第5章-功能转换材料.ppt

第5章功能转换材料,1,声,光,电,热,磁,力,热电、热释电,光电、电光,声光,磁光,压电,常见的功能转换材料,2,5.1压电材料,3,压电效应：材料在沿一定方向上受到外力的作用变形时，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。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，电荷量与压力成正比。,5.1压电材料,4,正压电效应,正压电效应：力的垂直方向产生正负电荷,5,逆压电效应,逆压电效应：正负电荷中心位移导致晶体形变,6,压电效应的微观机理,关键词：电心位置发生偏移,7,压电材料的晶体特征无对称中心在32种点群的晶体中，有21种点群的晶体不是中心对称的,压电材料的晶体结构,复习晶体学基础知识,8,七大晶系与对称型,9,压电材料的评价参数,10,1.压电单晶：机电性能稳定，没有内耗。举列：石英晶体铌酸锂(LiNbO3)：机电耦合系数大其他压电单晶材料：酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、钽酸锂碘酸锂等晶体也都是比较好的压电晶体材料。,压电材料,石英晶体,LNO晶体,四川大学晶体组,11,2.压电陶瓷：优点：价格便宜缺点：易于老化。代表性压电陶瓷：钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（这是PbTiO3和PbZrO3组成的二元固溶体）。,钛酸锶钡,锆钛酸铅,肖定全教授,12,压电材料广泛应用于电子学和传感器领域。,电压大小与受力大小成正比,13,水声换能器：利用正压电效应接收声波，来完成水下观察、通讯和探测等。,14,在超声技术的应用：利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强超声波，并以此为动力在超声乳化，超声焊接，超声粉碎等装置上的机电换能装置等。,15,压电点火器：压电开关，引燃、引爆装置，打火机，燃气灶等。,无线压电开关,点火装置,16,电子器件：拾音器、传声器、扬声器等。,17,小结：压电效应的原理压电材料的晶体结构特点压电材料的用途,5.2热释电材料,19,压电晶体中，有10种点群的晶体具有唯一的单向极轴，即存在自发性，可能具有热释电性。,在这些热释电晶体中，有些晶体的自发极化方向能随外电场方向转化，即铁电体,补充知识：压电、热释电与铁电材料,20,具有自发极化，且自发极化不能被外加电场所转向的晶体。如电器石，CaS、CaSe、Li2SO4H2O、ZnO等。通常称之为热释电晶体。自发极化可以被外加电场所转向的晶体。即铁电晶体。如LiNbO3、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3等,铁电晶体,E,普通电介质,21,5.2热释电材料,热释电效应：温度的变化引起极化状态改变，使得晶体表面产生电荷。热释电效应最早在电气石晶体(Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,H,F)3中发现，该晶体属三方晶系，具有唯一的三重旋转轴。,22,热释电效应,23,热膨胀系数各向异性,单晶材料如TGS(硫酸三甘肽)、DTGS(氘化的TGS)、CdS、LiTiO3、LiNiO3、SBN(铌酸锶钡)、PGO(锗酸铅)、KTN(钽铌酸钾)等)；高分子有机聚合物及复合材料(如PVF(聚氟乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDF/PT(聚偏二氟乙烯与钛酸铅复合)、PVDF/PZT(聚偏二氟乙烯与锆钛酸铅复合)；金属氧化物陶瓷及薄膜材料(如ZnO、BaTiO3、PMN(镁铌酸铅)、PST(钽钪酸铅)、BST(钛酸锶钡)、PbTiO3、PLT(钛酸铅镧)、PZT(锆钛酸铅)、PLZT(锆钛酸铅镧)等)。,24,在物理学基础研究中的应用,如确定晶体的非中心对称结构和相变温度,确定晶体中原子(或离子)的相对位移等。另一类是在探测器方面的应用。,热释电效应的典型应用,利用红外热效应,热释电探测器敏感度很高,25,(1)夜视装置。利用热释电探器制作的夜视装置,具有灵敏度高的优点,能够将热源从背景中区分出来,这是热释电材料最早的应用之一。,26,(2)卫星遥感探测装置。用于卫星探矿、森林火灾预警等。,影片：深入敌后,27,(3)导弹、坦克等的探测器。,28,(4)银行、保险公司等重要部门的报警器。