出平炉炼钢法,革新了炼钢工艺,西门子公司创始人。,电导率无限大,电导率104s/m,电导率10-7104s/m,电导率10-7s/m,二、电学材料按电导率分类,导体：10-4cm如：Cu=10-6cm半导体：10-4cm107cm如Ge=0.2cm绝缘体：107cm,导电功能材料按综合性质，功能与作用分类,第一节导电材料,什么样的材料属于导电材料？导电材料的分类，电导率（1）按电导率的不同（2）按综合性质，功能与作用,11,导电材料是电子元器件和集成电路中应用最广泛的一种材料，用来制造传输电能的电线电缆，传导电信息的导线、引线和布线。导电材料最主要的性质是良好的导电性能。一般情况下，电阻率在10-710-4欧姆米。导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大类。根据使用目的的不同，除了导电性外，有时还要求有足够的机械强度、耐磨、弹性、耐高温、抗氧化、耐蚀、耐电弧、高的热导率等。,一、导体材料,物质的三种状态：固体，液体，气体,大多数不导电,大多数导电,反映固体的导电性能,导体材料按化学成分主要有以下四种(1)金属材料，主要的导体材料例如：Ag，Cu，Al(2)合金材料，例：Cu-X(X=Zn,Sn,Pb)，Ni-Fe(3)无机非金属材料，例：C(4)高分子导体(polymericconductor)例：聚乙炔(polyacetylene),Cu-Zn合金(Zn20%以上，黄铜)随着含铅量的增加颜变浅，硬度增强,优点：改善机械强度，提高抗腐蚀性，控制磁性和热膨胀率，熔点变低,发现：白川英橱等，2000年获诺贝尔奖,14,二、金属导电材料,金属是由原子构成的点阵，每个原子的价电子是完全自由的,不论是金属，还是非金属导体中电子的运动是在以导体空间点阵为周期的势场中运动，电子的势能是个周期函数，这就是能带理论。,导体中的电子可看作准自由电子，其运动规律可视为和自由电子相似，由量子力学导出的电导率公式仍和经典理论导出的公式形式上一样。,金属的导电机理,这是个理想化的理论,1.金属导电材料的电气性质,金属的电阻率,电阻温度系数:,T,R,半导体,金属,绝缘体,电阻温度系数,金属：T，半导体：T，,18,影响金属电阻率的因素杂质与缺陷：一般合金电阻率高于纯金属温度压力：最常用的三种金属导电材料：铜、铝、铁，它们的主要用途是制造电线电缆。,19,2.金属导体的应用1）电线电缆材料,纯金属：如铜、铝、铁等。电阻率小：由小到大，银（Ag）、铜(Cu)、金(Au)、铝(Al)、纳(Na)、钼(Mo)、钨(W)、锌(Zn)、镍(Ni)、铁(Fe)、铂(Pt)、锡(Sn)、铅（Pb）等。合金：如铜合金，银铜、镉铜、铬铜、铍铜、锆铜等；铝合金，铝镁硅、铝镁、铝镁铁、铝锆等。机械性能或耐腐蚀性好,20,2）电极与引出线材料,21,电极蒸发材料：铜(易氧化)、银(贵)、镉(贵)、铝、锌、锡铝材铝箔、铝膜铝膜导电性好，功耗低耐腐蚀沸点高，易于沉积锌一般用作金属化纸介电容器：锌膜易氧化、电阻率大、易被腐蚀锡：一般作为蒸镀Zn的打底材料，性质较为稳定,普通电容器电极材料,22,引出线材料,材料金线、铝线、铜线、铜合金线等,23,3）薄膜导电材料,24,集成电路分类工艺,半导体集成电路厚膜集成电路：在陶瓷等绝缘基片上，用厚膜工艺制作厚膜无源网络，然后连接二极管、三极管或半导体集成电路芯片，构成一定功能的电路就是厚膜集成电路。厚膜只能做电阻、介质和导体，不能做有源器件。厚度为7um-40um之间。薄膜集成电路混合集成电路,25,半导体集成电路厚膜集成电路：薄膜集成电路：薄膜集成电路是将整个电路的晶体管、二极管、电阻、电容和电感元件以及它们的互连线，全部用厚度在1微米以下的金属、半导体、金属氧化物、多种金属混合相、合金或绝缘介质薄膜，并通过真空蒸发、溅射和电镀等工艺制成的集成电路。混合集成电路,三、超导材料,1911年，K.Onners(昂纳斯)研究金属汞在低温下的物理性质时发现了超导性.1933年，W.Meissner(迈斯纳)等人又发现,超导体处于超导态时完全排斥磁力线,此即迈斯纳效应.超导体的零电阻和迈斯纳效应是超导态的两个极为重要的独立的电磁特性.从正常态转变为超导态的温度称为超导体的临界温度Tc。,在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小磁性很强的永久磁铁，然后把温度降低，使锡出现超导性。