现代功能材料复习合辑

现代功能材料复习合辑第一页，共138页。二、原子核外电子的分布三个基本原理：

泡利不相容原理

在一个原子中不可能存在四个量子数完全相同（即运动状态完全相同）的两个电子。或者，在同一个原子中，最多只能有两个电子处在同样能量状态的轨道中，而且这两个电子的自旋方向必定相反。最低能量原理电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。最多轨道规则（洪特规则）

相同能量的轨道（也称等价轨道）上分布的电子将尽可能分占不同的轨道，而且自旋方向相同。作为洪特规则的特例，对于角量子数相同的轨道，当电子层结构为全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的。即：全充满:p6或d10或f14；半充满:p3或d5或f7；

全空:p0或d0或f0。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.1原子的电子排列

第二页，共138页。第三页，共138页。第二节固体的能带理论与导电性

一、能带的形成基本原理：对于单个原子：单个原子的电子处在不同的分立能级或轨道上。

例如，一个原子有一个2s能级，3个2p能级，5个3d能级。不同能级之间的电子能量各不相同。电子的能量就是其所在能级的能量。单个原子的电子只能占据特定的轨道或能级，在每个能级上可容许有两个自旋方向相反的电子。

各能级之间存在着能隙。能隙是电子能量的“真空”地带。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第四页，共138页。重要概念：满带：被电子填满的能带。空带：没有被电子填充的能带。价带：被价电子占据的能量最高的能带。导带：价带以上的空带。金属导电机理：价带上的电子跃迁到导带上成为自由电子，自由电子在电场作用下作定向运动形成电流。二、金属的能带结构与导电性金属的能带结构第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第五页，共138页。各种金属的能带结构3p02p63s22s21s2(b)碱土金属Mg3s和3p能带重叠，形成扩展能带4s23d63p63s22p62s21s2(c)过渡金属Fe4s和3d能带重叠，形成扩展能带3s12p62s21s2(a)碱金属Na导带价带第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第六页，共138页。

电荷载流子

定义：载带电荷运动的粒子称为电荷载流子。

基本类型：①电子和阴离子

负电荷载流子，也称为负型载流子。②阳离子

正电荷载流子，也称为正型载流子。如Pb2+。③空穴正电荷载流子。在半导体中尤为重要。电导率和载流子：载流子迁移率：在外加电场作用下，载流子在原子尺度的结构中移动的难易程度，即：电导率：由载流子浓度n、每个载流子所带电荷q、载流子迁移率

决定，即：

第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第七页，共138页。

金属的电阻率与温度的关系一般而言，金属的电阻率与温度的关系是线性的，且具有正的温度系数，即随着温度上升，电阻率增加。原理：由于晶体热扰动的强度随温度的上升而成比例地增加，减少了晶体的规则性而使电子的平均自由程减小，从而减小了金属中电子的迁移率，使电阻率增大。电阻温度系数yT与温度T和电阻率的关系：第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第八页，共138页。三、费米能级

费米分布函数f（E）f（E）的物理意义：代表在一定温度下电子占有能量为E的状态的几率。Ef

：费米能

费米能的意义（1）Ef

以下基本上是被电子填满的，Ef以上的能级基本上是空的。（2）由于热运动，电子可具有大于Ef的能量而跃迁到导带中，但只集中在导带的底部。同样理由，价带中的空穴也多集中在价带的顶部。（3）对于一般金属，Ef处于价带和导带的分界处。对于半导体，Ef位于禁带中央。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第九页，共138页。导体、半导体和绝缘体的能带结构（Ev代表价带的最高能量，Ec代表导带的最低能量，Ef是费米能）价带导带EgEfEcEv价带导带EcEv价带导带Ev半导体导体绝缘体Eg第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第十页，共138页。第三节半导体半导体导电特性的两个显著的特点：

半导体的电导率对材料的纯度的依赖性极为敏感。例如，百万分之一的硼含量就能使纯硅的电导率成万倍增加。如果所含杂质的类型不同，导电类型也不同（如电子电导或空穴电导）。

电阻率受外界条件（如热、光等）的影响很大。温度升高或受光照射时均可使电阻率迅速下降。一些特殊的半导体在电场或磁场的作用下，电阻率也会发生变化。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第十一页，共138页。半导体材料的能隙与电子运动性材料能隙/eV电子运动速率孔运动速率/cm2·(V·s)-1/cm2·(V·s)-1C(金刚石)SiGeSn5.41.1070.670.081800190038002500140050018502400两个规律：①沿周期表下移，即依C(金刚石)、Si、Ge、Sn的顺序，能隙依次减小；②在给定的半导体中，电子迁移率大于同一半导体中空穴的迁移率。第②点在讨论与p型半导体相对照的n型半导体时尤其重要。

本征半导体的电荷迁移率第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第十二页，共138页。

本征半导体的电导率与温度的关系当温度升高，价带中电子热运动加剧，使电子能够获得更高的能量，从而使跃迁到导带的电子数增加，电荷载流子数随之增加，最终使电导率增大。本征半导体的电导率：结论：本征半导体的电导率受温度影响很大，随温度的升高呈指数增长。通过测定半导体材料的电导率和温度的关系可以求出其禁带宽度Eg。