,29,小结：热释电效应的原理热释电材料的晶体结构特点热释电材料的用途,5.3光电材料,31,5.3光电材料,光电效应物质在受到光照后，往往会引发其某些电性质的变化，这一现象称为光电效应。主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应。光电导效应：物质在受到光照射时，其导电率产生变化的现象。,32,光生伏特效应：如果光照射在半导体的p-n结上，则在pn结两端会出现电势差，p区为正极，n区为负极，这种效应称为光生伏特效应。光电发射效应：当金属或半导体受到光照射时，其表面和体内的电子因吸收光子的能量而被激发，如果被激发的电子具有足够的能量，足以克服表面势垒而从表面离开，产生了光电子发射效应。,光电效应,爱因斯坦与光电效应,33,光生伏特材料：硅太阳能电池、半导体太阳能电池、薄膜太阳能电池。,内建电场,界面附近产生电子与空穴,光伏材料,硅铜铟镓硒碲化镉有机光伏材料,34,-,+,第一代,第二代,第三代,35,硅碲化镉铜铟镓硒有机光伏材料,最高转换效率：9.0%平均转换效率：8.2%良率：100%,超声喷涂技术,太阳能电池结构,大面积太阳能电池,本人科研团队在聚合物光伏器件的研究进展。,36,低功函数材料（电子容易被电离发射）。应用：光电转换器、高灵敏度电视摄像管、图象倍增器。,光电子发射材料,光电转换器,高灵敏摄像机,37,光电半导体：Ge、Si、ZnO、CdS、PbS。光电导陶瓷：CdS陶瓷、CdSe陶瓷等。有机高分子光电导体。应用：1.光探测的光敏感器件光电导摄像管固体图像传感器,光电导材料,38,小结：什么是光电导效应什么是光伏特效应什么是光电发射,5.3热电材料,40,5.4热电材料,热电效应：在用不同导体构成的闭合电路中，若使其结合部分出现温度差，则在此闭合电路中将有电流通过，或产生热电势，这种现象叫热电效应。热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料,41,热电效应理论,Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。1821年,T.J.Seebeck发现,由两种不同导体a,b构成的闭合回路的两端接点的温度不同时,回路中就产生电流,这种现象称为Seebeck效应。温差电动势,亦称为Seebeck电动势：dV=(T)dT(T)为Seebeck系数,在冷端接点处,若电流由2流向1,则(T)为正,反之为负。其大小取决于接点温度及组成材料。,42,Seebeck效应：两种不同材料A、B构成开路，接点保持不同温度，则回路产生电动势,Peltier效应：两种不同导体A、B构成回路，接电源。则一个接点吸热，另一个放热。（电流反向时，吸放热相反）。,43,Thomson效应：流过电流，棒吸热，电流反向时放热。,44,恒温装置,电位差计,1、用于测温热电偶：通过测电动势来测温。把热学量变为电学量测量。,45,热电材料的应用,常用的热电偶材料T型：铜康铜（60Cu，40Ni）适用于200400。K型：镍铬镍铝（90Ni10Cr95Ni5Al）适用于01000。S型：铂铂铑（Pt13Rh87Pt）温度范围01500。热电偶材料：有近300种，广泛应用的有8种。制冷和低温温差电源材料：碲化铋，硒化铋，碲化锑。,46,2、用做温差电源最多的应用是温差发电，但效率低，成本高。然而在一些场合其它能源无法使用时，便成为独一无二的发电方式，如南极、高山、空间及月球工作的大功率电源必须采用它。3、用于制冷利用半导体帕尔贴效应，实现热、电能转换，制成半导体制冷机（电流流过时，低温端吸热，高温端放热）优点：寿命长，可靠，小型化，无空气污染,47,48,Ba8Ga14Sn50样品,Seeback系数,武汉光电国家实验室-程峰博士,性能优异的笼合物材料,49,dV=(T)dT,热电材料与热释电材料的差别,1.原理2.材料类型3.用途,50,其他功能转换材料,51,1、电光效应与电光材料,电光效应物质光学特性受电场影响而发生改变的现象。电光材料绝大部分为晶体材料。KH2PO4,NH4H2PO4,BaTiO3,SrTiO3,LiTiO3,ZnS,GaAs用途：制造光体制原件，用于光偏转，可变谐振滤波，电场测定等。,52,53,2磁光效应与磁光材料,磁光效应物质受磁场影响而光学特性发生变化的现象,磁光法拉第效应,线偏振光通过磁性物体（沿磁场方向通过介质），偏振面转一角度。,3.声光效应与声光材料,一、声光效应,声光效应声波作用于物质使其光学特性发生改变的现象。超声波引起的效应尤其显著。超声波可以引起物质密度周期性变化，形成超声光栅，引起光的衍射（声光衍