光电功能材料课程-5

1、光电功能材料光电功能材料5 刘刘 磊磊电话：电话：8431543784315437Email: Email: 2. 电功能材料电功能材料 2.1. 导电材料导电材料 2.2 半导体材料半导体材料 2.3 介电材料（电介质）介电材料（电介质） 2.4. 铁电材料（强极性电介质）铁电材料（强极性电介质） 2.5 超导材料超导材料2.3 介电材料（电介质）介电材料（电介质） dielectric materials又称电介质，一切绝缘体统称为电介质；或者是又称电介质，一切绝缘体统称为电介质；或者是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的物质。

2、来影响外电场的物质。分类：可分气体、液体、固体三大类。分类：可分气体、液体、固体三大类。气体：天然电介质：空气气体：天然电介质：空气 非极性电介质：非极性电介质：N2, He, O2, H2, CH4等等 极性电介质：极性电介质：HCl, NO液体：非极性：苯，液体：非极性：苯，CCl4 弱极性：二甲苯，汽油，煤油，变压器油弱极性：二甲苯，汽油，煤油，变压器油 极性：乙醇，水极性：乙醇，水固体：非极性：硫磺，聚四氟乙烯固体：非极性：硫磺，聚四氟乙烯PTFE 极性：云母，玻璃，陶瓷，聚氯乙烯极性：云母，玻璃，陶瓷，聚氯乙烯用途：主要用于制造电容器用途：主要用于制造电容器电介质是指能在电场中极化的

3、材料。电介质在电场电介质是指能在电场中极化的材料。电介质在电场作用下产生感应电荷的现象叫极化。作用下产生感应电荷的现象叫极化。介电材料的特征值介电材料的特征值1.分子极化率分子极化率在电场作用下，介电材料产生电偶极矩在电场作用下，介电材料产生电偶极矩E电场E3. 静态介电常数静态介电常数nVP2. 极化强度极化强度P 介电材料的极化强度是单位体积内电偶极介电材料的极化强度是单位体积内电偶极矩的矢量和矩的矢量和 介电常数介电常数表征介质在外电场作用下极化程度的物理量，介表征介质在外电场作用下极化程度的物理量，介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对电荷电常数代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的

4、束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。用越强。用表示表示 ，其单位是，其单位是Fm-1(法法/米米)。 介电常数的大小介电常数的大小用于衡量绝缘体储存电能的性能用于衡量绝缘体储存电能的性能. 它是两块金属它是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。比。静态介电常数与极化强度静态介电常数与极化强度P的关系为的关系为EP04. 相对介电常数相对介电常数 r (有时用或K表示)其中其中 是指介质的绝对介电常数是指介质的绝

5、对介电常数, 而而0 是指真空是指真空介电常数介电常数 8.8510-12 F/m0/r5. 动态介电常数动态介电常数实际上，介电常数并不是一个不变的数，在不实际上，介电常数并不是一个不变的数，在不同的条件下，其介电常数也不相同。在交变电同的条件下，其介电常数也不相同。在交变电场作用下，介质的介电常数是复数，虚数部分场作用下，介质的介电常数是复数，虚数部分反映了介质的损耗）。反映了介质的损耗）。tani极化强度与电场频率的关系图极化强度与电场频率的关系图6. 介电损耗 tan220fEW 电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化

6、为热能耗散掉，这种这说明有部分电能已转化为热能耗散掉，这种介质内的能量损耗称为介质损耗。或者说，在介质内的能量损耗称为介质损耗。或者说，在交变电场中，在每秒内，每立方米电介质交变电场中，在每秒内，每立方米电介质消耗的能量称为介电损耗。常用消耗的能量称为介电损耗。常用tg表示，其表示，其值越大，能量损耗也越大。值越大，能量损耗也越大。 称介电损耗角。称介电损耗角。tg是所有应用于交变电场中电介质的重要的是所有应用于交变电场中电介质的重要的品质指标之一。介质损耗越小越好。品质指标之一。介质损耗越小越好。7. 击穿电压击穿电压电介质承受的电压超过一定值后，就丧失了电介质承受的电压超过一定值后，就丧失

7、了电介质的绝缘性，这个电压叫做击穿电压。电介质的绝缘性，这个电压叫做击穿电压。8 高介电常数材料和低介电常数材料高介电常数材料和低介电常数材料介电常数介电常数k比比Si3N4(k7)大的材料称为高介电大的材料称为高介电常数材料，而其常数材料，而其k值比值比SiO2（k30KTc30K2000s: 2000s: 常规超导合金常规超导合金(MgB(MgB2 2) Tc=39K,) Tc=39K,实用化实用化 NaNa0.30.3CoOCoO2 2超导超导 超导和磁序共存超导和磁序共存对超导的研究已经产生对超导的研究已经产生8 8位位NobelNobel奖！奖！还会有：还会有：高温超导机理高温超导机