第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第十三页，共138页。n型半导体

基本定义：当在纯净的硅(或锗)中掺杂施主杂质时，半导体则主要依靠施主提供的电子导电，此即n型半导体。特点：施主杂质提供的额外电子不能位于价带中，而只能位于靠近禁带的顶部。额外电子与原子结合不够紧密，能量较高，只需外界施以较小的能量就可以进入导带。额外电子进入导带需要克服的能垒为Ed

，通常称为施主能级。它比较接近导带底的能量。控制n型半导体电导率的是Ed

而非是Eg

。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第十四页，共138页。

载流子的浓度：式中：第一项为施主杂质的电子浓度，第二项为无杂质纯半导体的电子和空穴浓度，n0d和n0均大致为常数。

施主耗尽(受主饱和)：在n型半导体中，当温度升高时，有越来越多的施主杂质电子能克服Ed进入导带，最后直到所有杂质电子全部进入导带，即出现施主耗尽。施主耗尽出现时，n型半导体的电导率将不再发生变化。n总＝ne（施主）＋ne（本征）＋nh（本征）n总＝

第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第十五页，共138页。p型半导体

基本定义：当在纯净的硅(或锗)中掺杂受主杂质时，半导体则主要依靠受主提供的空穴导电，此即p型半导体。特点：受主杂质提供的空穴不能位于价带中，而只能是靠近禁带底部。受主杂质接受一个电子并产生空穴所需克服的势垒只稍高于价带，以受主能级Ea表示。

控制p型半导体电导率的是Ea

而非是Eg。载流子的浓度：第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第十六页，共138页。二、超导电性的基本特征零电阻效应（R＝0）材料在某一温度下突然失去电阻的现象，称为零电阻效应。迈斯纳效应（B＝0）处于超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特征叫完全抗磁性或迈斯纳效应。迈斯纳效应（超导球排斥磁通）第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第十七页，共138页。三、超导体的临界参数临界温度Tc

临界温度即超导转变温度。当T>Tc时：超导体呈正常态；当T<Tc时，超导体由正常态转变为超导态。临界磁场Hc

当温度低于Tc时，强磁场也会破坏超导态，即有磁力线穿入超导体内，材料就从超导态转变为正常态。将可以破坏超导态的最小磁场，称为临界磁场。临界电流Ic（临界电流密度Jc）通过超导体的电流也会破坏超导态，当电流超过某一临界值时，超导体就出现电阻。将产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流，称为临界电流。

第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第十八页，共138页。超导部分正常导体部分磁通磁场电流超导态与正常态的混合状态两类超导体：第一类超导体：当H＜Hc时，呈超导性；当H＞Hc时，呈正常态。第二类超导体：有两个临界磁场：下临界磁场和上临界磁场（分别用Hc1和Hc2表示）。

T

<Tc时：当H<Hc1时，与第一类超导体相同，表现出完全抗磁性；当Hc1<H<Hc2时，第二类超导体处于超导态与正常态的混合状态；当H＝Hc2时，超导部分消失，导体转为正常态。通常，第二类超导体的Hc1较小，Hc2

则比Hc1高一个数量级，并且，大部分第二类超导体的Hc2比第一类超导体的Hc要高得多。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第十九页，共138页。五、超导隧道效应

（约瑟夫森效应）

两超导体中间的绝缘层能让超导电流通过的现象，称为超导隧道效应。

延伸：①两块超导体中间夹一层金属可形成约瑟夫森结；②超导体中间为真空，两者靠得很近可行形成约瑟夫森结；③两块超导体构成点接触可行形成约瑟夫森结；④两块超导体构成微桥接触可行形成约瑟夫森结。S1S2nm级厚度的介电势垒I约瑟夫森结示意图

构成约瑟夫森结的关键：两块超导体间呈弱连接。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第二十页，共138页。非极性电介质由非极性分子组成，在无外加电场时分子的正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩，只是在外加电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶极矩。极性电介质由极性分子组成，即使在无外电场时每个分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电偶极矩。电解质的分类：第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

H2O的比例模型H2O的球棍模型第二十一页，共138页。

极化机制电介质极化的三种主要基本过程：电子极化由材料中原子核外电子云畸变产生。离子极化由材料的分子中正、负离子相对位移造成。又称原子极化。转向极化由材料分子的固有电矩在外电场作用下转动而导致。又称分子极化、取向极化。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第二十二页，共138页。介电常数、真空介电常数0、相对介电常数r、介电极化率的关系真空介电常数0＝8.85×10-12F·m-1第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第二十三页，共138页。第六节材料的磁性一、原子的磁矩

磁性的强弱是指物质本身固有的磁矩大小，与原子磁矩有关。原子的磁矩由电子轨道磁矩和电子自旋磁矩两部分组成。电子轨道磁矩B＝，称为玻尔磁子，是计算磁矩的最小单位，其值为9.27×10-24A·m2；l为决定轨道角动量的量子数；h为普朗克常数；

“－”表示轨道角动量PL的方向与

L的方向相反。erlPL电子的轨道运动第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第二十四页，共138页。两种情况的分析：①内层全部填满电子，外层未填满电子，即有外层价电子价电子虽有净磁矩，但对多原子聚合体来说，各原子的净磁矩将互相抵消，因此不显示固有磁矩。②内层和外层均未填满电子各原子的净磁矩将不能相互抵消，如过渡族元素——铁、钴、镍，稀土元素——钆(Gd)，这些元素具有固有磁矩。特别提示：电子壳层未被电子填满，只是物质是否显示磁性的必要条件，而非充分条件。举例：铜、铬、钒以及所有的镧系元素都有未被填满的电子层，但上述三个元素以及除钆和一些重稀土元素以外的所有镧系元素，都不会显示出磁性。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第二十五页，共138页。二、磁化强度与磁化率