这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，飘然升起，与锡盘保持一定距离后，便悬空不动了。这是由于超导体的完全抗磁性，使小磁铁的磁力线无法穿透超导体，磁场发生畸变，便产生了一个向上的浮力。,超导小实验：,目前已经发现的超导元素有20多种，超导合金和化合物也有数千种.1986年以前,Tc最高的超导体是Nb3Ge(Tc=23.3K),其次是V3Si(Tc=17.3K),在很长时期内一直是最主要的实用超导材料。,我们把处于超导态的超导体置于一个不太强的磁场中，磁力线无法穿过超导体，超导体内的磁感应强度为零。这种抗磁现象最早于1933年由W.Merssner和R.Ochenfeld做实验时发现，因而这种现象又称作迈斯纳效应。,迈斯纳效应,第二节介电材料,一.电介质的定义与基本特征,在电场作用下，能产生极化与偶极子，并存在有内电场的物质。,物质,电介质,半导体,导体,是一类特殊的绝缘体。,电介质,导体,高电场作用,电介质的类型,气体液体陶瓷玻璃离子晶体NaCl等,H2，空气，六氟化硫等,水，石油等,云母，瓷，橡胶，聚苯乙烯等,钛酸钡、铁酸铋、钛酸铅等,介电性能：电介质的极化介质的损耗介电强度,1、极化现象及其物理量偶极子的产生（在电场的作用下，正负电荷重心的分离）电偶极矩的定义：,q,+q,方向为从负电荷指向正电荷介质中的极性分子可看作偶极子(在电场的作用下极性分子发生转向)极化率（）：单位电场强度下，质点的电偶极矩的大小。,E,二、介质极化,其中：Eloc为作用在微观质点上的局部电场（它与宏观外电场并不一定相同）。表征材料的极化能力，只与材料的性质有关，其单位为Fm2（法米2）,介质的极化强度（P）：单位体积内的电偶极矩的总和,介质的极化强度（P）与E为宏观物理量（电场强度），x为电介质极化系数相联系。,2、介质极化,介质的极化（包括三个部分）电子极化离子极化偶极子转向极化空间电荷极化极化形式（两种）位移极化是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量电子位移极化、离子位移极化松弛极化这种极化与热运动有关完成这种极化需要一定的时间,（1）电子极化由于一切电介质材料均由分子、原子或离子组成的。而它们又都是由原子核及核外电子云组成。当外加电场时，电子云相对于原子核发生位移，因此产生感应电矩。最简单的模型是图（a)所示的氢原子的电子极化。无外电场时，正、负电荷重心重合；当施加电场后，电子云与核产生相对位移。电子极化的频率响应极快，外加电场后经10-1210-13s即能产生极化。,（2）离子极化由异号离子组成的晶体，如Nacl，在外电场作用下，正、负离子均发生位移，见图（b），以一维排列的正、负离子原来间隔均等，加了外电场后，正、负离子的相对距离发生变化，产生了偶极矩。,（3）偶极极化有些电介质分子是由极性较强的离子键构成的，称极性电介质。每个分子本身就具有一定的电偶极矩，如图（c）所示，原来这些电偶极矩的排列杂乱无章，宏观看来不是极性。当存在外电场时，电介质内固有的电偶极矩转向外电场方向，偶极极化也叫做转向极化。,（4）空间电荷极化在实际的电介质材料中，由于制造工艺和材料的纯度影响，不可避免地有局部的介质不均匀，在外电场的作用下，介质中的少量载流子会发生漂移可能在介质不均匀的夹层处界面上堆积起来而形成空间电荷的积累。这种介质中由于空间电荷的移动形成的电荷分布即是空间电荷极化。,三、介质损耗,1、介质损耗的表示方法介质损耗的形式电介质在恒定电场作用下所损耗的能量与通过其内部的电流有关。加上电场后，通过介质的全部电流包括由样品几何电容的充电所造成的电流（简称电容电流，不损耗能量）由各种介质极化的建立所造成的电流（电流引起的损耗称为极化损耗）由介质的电导（漏导）造成的电流（电流引起的损耗称为电导损耗）,2.介质损耗定义电介质在电场作用下，单位时间内消耗的电能。在直流电压下，介质损耗仅由电导引起在交变电场下，介质损耗不仅与自由电荷的电导有关，还与松弛极化过程有关，所以它不仅决定于自由电荷电导，还与束缚电荷产生有关（与频率有关的量）。,四、介电强度,当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态。这种现象称为介质的击穿。相应的临界电场强度称为介电强度，或称为击穿电场强度。