8、理 室温超导体室温超导体超导体超导体 superconductivity 某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质称为质称为超导电性超导电性。 低于某一温度出现超导电性的物质称为低于某一温度出现超导电性的物质称为超导超导体体。 从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度称为称为超导临界温度超导临界温度T Tc c。 超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率阻率1010-26-26cmcm，可以认为电阻为零。，可以认为电阻为零。 2.5 超导材料超导材料超导体超导体 supercond

9、uctivity 特性一特性一：完全导电性，超导体进入超导态时，：完全导电性，超导体进入超导态时，其电阻率实际上等于零。例如：室温下将超导其电阻率实际上等于零。例如：室温下将超导体放入磁场中，冷却到低温进入超导状态，去体放入磁场中，冷却到低温进入超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没有掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没有电阻，此电流将永不衰减。即超导体的电阻，此电流将永不衰减。即超导体的“持久持久电流电流”， 特性二特性二：完全抗磁性，不论开始时有无外磁：完全抗磁性，不论开始时有无外磁场，只有场，只有T TTcTc，超导体变为超导态后，体内的，超导体变为超导态后，体内的磁感应强

10、度恒为零，即超导体能把磁力线全部磁感应强度恒为零，即超导体能把磁力线全部排斥到体外，这种现象称为迈斯纳效应。排斥到体外，这种现象称为迈斯纳效应。 2.5 超导材料超导材料特性三特性三：即使在低于临界温度以下，若进入超导体内的电流强：即使在低于临界温度以下，若进入超导体内的电流强度以及周围磁场的强度超过某一临界值时，超导状态被破坏，度以及周围磁场的强度超过某一临界值时，超导状态被破坏，而成为普通的常导状态，电流和磁场的这种临界值分别称为临而成为普通的常导状态，电流和磁场的这种临界值分别称为临界电流界电流Ic和临界磁场和临界磁场Hc临界。临界。 临界温度（临界温度（Tc）、临界磁场（）、临界磁场（

11、Hc）、临界电流）、临界电流Ic是约束超导现象的三大临界条件。当温度超过临是约束超导现象的三大临界条件。当温度超过临界温度时，超导态就消失；同时，当超过临界电流界温度时，超导态就消失；同时，当超过临界电流或者临界磁场时，超导态也会消失，三者具有明显或者临界磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。只有当上述三个条件均满足超导材料本的相关性。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象。身的临界值时，才能发生超导现象。1、金属超导体、金属超导体 目前发现具有超导电性的金属元素有目前发现具有超导电性的金属元素有30种，种，其中过渡族元素其中过渡族元素19种，如种，如Ti钛、

12、钛、V钒、钒、Zr锆、锆、Nb铌、铌、Mo钼、钼、W钨钨等，非过渡族元素有等，非过渡族元素有11种如种如Pb铅、铅、Sn锡、锡、 Al铝、铝、 Ga镓镓等。等。超导金属超导金属临界温度临界温度Lead (Pb)Lead (Pb)7.196 K7.196 KLanthanum (La)Lanthanum (La)4.88 K4.88 KMercury (Hg)Mercury (Hg)4.15 K4.15 KTin (Sn)Tin (Sn)3.72 K3.72 KAluminum (Al)Aluminum (Al)1.175 K1.175 KMolybdenum (Mo)Molybdenum (M

13、o)0.915 K0.915 KZinc (Zn)Zinc (Zn)0.85 K0.85 KZirconium (Zr)Zirconium (Zr)0.61 K0.61 KCadmium (Cd)Cadmium (Cd)0.517 K0.517 KTitanium (Ti)Titanium (Ti)0.40 K0.40 KTungsten (W)Tungsten (W)0.0154 K0.0154 KPlatinum (Pt)*Platinum (Pt)*0.0019 K0.0019 KRhodium (Rh)Rhodium (Rh)0.000325 K0.000325 K 超导金属中，铅（超