磁化强度

磁化强度是描述物质磁性强弱和磁化状态的物理量，它表示物质固有磁矩的大小，其物理意义是物质单位体积的原子磁矩的总和：磁化率物质在磁场中磁化后，其磁化强度与磁场强度的关系是：

是磁化率，代表物质磁化的难易程度。

(A·m-1)第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第二十六页，共138页。、

0、

r分别是材料的磁导率、真空磁导率和相对磁导率。相对磁导率取决于物质的本性及磁场强度的大小，无量纲，

0＝4×10-7H·m-1。

磁化强度与磁感应强度的关系

在磁场中，不同的物质所引起的磁场的变化是由于它们的磁化强度不同而造成的。因此，的作用相当于在物质中产生的一个附加磁场。磁化强度与磁感应强度的关系：地球的磁感应强度为6×10-5T

典型棒状磁体的磁感应强度为1T。

(T)第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第二十七页，共138页。M，A/mH，A/m顺磁体（>0）抗磁体（<0）抗磁质和顺磁质的磁化曲线M，A/mB，A/mH，A/m铁磁质的磁化曲线M－HB－HHsBsMs第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第二十八页，共138页。磁畴结构

磁畴：海森堡（Heisenberg）和魏斯（Weiss）磁畴理论：①铁磁性物质由许多小磁畴组成的。磁畴尺寸大小不等，平均小于晶粒尺寸。每一磁畴含109～1015原子。②在每一磁畴内电子的自旋磁矩方向相同（即产生自发磁化），且通常沿着易磁化方向，从而使单个磁畴具有很高的磁饱和强度。由于晶体中易磁化方向有多个，如铁的易磁化方向有6个，镍有8个，所以，铁磁性物质在宏观上并不呈现磁性。③磁化曲线可用磁畴移动给予解释。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第二十九页，共138页。磁畴结构

磁畴：海森堡（Heisenberg）和魏斯（Weiss）磁畴理论：①铁磁性物质由许多小磁畴组成的。磁畴尺寸大小不等，平均小于晶粒尺寸。每一磁畴含109～1015原子。②在每一磁畴内电子的自旋磁矩方向相同（即产生自发磁化），且通常沿着易磁化方向，从而使单个磁畴具有很高的磁饱和强度。由于晶体中易磁化方向有多个，如铁的易磁化方向有6个，镍有8个，所以，铁磁性物质在宏观上并不呈现磁性。③磁化曲线可用磁畴移动给予解释。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第三十页，共138页。被照射物质的电子与光子的交互作用结果：

吸收电子从价带被激发至导带电子不能从价带被激发至导带不透明透射透明光的吸收与透射的物理本质：价带导带EgEfEcEv价带导带EcEv价带导带Ev半导体导体绝缘体Eg第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第三十一页，共138页。二、材料的发光性能发光：

指材料在吸收外界能量后，其中部分能量以频率在可见光范围的光子向外发射的现象。发光的特征发光的第一个特征——颜色：材料发光光谱（又称发射光谱）的三种类型：宽带：半宽度——100nm，如CaWO4；窄带：半宽度——50nm，如Sr2(PO4)Cl:Eu3+；线谱：半宽度——0.1nm，如GdVO4:Eu3+。一种材料的发光光谱属于哪一类，既与基质有关，又与杂质有关。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第三十二页，共138页。

发光的种类荧光：材料价带中的电子受外界激发跃迁到导带，并在那里停留很短的时间(10－8s左右)，然后自发地返回到价带中，并相应地放出光子，即为荧光，其波长由＝hc/Eg确定。当外界激发源去除，荧光这种发光现象随即很快消失。磷光：由微量杂质引入了施主能级后，被激发到导带中的电子在返回价带之前，首先落入施主能级并被俘获，停留一段较长的时间(大于10－8s)，然后才返回价带，这时也相应地放出光子，便称为磷光，其波长由＝hc/(Eg－Ed)确定。磷光能持续一段较长的时间。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第三十三页，共138页。辐射能量的两种途径：自发辐射：电子无规则地从激发态跃迁到基态。受激辐射：具有一定能量的光子与处于激发态的电子相互作用，使电子跃迁到基态，同时激发出第二个光子。E1E2自发辐射E1E2受激辐射h这种受激发射的光就是激光。hh第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第三十四页，共138页。①激光产生的必要条件当外界光子与材料发生相互作用时，既有可能发生吸收过程，也有可能产生受激辐射。是否产生激光，要看处于激发态和基态粒子的相对数目，如果激发态中的粒子数较多，则受激辐射占优势，就会产生激光；反之，则是吸收占优势。入射光子引发受激辐射或被吸收hhh引发受激辐射E2E1h吸收E2E1第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第三十五页，共138页。三、材料的光电效应物质在受到光照后而引发的某些电性质的变化的现象称为光电效应。

光电效应有光电导效应、光生伏特效应和光电发射效应三种。前两种效应发生在物体内部，统称为内光电效应，它一般发生于半导体中；光电子发射效应产生于物体表面，又称外光电效应，它主要发生于金属中。

光电导效应半导体在受到光照射时，其电导率发生变化的现象称为光电导效应。光电导效应的物理本质：半导体受光照射，内部将激发出新的载流子，称为光生载流子或非平衡载流子，从而使电导率发生变化。