击穿类型划分虽然严格地划分击穿类型是很困难的，但为了便于叙述和理解，通常将击穿类型分为三种：热击穿电击穿局部放电击穿,热击穿热击穿的本质是：处于电场中的介质，由于其中的介质损耗而受热，当外加电压足够高时，可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状态，若发出的热量比散去的多，介质温度将愈来愈高，直至出现永久性损坏，这就是热击穿,电击穿：在强电场下，固体导带中的电子一方面在外电场作用下被加速获得动能；另一方面与晶格振动相互作用，把电场能量传递给晶格，当电子从电场中得到的能量大于传递给晶格振动的能量时，电子的动能就越来越大，导致电离产生新电子，使自由电子数迅速增加，电导进入不稳定阶段，电击穿发生。,介电常数：电容器极板间充满电介质时,电容增大的倍数。,电导：是指电介质在电场作用下存在泄露电流。,介电损耗：是电介质在电场作用下存在电能的损耗。,介电强度：是指在强电场下可能导致电介质的破坏。,五.电介质的四大基本常数,好的电介质要求较容易极化，具有较高的介电常数和介电强度，较低的电导和介电损耗。,第三节压电材料,一、压电材料的定义,压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。,压电石英晶体材料,压电效应,1880年，法国物理学家P.居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。,压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。,力形变电压正压电效应,电压形变逆压电效应,压电效应及可逆性,二、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。,三、压电材料的分类及特性,压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体（单晶体）；经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；高分子压电材料。,（一）石英晶体（单晶）石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的突出优点是性能非常稳定。它还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。,无机压电材料有机压电材料,换能器,压电材料,压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成。常用的压电陶瓷材料主要有以下几种：1.锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）2.非铅系压电陶瓷,（二）.无机压电材料,压电陶瓷：一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。压电陶瓷泛指压电多晶体。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。,压电陶瓷片,压电陶瓷的工艺,一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，注意少量的添加剂要放在大料的中间。二、混合磨细:目的是将各种原料混匀磨细,为预烧进行完全的固相反应准备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。三、预烧：目的是在高温下,各原料进行固相反应,合成压电陶瓷.此道工序很重要。会直接影响烧结条件及最终产品的性能。四、二次细磨:目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细,为成瓷均匀性能一致打好基础。五、造粒:目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。方法可以手工进行但效率较低，目前高效的方法是采用喷雾造粒。此过程要加入粘合剂。,六、成型：目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。七、排塑：目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。八、烧结成瓷：将毛坯在高温下密封烧结成瓷。