14、导金属中，铅（PbPb）的临界温度最高，达）的临界温度最高，达7.196K7.196K，（RhRh）的临界温度最低，为）的临界温度最低，为0.000325K0.000325K。 超导合金很多，临界温度有所提高，如超导合金很多，临界温度有所提高，如NbTiNbTi二元合金，二元合金，其临界温度为其临界温度为8 810K10K；NbTiZrNbTiZr三元合金，其临界温度为三元合金，其临界温度为10K10K。2、氧化物超导体、氧化物超导体氧化物超导材料氧化物超导材料超导氧化物超导氧化物成成 分分临界温度临界温度HgHg0.80.8TlTl0.20.2BaBa2 2CaCa2 2CuCu3 3O O

15、8.338.33138 K (record-holder)HgBaHgBa2 2CaCa2 2CuCu3 3O O8 8133-135 K133-135 KHgBaCuHgBaCu系系HgBaHgBa2 2CuOCuO4 4+ + 94-98 K94-98 KTlTl2 2BaBa2 2CaCa2 2CuCu3 3O O1010127-128 K127-128 KTlTl0.50.5PbPb0.50.5SrSr2 2CaCa2 2CuCu3 3O O9 9118-120 K118-120 KTlBaCaCuTlBaCaCu系系TlTl2 2BaBa2 2CuOCuO6 695 K95 KBiB

16、i1.61.6PbPb0.60.6SrSr2 2CaCa2 2SbSb0.10.1CuCu3 3O Oy y115 K115 K BiBi2 2SrSr2 2CaCa2 2CuCu3 3O O1010*110 K110 KBiSrCaCuBiSrCaCu系系BiBi2 2SrSr2 2CaCa0.80.8Y Y0.20.2CuCu2 2O O8 895-96K95-96KTmBaTmBa2 2CuCu3 3O O7 790-101 K90-101 KYBaYBa2 2CuCu3 3O O7 793 K93 KY YB BaCuaCu系系YbBaYbBa1.61.6SrSr0.40.4CuCu4

17、 4O O8 878 K78 KLaLa2 2BaBa2 2CaCuCaCu5 5O O9+9+79 K79 K(La,Sr,Ca)(La,Sr,Ca)3 3CuCu2 2O O6 658 K58 KLaLa2 2CaCuCaCu2 2O O6+6+45 K45 K(La(La1.851.85SrSr0.150.15)CuO)CuO4 440 K40 K(La,Ba)(La,Ba)2 2CuOCuO4 435-38 K35-38 KLaBaCuLaBaCu系系(La(La1.851.85BaBa.15.15)CuO)CuO4 430 K(30 K(FirstFirst高温超导陶瓷，高温超导陶瓷

18、，1986)1986) 19861986年，年，BednorzBednorz和和MullerMuller发现了具有较宽转变温度范围发现了具有较宽转变温度范围的超导体，属于的超导体，属于LaBaCuLaBaCu（镧钡铜）系，进入超导态的开始温（镧钡铜）系，进入超导态的开始温度为度为30K30K，因为该项工作而获得了诺贝尔奖。，因为该项工作而获得了诺贝尔奖。 有机超导体主要有掺碱金属的有机超导体主要有掺碱金属的C60，其中，其中K3C60的的Tc为为18K，Cs铯铯-Rb铷铷-C60的的Tc为为33K。高分子超导体主要是非碳高分子（高分子超导体主要是非碳高分子（SN）x。3、有机高分子超导体、有机

19、高分子超导体 超导的应用，基本上可以分为强电强磁和弱电弱超导的应用，基本上可以分为强电强磁和弱电弱磁两大类。磁两大类。（1）超导强电强磁应用）超导强电强磁应用 主要基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性以主要基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场。高临界磁场。 主要应用在电力方面如超导电缆，超导磁体如主要应用在电力方面如超导电缆，超导磁体如超导磁悬浮列车，巨大环形超导磁体、超导磁分离超导磁悬浮列车，巨大环形超导磁体、超导磁分离等。等。4、超导材料的应用、超导材料的应用电力传输电力传输：超导电缆：解决大容

20、量，低损耗输电的重要：超导电缆：解决大容量，低损耗输电的重要途径。途径。磁悬浮列车磁悬浮列车：磁悬浮列车是一种靠：磁悬浮列车是一种靠磁悬浮磁悬浮力（即磁的吸力（即磁的吸力和排斥力）来推动的列车。由于其轨道的磁力使之力和排斥力）来推动的列车。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，行走时不需接触地面，因此其阻力只有悬浮在空中，行走时不需接触地面，因此其阻力只有空气的阻力。超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超空气的阻力。超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。率强大的电磁铁。作业作业:画出示意图画出示意图,解释磁悬浮列车的工作原理解释磁悬浮列车的工作原理（2）超导弱电弱磁的应用）超导弱电弱磁的应用 基于基