本征光电导和杂质光电导：若光子的能量h大于半导体的禁带宽度Eg，则价电子将被激发至导带，出现附加的电子－空穴对，使电导率增大，此为本征光电导；若光照仅激发半导体禁带中杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率，则为杂质光电导。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第三十六页，共138页。

光生伏特效应光照射到半导体的p-n结上时，在p-n结的两端会出现电势差，p区为正极，n区为负极。这一电势差可以用高内阻的电压表测量出来，这种效应称为光生伏特效应，简称光伏效应。－＋自建电场

光生伏特效应的原理：

p-n结两侧存在载流子浓度差，导致n区电子向p区扩散，p区空穴向n区扩散，结果在p-n结附近的p区一侧出现了负电荷区，而n区一侧出现了正电荷区，称为空间电荷区。空间电荷的存在形成了一个自建电场，其方向由n区指向p区。自建电场一方面能阻止空穴和电子进一步移动，最终达到平衡状态；另一方面能推动n区空穴和p区电子分别向对方运动。

pn第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第三十七页，共138页。

当光照射到p-n结上时，只要光子能量h>Eg，就可以在p区、n区和p-n结区激发出电子－空穴对，打破原有的平衡状态。在p-n结附近区域产生的电子在自建电场作用下将穿过势垒到达n区，并积累起来。同样，p-n结附近区域产生的空穴也以这样的方式到达p区，也积累起来。这样，在n区就积累了较多的负电荷，在p区就积累了较多的正电荷，这相当于在p-n结上加上了正向电压，即由于光照而在p-n结的两端出现了电动势（称为光生电动势）。hpn－＋自建电场I第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第三十八页，共138页。pnp耗尽层n----------++++++++++空穴电子动平衡时p

型与n

型接触区域的电势变化p-n结的内建电场电势电子势能第三十九页，共138页。无光照P型N型P型N型EfpEfnEf能级弯曲的原因：在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级p-n结的能带图第四十页，共138页。有光照第四十一页，共138页。

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，即产生光电发射效应。光电发射的三个过程：光吸收、电子向界面运动和克服表面势垒向外逸出。光电发射遵守的规律：

式中，W为材料的逸出功；h为光子能量；umax为光电子逸出材料后具有的最大速率。只有h≥W，才能产生光电发射，即入射光频率有一下限值(波长有一上限值)，称为红限频率，相应的波长称为红限波长。一个光子与其所能引致的发射光电子数之比，称为量子效率，一般为0.1～0.2。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第四十二页，共138页。导电材料可分为电子导电材料和离子导电材料两大类。三大类电子导电材料：①导体：电导率

≥105S·m-1（或-1·m-1）；②半导体：电导率在10-8～104S·m-1之间；③超导体：电导率趋于无限大（T＜Tc）。第二章电性材料第一节导电材料导电材料纯金属合金铜铝其他(银、金、镍、铂等)铜合金铝合金其他(银合金、金合金、镍合金等)导电材料的性能要求：高的电导率，高的力学性能、良好的耐腐蚀性能和加工性能。第四十三页，共138页。一、导电材料的种类及应用纯金属电导率

在107～108S·m-1之间。

1、铜纯铜，又称紫铜，外观呈淡紫红色。优点：良好的导电性（仅次于银）、耐腐蚀性、塑性加工性。缺点：硬度低、耐磨性差、易与硫生成硫化铜而致使导电性能降低。因此，用铜制造的导线不能与硫化过的橡胶直接接触，使用时必须在铜导线外面预先镀好一层锡。影响铜导电性能的因素：杂质(如氧)、冷加工等将降低铜的电导率。改善措施：在保护气氛下可以重熔出无氧铜，具有塑性高，电导率高的特点。冷加工制成的纯铜经400～600C退火处理，可使其导电性能有所恢复。第二章电性材料第四十四页，共138页。

2、铝铝的电导率约为铜的61%，密度为铜的30%，机械强度为铜的1/2，比强度比铜高约30%。优点：良好的导电性，资源丰富，价格便宜。缺点：强度低，热稳定性较差，不易焊接，与其他电极电位较大的金属(如铜)接触时耐腐蚀能力降低。例如，在环境潮湿中，易形成电动势相当高的局部电池而遭受严重的腐蚀破坏。因此，在选用铝材时，应避免高电极电位杂质的存在，而对铝线与铜线的接合处，则要增加保护措施。影响铝的性能的因素：杂质使铝的电导率下降（其中铬、锂、锰、钒、钛等影响较大，须严格控制）。冷加工对铝的电导率影响不大（例如经90%以上冷变形，铝的抗拉强度可提高5～6倍，电导率降低约1.5%）。第二章电性材料第四十五页，共138页。

3、其他纯金属（1）银特点：具有最高的电导率，极好的加工性，但价格较高。在贵金属中，银又是价格最低的。应用：接点材料、云母与陶瓷电容器的被覆与烧渗银电极、银基焊料、导线电镀材料、制造高分子导电复合材料的导电相材料等。（2）金特点：电导率与铝相近，化学性质稳定，但价格昂贵。应用：接点与电镀材料，引线和连接材料等。（3）镍特点：熔点较高，便于焊接。应用：电真空器件(如支架、栅板、极板、隔离罩等)。（4）铂特点：良好的化学稳定性、良好的加工性。应用：触点材料、高温热电偶材料、厚膜导体及电极材料等。第二章电性材料第四十六页，共138页。室温下一些纯金属的电导率材料类别