此环节相当重要。九、外形加工:将烧好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。十、被电极：在要求的陶瓷表面设置上导电电极。一般方法有银层烧渗、化学沉积和真空镀膜。十一、高压极化：使陶瓷内部电畴定向排列，从而使陶瓷具有压电性能。十二、老化测试：陶瓷性能稳定后检测各项指标，看是否达到了预期的性能要求。,相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。,（三）.有机压电材料,又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点。复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。,高分子压电材料高分子压电材料是一种柔软的压电材料。可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。经极化处理后就显现出压电特性。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制。在一些不要求测量精度的场合，例如水声测量，防盗、振动测量等领域中获得应用。,压电陶瓷-高聚物复合材料,无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。,四、压电传感器的应用,石英晶体主要用于精密测量，多作为实验室基准传感器；压电陶瓷灵敏度较高，机械强度稍低，多用作测力和振动传感器；高分子压电材料多用作定性测量。,压电材料的应用举例,1.玻璃打碎报警装置玻璃破碎时会发出几千赫兹至超声波（高于20kHz）的振动。将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到这一振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,2压电式周界报警系统周界报警系统又称线控报警系统。它警戒的是一条边界包围的重要区域。当入侵者进入防范区之内时，系统就会发出报警信号。,3.交通监测将高分子压电电缆埋在公路上，可以判定车速、载荷分布、车型等。,压电式铝壳蜂鸣器,胶壳引线蜂鸣器广泛应用于电话机、电子钟、电器产品、防盗报警、井下报警、烟雾报警和电子玩具发声之用途。铝壳蜂鸣器可应用于电子台历、数码相机、各种仪器仪表、防丢防盗器、验钞机、玩具等发声用途。,第四节热电材料,热电三种效应的历史1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应”。1834年，法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，此所谓珀尔帖效应,1856年，汤姆逊从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应，成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应。,一、热电材料,所谓热电材料就是把热转变为电的材料，包括温差电动势材料，热电导材料和热释放材料。1温差电动势材料温差电动势效应塞贝克效应(Seebeckeffect),由两种不同的导体(或半导体)A,B组成的闭合回路，当两接点保持在不同温度T1,T2时，回路中将有电流产生。此回路称热电回路。回路中出现的电流称为热电流。回路中出现的电动势EAB称为塞贝克电动势。,塞贝克(T.J.Seebeck)的实验,1821年,A,B,回路中的电动势EAB为可近似由下式给出:EAB=SABTSAB为相对塞贝克系数；T为两接触点的温差。,温差电热效应在热电回路中，与两接点间的温度差而引起的塞贝克电动势相反，通电时，在回路中会引起两种热效应，帕尔贴和汤姆逊热效应。前者出现在不同的两个电极的接头处；后者一种导体的的两端上。,塞贝克，帕尔帖和汤姆逊热电三效应,帕尔贴效应,汤姆逊效应,在不同金属或半导体的两个接头处，当电流流过时将发生可逆的热效应，即有Q的吸收或释放(依电流的方向而定)，其大小与电流和流通的时间t成正比，即AB帕尔贴系数。由于帕尔帖效应，会使回路中一个接头发热，一个接头致冷。是塞贝克效应的逆效应。,帕尔贴效应（1834年，Peltier）,帕尔贴（Peltier）的实验1834年，,热电发热电利用塞贝克效应,热电致冷利用帕尔贴效应,当电流通过一跟两端温度不同的导体（铅以外）时，若电流方向与热流方向一致则会放出热量（电流产生的焦耳热之外），反之则会吸热。,汤姆逊热效应（Thomsoneffect）,Zn,Cu等,碱金属，Co,Ni,Fe等,正汤姆逊热效应PositiveThomsoneffect,负汤姆逊热效应NegativeThomsoneffect,汤姆逊效应的物理学解释：金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便引成一个电势差。这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止。,温差电动势材料的种类合金：常用的热电极材料中，合金类占很大比例半导体合金化合物：氧化物、硫化物、氮化物、硼化物和硅化物。,温差电动势材料的应用温差电动势材料主要应用在两个方面：一方面制作热电偶用于测温，这方面应用的材料主要是高纯金属和合金材料；另一方面热电转换材料（可制作温差电堆），用来发电或做致冷器，这类器件所用的材料主要是高掺杂半导体材料。,温差电动势的大小与两种金属材料的性质有关，也与温度差T1T2的大小有关。在通常情况下，温差电动势只有110毫伏数量级，如果把多个温差电偶按照相同顺序串接成温差电堆（右侧示意图），温差电动势会大大增加。,温差电堆的示意图,热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。,热电偶材料：热电偶种类很多，已研制的组合热电偶材料近300种，已经标准化的15种，工业上广泛应用的8种，有相应标推代号。,常用的热电偶的类别,制作热电转化器件：热电器件应用主要是作为温差发电和致冷器，温差发电和致冷的工作原理虽不同，但它们的材料类似，因此，统一成既能作为发电器或热束又可作为致冷器的装置，虽成本高、效率低，但体积小、无振动、无噪声及易控温，用于供电不方便的地方如高山、南极、月球等。,携带型冰箱，用在汽车里,电脑CPU的散热器件,控热器件,宇宙探测卫星的电源。利用原子炉的热能发电,热电导效应：当温度升高时，材料的电导率发生较大变化的材料称为热电导材料。,2、热电导材料（热敏材料）,正温度系数材料：这类材料多数是半导性的金属氧化物和过渡金属的复合氧化物。其特点是温度增高，电导率增加。负温度系数热电导材料：这类材料主要为掺杂半导体陶瓷如镧掺杂的钛酸钡、锶陶瓷：掺杂半导体陶瓷的电导率明显增加。当温度趋于临界温度时，电导率急剧下降，,热电导材料的种类,热敏电阻等热敏元件：热敏电阻合金的电阻温度系数要大，电阻值与温度呈线性关系，电阻值随时间稳定性好。这类合金有钴、镍和铁基，用于航空、航天器中的大气温度加热器、家用电器元件。如电褥、屯贸斗、电烙铁等；热电导半导体材料：多数半导体的电阻率随温度而变化。利用这个性质可以做半导体热敏器件，如二极管温度敏感器件、半导体热敏传感器、红外探测器元件、红外成像集成阵列等。,热电导材料的应用,3、热释电材料,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。热释电效应反映了晶体的电量与温度之问的关系。,晶体中存在热释电效应的前提是具有自发极化，晶体结构的某些方向的正负电荷重心不重合，故存在固有电矩。晶体结构中存在着与其它极轴不相同的唯一极轴(极化轴)时，这样才有可能因热膨胀而引起总电矩的变化，即出现热释电效应。如果在晶体两端连接一负载Rn，则会产生电位差V（热释电）。,热释电材料的种类热释电材料有晶体和高聚物晶体两大类。晶体在32个点群中，也就是在32类晶体对称类型中，有10类对称型的晶体有热释电效应。它可分为单晶或陶瓷。这些热释电晶体又可分成两类，具有自发极化但自发极化不能为外电场所转向的晶体，如电石、CaS、CaSe（硒）、Li2SO4H20、ZnO等，通常称它们为热释电晶体；自发极化可以为外电场所转向的晶体，即铁电晶体，如TGS(硫酸三甘肽)、LiiNbO3、PbTiO3、BaTiO3等。经过强直流电场的极化处理后，能从各向同性体变成各向异性体。,有机高聚物晶体聚偏二氟乙烯(PVDF)等热释电材料，其优点是可制成大面积，且制造工艺简单，价格低廉；PVDF厚度越小热释电系数越大。这类热释电材料一般作成10-50m厚的薄膜使用。热释电材料的应用热释电材料可作热释电探测器使用。