/S·m－1材料类别

/S·m－1银（Ag）6.3×107铁（Fe）1.03×107铜（Cu）5.85×107铂（Pt）0.94×107金（Au）4.25×107钯（Pd）0.92×107铝（Al）3.45×107锡（Sn）0.91×107镁（Mg）2.2×107钽（Ta）0.8×107锌（Zn）1.7×107铬（Cr）0.78×107钴（Co）1.6×107铅（Pb）0.48×107镍（Ni）1.46×107锆（Zr）0.25×107第二章电性材料第四十七页，共138页。

（2）硅和锗单晶的制备

首先获得超高纯度的硅或锗的多晶材料，然后制备硅或锗单晶。第二章电性材料石英管高频加热器惰性气体(N2)拉伸装置石墨制螺杆容器气体出口半导体材料区熔提纯法示意图区熔提纯原理：利用溶质在凝固时的重新分布来获得提纯效果。将原料装入螺杆状容器内，采用感应加热使一部分原料熔化，然后缓慢移动熔化部分，杂质（溶质）则陆续淀积于螺杆容器的终端，经过多次循环作用，即可获得到超高纯度的半导体多晶材料，有害杂质的含量小于0.01×10-6。第四十八页，共138页。石英坩埚石墨托石墨加热器保温筒电极硅单晶籽晶现代直拉炉示意图第二章电性材料直拉单晶原理：首先将区域熔炼法得到的高纯度硅或锗多晶材料装入坩埚中使之熔化，然后加热到比材料熔点稍高的温度后保持炉温。将籽晶夹在籽晶杆上，随后让籽晶杆下降，使籽晶与液面接触，接着缓慢降低温度，同时使籽晶杆一边旋转，一边向上提拉，这样晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大，最终成长为单晶硅锭或单晶锗锭。第四十九页，共138页。第二章电性材料

4、晶体管最简单的晶体管：在一块半导体单晶片上，采取一定的工艺措施，在三个区域分别掺杂，形成串联的p-n结，即一个最简单的晶体管。晶体管的特性：信号放大。多余的空穴多余的电子nnp一个npn双极结晶体管第五十页，共138页。npn发射区集电区基区外部负载IexVbcVeb基区-集电区结上承受较大的反向偏压（Vbc），回路中的电流很小。发射区-基区结上受到较小的正向偏压的作用（Veb），在发射区-基区结界面附近区域中，发生空穴和电子的复合。这种复合并不能都准确地发生于结界面上。来自发射区的一些电子，在复合前已穿过发射区-基区结进入基区。若基区足够薄，则来自发射区的未复合电子将跨过基区-集电区结。电子一旦跨过基区-集电区结，将快速被吸引到集电区右侧高电位处，如果未复合电子足够多，就会有一个较大的电流流过外部负载。第二章电性材料晶体管的工作原理：第五十一页，共138页。第二章电性材料

（1）镧锶铜氧化物（La-Sr-Cu-O）超导体

La2-xMxCuO4(M＝Sr,Ba)由LaCuO4掺杂得到，具有K2NiF4结构。特点：具有准二维结构特征，属四方晶系。纯La2CuO4没有超导电性，有过量氧的La2CuO4+

才是超导体。当部分La3+离子被二价Ba2+和Sr2+替代时才显示出超导性质，超导转变温度在20～40K之间。（2）钇钡铜氧化物（YBa2Cu3O7-

）超导体

YBa2Cu3O7-

由三个类钙钛矿单元堆垛而成的。特点：随氧含量的降低，结构由正交相转变为四方相，Tc逐渐降低。

三个典型YBa2Cu3O7-

超导相：

Y-123(YBa2Cu3Oy)，Tc＝93K；

Y-124(YBa2Cu4Oy)，Tc＝80K；

Y-247(Y2Ba4Cu7Oy)，Tc＝40K。第五十二页，共138页。第二章电性材料

（1）镧锶铜氧化物（La-Sr-Cu-O）超导体

La2-xMxCuO4(M＝Sr,Ba)由LaCuO4掺杂得到，具有K2NiF4结构。特点：具有准二维结构特征，属四方晶系。纯La2CuO4没有超导电性，有过量氧的La2CuO4+

才是超导体。当部分La3+离子被二价Ba2+和Sr2+替代时才显示出超导性质，超导转变温度在20～40K之间。（2）钇钡铜氧化物（YBa2Cu3O7-

）超导体

YBa2Cu3O7-

由三个类钙钛矿单元堆垛而成的。特点：随氧含量的降低，结构由正交相转变为四方相，Tc逐渐降低。

三个典型YBa2Cu3O7-

超导相：

Y-123(YBa2Cu3Oy)，Tc＝93K；

Y-124(YBa2Cu4Oy)，Tc＝80K；

Y-247(Y2Ba4Cu7Oy)，Tc＝40K。第五十三页，共138页。第二章电性材料

（1）镧锶铜氧化物（La-Sr-Cu-O）超导体

La2-xMxCuO4(M＝Sr,Ba)由LaCuO4掺杂得到，具有K2NiF4结构。特点：具有准二维结构特征，属四方晶系。纯La2CuO4没有超导电性，有过量氧的La2CuO4+

才是超导体。当部分La3+离子被二价Ba2+和Sr2+替代时才显示出超导性质，超导转变温度在20～40K之间。（2）钇钡铜氧化物（YBa2Cu3O7-

）超导体

YBa2Cu3O7-

由三个类钙钛矿单元堆垛而成的。特点：随氧含量的降低，结构由正交相转变为四方相，Tc逐渐降低。

三个典型YBa2Cu3O7-

超导相：

Y-123(YBa2Cu3Oy)，Tc＝93K；

Y-124(YBa2Cu4Oy)，Tc＝80K；

Y-247(Y2Ba4Cu7Oy)，Tc＝40K。第五十四页，共138页。磁致伸缩效应及其表征磁致伸缩效应 在磁场中磁化状态改变时，铁磁和亚铁磁材料引起尺寸或体积微小的变化，称为磁致伸缩。焦耳发现磁致伸缩效应Villari发现逆磁致伸缩效应第五十五页，共138页。

因为磁致伸缩量极小，可由应变张量S的分量表示 如i表示三个互相垂直方向的线磁致伸缩，则 由于一般金属及合金的体积磁致伸缩系数很小，所以现在大量研究和应用的是线磁致伸缩系数，亦被称为磁致伸缩系数。第五十六页，共138页。

沿不同方向测量出的不同。一般情况下，是指沿磁场方向的测量值。通常有纵向磁致伸缩系数（用∥表示）和横向磁致伸缩系数（用⊥表示）。

∥=(dl/l)∥ (沿磁场方向测量值) ⊥=(dl/l)⊥ (垂直磁场方向测量值)第五十七页，共138页。

是磁场和温度的函数。在一定温度下，││随磁场强度增加而增大，达到饱和磁化时，达到一稳定的饱和值，称为饱和磁致伸缩系数，以s表示，可正、可负。s正：铁磁化时，随磁化强度M的增加至饱和磁化强度Ms，沿磁化方向发生伸长。s负：镍磁化时，随磁化强度M的增加至饱和磁化强度Ms，沿磁化方向发生缩短。

一般资料中的值即是指s。第五十八页，共138页。对单晶体而言，s是一个各向异性的物理量。不同晶向的s值用100、110、111等表示。材料的磁致伸缩系数不仅与化学成分有关，而且与材料的热处理状态有密切关系。这主要是因为磁畴分布、磁化过程与热处理有密切关系。第五十九页，共138页。某些多晶体的-H曲线关系与M-H曲线关系类似。铁的情况较复杂，在某磁场强度值时会发生变号，也是磁致伸缩的各向异性所致。铁在弱及中等强度的磁场中时，[100]晶向的起主要作用，而在强磁场中，[111]晶向的起主要作用。第六十页，共138页。

磁致伸缩也有磁滞现象。当磁场由正到负循环变化一周时，可得到一条磁致伸缩系数回线。几种铁磁体磁致伸缩系数随磁场的变化第六十一页，共138页。软磁材料磁性材料磁记录材料硬磁材料磁性材料是应用物质的磁性和各种磁效应，以满足电工设备、电子仪器、电子计算机等各方面技术要求的金属、合金及铁氧体化合物材料。磁性材料的基本参量：起始磁导率i、最大磁导率m、矫顽力Hc、剩余磁感应强度Br、最大磁能积(BH

)m等。磁性材料的类别：第三章磁性材料｝特性比较第六十二页，共138页。第一节软磁材料软磁材料是电力和电子工业中的重要磁性材料。

一、软磁材料的特性矫顽力低一般为Hc<0.8kA/m。易磁化在磁场中容易显示磁性，即使磁场强度较小。易退磁施加外磁场即显示磁性，去掉外磁场，则获得的磁性便会全部或大部分丧失。第三章磁性材料－§3.1软磁材料第六十三页，共138页。软磁材料的磁滞回线BrO-HcHc-BrBHBs-Bs二、软磁材料的基本性能要求贮能高：要求单位体积贮存的磁能量高。磁性参量的要求：高的Bs或Br。灵敏度高：要求在弱磁场中对信号有高灵敏性。磁性参量的要求：高的i和m。效率高：要求在磁场中工作时具有低的磁滞损耗和涡流损耗。磁性参量的要求：低的Hc，高的。回线矩形比高：保证噪音小，信号不失真等。磁性参量的要求：高的Br/Bs比值。稳定性好：要求磁性不随外界条件变化而改变，其变化率越小则稳定性越好。第三章磁性材料－§3.1软磁材料第六十四页，共138页。HBBr-HcO硬磁材料的退磁曲线第二节硬磁材料硬磁材料是在磁场中被磁化后能够显示磁性，磁场撤除之后仍然保持较强磁性的一类铁磁物质，又称永磁材料、恒磁材料。一、硬磁材料的基本性能要求最大磁能积(BH

)m大可在给定的空间产生足够大的磁场H。

决定(BH

)m大小的两个因素：①Hc和Br：Hc和Br越大，(BH)m则越大。②退磁曲线的形状：退磁曲线的凸起越显著，(BH)m则越大。磁稳定性好要求磁铁产生的磁场不随时间、应力、温度、振动、辐射及电磁场的变化而变化，或变化很小。

第三章磁性材料－§3.2硬磁材料第六十五页，共138页。一、磁记录技术与原理磁记录模式三种记录模式：

1、纵向（水平）记录利用磁头位于磁记录介质面内的磁场纵向(水平)矢量来写入信息。

2、垂直记录利用磁场的垂直分量在具有各向异性的记录介质上写入信息。

3、磁光记录利用光头，靠激光束加磁场来写入信息，利用磁光效应读出信息。磁记录材料磁头材料磁记录介质材料磁记录材料的类别：第三章磁性材料－§3.3硬记录材料第六十六页，共138页。磁记录系统四个基本单元：