其中锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3）陶瓷材料，由于改性减少了热滞，显示了良好的热释电性能，已制成了单个探测器和矩阵，在红外探测和热成像系统中得到应用。,第五节光电材料,光电材料是能把光能转变为电能的一类能量转换功能材料；包括光电子发射材料、光电导材料和光电功势材料。1、光电子发射材料光电子发射的原理当光照射时，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。有外部光电发射和内部光电发射两种。,1、光电子发射材料光电子发射的原理当光照射时，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。有外部光电发射和内部光电发射两种。,光电倍增管一种对紫外光、可见光和近红外光极其敏感的特殊真空管。它能使进入的微弱光信号增强至原本的108，使光信号能被测量。,光电子发射材料的特征值临阈频率0（红限0）每种光电子发射材料都有其临阈频率0，为光电子发射效应的频率下限(或波长上限即长波边界）。,积分灵教度S积分灵敏度也是光电子发射材料的特征值之一。一般S=10-20%，其中80-90%损失掉。包括光反射损失，光吸收变为热量损失，部分的光能损失。,光电子发射材料的种类单碱一锑：其中单碱可为锂、钾、铷、铯：多碱一锑：钠一钾，钾铯，银一氧一铯，铯铋，铋一银一氧一铯。硅，磷化镓，磷化砷镓，磷化砷镓铟等半导体。这类材料光谱响应宽，其性能显著优于上述材料，是光电子发射材料的发展方向。,光电子发射材料的应用利用光电子发射原理，可以把光电子发射材料做成光电阴极，这种光电子发射阴极通过电场并配以荧光屏成像就可以做成光电转换器，微光管，光电倍增管，高灵敏度电视摄像管，图像倍增器等。半导体光阴极广泛用于仪器，工业，军事等方面，与过去的多碱光阴极相比有很大的优越性：在无月光、无星光、有云、地面有雾的气象条件下或在丛林里，多碱光电阴极根本无法工作，而用半导体光阴极可以照常工作。,光电导原理受光照射电导急剧上升的现象被称为光电导现象。具有此现象的材料叫光电导材料、内光电效应材料或光敏材料。光照到半导体(或绝缘体)上，价带的电子接受能量，使电子脱离共价键，在晶体中产生一个自由电子和一个空穴，这是两种载流子，它们都参与导电。由于光的作用产生的附加电导称之为光电导。,2、光电导材料,光电导这种附加的电导来自附加的载流子，这种载流子可以来自带间跃迁，也可以来自杂质的激发，因此，光电导有本征光电导和杂质光电导之分。,光电导材料的种类光电导材料按材料种类可分为三大类：光电导半导体单体(Ge，Si)，氧化物(ZnO，PbO)，镉化物CdS，CdSe硒，CdTe碲di)，锑ti化物(SbS，SbSe，SbTe)等。光电导陶瓷CdS，CdSe陶瓷有机高分子光导体,光电导材料的应用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的材料。用CdS可以制造光敏晶体三极管，在CdS中扩散人铜可制成p-n结，成为高阻抗元件。,3、光电动势材料,在光照下，半导体p-n结的两端产生电位差的现象称为光生伏特效应。具有此效应的材料叫光(生)伏(特)材料又称光电动势材料。光电动势的原理，是光照下在光电动势材料上形成阻挡层，两面可以产生电动势。太阳能电池和光生伏特检测器都是光电动势材料的重要应用。,如果光照射到p-n结的接触面时，p-n结吸收光子，由于光激发而使电子和空穴激发。又由于有内建电场的存在，空穴将向p区移动而积累，而电子将相反，向n区移动而积累，从而形成净空间电荷。这些空间电荷不能够越过阻挡层而复合，这样必将有电动势产生。在这种情况下，p-n结就形成光电池。,光生电动势的产生,转换效率：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。,光电动势材料的种类光电池中最活泼的领域是太阳能电池，太阳能电池所用材料主要有以下几种：硅太阳能电池硅太阳能电池可分为单晶硅多晶硅和非晶硅太阳能电池三种。,1单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的优点是其禁带宽度不大，1.07ev实际可达18。其光谱响应曲线与太阳的光谱谱响应曲线接近，转换效率高。单晶硅形成表面氧化层的折射率在硅与空气之间故反射损失小，其缺点主要是价格昂贵。2多晶硅太阳能电池多晶硅