1、存储介质即磁记录材料，如磁带、磁盘等。

2、换能器即磁头。

3、传送介质装置即磁记录介质传送机构。

4、电子线路与上述单元相匹配的电路。第三章磁性材料－§3.3硬记录材料第六十七页，共138页。纵向磁记录过程

磁记录过程以纵向记录模式为例：

1、信号的记录磁头线圈中的信号电流在缝隙产生磁场溢出，使磁介质(磁带)磁化，产生的剩磁对应着信号电流。电流信号→磁信号

2、信号的读出已磁化的介质重新接近磁头时，通过拾波线圈感生出磁通，磁通大小与磁介质中的磁化强度成比例。磁信号→电流信号第三章磁性材料－§3.3硬记录材料第六十八页，共138页。第一节激光材料一、激光的特性和激光器的基本结构激光的特性

①定向性或准直性好一般光线是发散开来的。②波长单一，即单色性好一般光通常是由几种不同频率的光组成的。③具有相干性激光的光波都是同相位的，可以互相增强，而一般光是非相干的。④强度大，亮度高。激光的上述四个特性都很重要，每一个特性都能开发出许多重要的应用。第四章光学材料－§4.1激光材料第六十九页，共138页。二、固体激光器材料

固体激光器材料应具备的条件①应具有合适的光谱特性②激发态吸收要小③具有良好的光学均匀性和稳定性④应具有良好的物化性能固体激光工作物质

固体激光工作物质由激活离子和基质晶体两部分构成。

1、激活离子（1）激活离子的作用实现粒子数反转。

激活离子在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激光，即实现将低能级上的粒子“抽运”到高能级上去。激活离子是激光晶体的发光中心，激光的波长即由激活离子的种类决定。第四章光学材料－§4.1激光材料第七十页，共138页。（2）激活离子的种类

①过渡金属离子

Ti3+、V2+、Cr3+、Co2+、Ni2+和Cu+等，在不同晶体中，其光谱特性有很大差异。②三价稀土离子镧系稀土元素Nd3+(钕)、Pr3+(镨)、Sm3+(钐)、Eu3+(铕)、Dy3+(镝)、

Ho3+(钬)、Er3+(铒)、Tm3+(铥)和Yb3+(镱)等，以Nd3+最常见。对一般光泵的吸收效率较低，因此应采用敏化技术或提高掺杂浓度等措施来提高效率。③二价稀土离子

Sm2+、Tm2+、Er2+和Dy2+等。有利于泵浦光的吸收，但不稳定。④锕系离子主要是U3+。由于有放射性，不易制备，使用不方便，实用较困难。第四章光学材料－§4.1激光材料第七十一页，共138页。三能级系统能实现粒子数反转激励抽运W21E1E2E3E0E3E1寿命短,E2是亚稳态.因此能容易实现E2与E1四能级体系效率高四能级系统能更容易地实现粒子数反转激励抽运E1E2E3W21E3与E1构成一个宽吸收带E3上的原子无辐射跃迁到E2E2与E1构成粒子数反转.三能级体系效率不高.能级的粒子数反转.激活离子第七十二页，共138页。YAG:Nd（Y3Al5O12）KTP（KTiOPO4）CLBO（CsLiB6O12）

2、基质晶体。（1）基质晶体的要求基质晶体一般是单晶体，应有良好的机械强度、良好的导热性和较小的光弹性，对产生激光的吸收应接近零，且光学性能均匀。基质晶体都是“宝石”。一些常见的激光晶体第四章光学材料－§4.1激光材料第七十三页，共138页。三、半导体激光器的基本结构基本结构

+++++-----反射镜面（晶体劈开面）激光束激光束电极空穴流电子流活性区p区n区半导体激光器的基本结构第四章光学材料－§4.1激光材料第七十四页，共138页。半导体激光器产生激光的条件

（1）利用电流注入的少数载流子复合时放出的能量须高效率变换为光。一般必须是直接带隙半导体。

（2）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。载流子浓度低于某一阈值，仅引起注入发光，但不会发生激光。

（3）具备谐振器。利用垂直于结面而且平行的二极管两个侧面作为反射镜即可。

第四章光学材料－§4.1激光材料第七十五页，共138页。半导体激光器的工作原理

半导体的p-n结提供价带的空穴和导带的电子，利用它们越过带隙的复合而释放出光，这时，如进行泵浦和光学谐振，便可以实现受激辐射。

图a：电子与空穴自发复合，并放出一个光子图b：电子与空穴受激复合，放出两个光子图c：能量、相位相同的两个光子射向右边并被反射回来

图d：光子来回运动时，激发出越来越多的光子图e：形成相干的光束图f：一部分激光束就被引导出来半导体激光发射原理第四章光学材料－§4.1激光材料第七十六页，共138页。

第四章光学材料－§4.2光纤材料第七十七页，共138页。光的传输模式具有一定频率、一定的偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式，或称为光的一种波型。传输模式是光纤最基本的传输特性之一。两种模式的光纤：单模光纤：直径仅3～10m，与光波的波长相近，只允许传输一个模式的光波。多模光纤：直径为几十至上百微米，允许同时传输多个模式的光波。第四章光学材料－§4.2光纤材料第七十八页，共138页。

由光学损耗引起的光脉冲振幅衰减由光学色散引起的光脉冲失真

第四章光学材料－§4.2光纤材料第七十九页，共138页。

由光学损耗引起的光脉冲振幅衰减由光学色散引起的光脉冲失真

（dB/km）第四章光学材料－§4.2光纤材料第八十页，共138页。光纤的传输特性传输损耗吸收损耗本征吸收电子跃迁引起的紫外吸收分子振动引起的红外吸收杂质吸收金属离子的吸收OH－离子引起的吸收散射损耗本征散射玻璃的密度不均匀引起折射率不均匀掺杂不均匀引起的散射波导散射光纤结构的不完整（纤芯的直径起伏，界面粗糙等）光学散射材料色散不同波长的光在介质中的折射率不一样模式色散不同模式的光脉冲在光纤中传播速度不同会产生传输时间差波导色散光纤结构引起的光传播速度的变化第八十一页，共138页。发光现象经历的物理过程为了解释发光物质的定义，下图给出了光致发光物质的晶体。它包括基质、发光中心（通常称为激活剂）。例如，典型的发光物质Al2O3:Cr3+和Y2O3:Eu3+，它们的基质分别是Al2O3和Y2O3，激活剂分别是Cr3+和Eu3+。第四章光学材料－§4.3发光材料AEXCEMHEATSEXCEMHEATAHEATETEXC-激发，EM-发射（辐射回基态），HEAT-非辐射回基态，ET-能量传递。Al2O3:Cr3+经紫外光或可见光激发，会发出深红色的光。红宝石对紫外光或可见光区的吸收应归因于Cr3+，基质Al2O3完全不参与光的吸收和发射。Ca5(PO4)3F:Sb3+,Mn2+其中，Sb3+吸收紫外辐射，Mn2+不吸收紫外辐射。在紫外光照射下，发出的光包括Sb3+发出的蓝色光和Mn2+发出的黄色光。由于Mn2+不被直接激发，因此激发能力应由Sb3+转移到Mn2+能量吸收：Sb3+＋hν→(Sb3+)*能量转移：(Sb3+)*＋Mn2+→Sb3+＋(Mn2+)*发射过程：(Mn2+)*→Mn2+＋hν若在Sb3+附近没有Mn2+，那么只能蓝色光发出。发光物质中激活剂和敏化剂离子的含量一般为百分之几（摩尔分数），而且一般情况下它们在基质中的分布是极为均匀的。第八十二页，共138页。发光现象经历的物理过程不过有的时候，激活剂的含量可以达到100%。高含量发光物质CaWO4就是一个典型的例子，其中W是发光中心，它的基质是有Ca2+和WO42-组合而成的。有时也可以不必激发低含量的激活剂和敏化剂，而是激活基质。在一些情况下，基质将能量转移给激活剂，这样基质就扮演了敏化剂的角色。例如在YVO4:Eu3+中，作为基质晶格的VO43-被紫外光激发，所发的光中却包含Eu3+发的光。这表明基质可以将激发能量转移给Eu3+。又如ZnS:Ag+是一种用于显像管发蓝光的阴极射线粉。紫外线、电子束、X射线激发硫化物基质，然后硫化物迅速将能量转移给激活剂Ag+。尽管还有一些基础性的背景知识没有介绍，但是到此为止，我们应该已经了解到了一下在发光物质中发挥重要作用的物理过程：通过激活剂、敏化剂、或基质吸收能量的过程，即激发过程；激活剂发光非辐射回到基态（此过程降低物质的发光效率）发光中心之间的能量转移第四章光学材料－§4.3发光材料第八十三页，共138页。按照发光中心与发光效率分：2.复合发光

源于固体本征态的辐射跃迁

如II-VI、III-V族半导体发光1.分立中心发光3.特殊的复合发光BaF2型

固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）发光分类发光的物理机制第八十四页，共138页。一、分立中心发光

—RE3+发光，杂质、缺陷发光

其发光通常是掺杂在透明基质材料中的离子，或基质材料自身结构的某一个基团。选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。发光中心分布在晶体点阵中，受晶体点阵作用，使其能量状态发生变化进而影响材料的发光性能。第八十五页，共138页。根据发光中心与晶体点阵之间相互作用的强弱可分为两种情况：发光中心基本上是孤立的它的发光光谱与自由离子相似；发光中心受基质点阵电场（或晶体场）影响较大，其发光特性与自由离子不同必须把中心和基质作为一个整体来分析。第八十六页，共138页。稀土离子发光：“4f4f”电子组态间的跃迁

如Tb3+,Eu3+,Gd3++,Pr3+…线谱，禁戒部分解除）“4f5d”电子组态间的跃迁

如Ce3+带谱，允许跃迁

特点：及其丰富的能级，具有光谱的可调性。第八十七页，共138页。

缺陷发光—F心，PWO的绿光、红光中心，

ZnO的绿光，ZrO2的发光氧化物、氟化物、碱卤化物，负离子缺位（电子陷阱）+eF心第八十八页，共138页。1.固体“导带电子—价带空穴”间的复合2.“导带电子—受主A（空穴）”或“价带空穴—施主D（电子）”或“D—A”复合3.激子（“e—h”）或束缚激子的复合二、复合发光第八十九页，共138页。固体中可能的跃迁（1）带间吸收；（21）带间发射或自由激子发射（因有一定结合能，略<Eg,图上未显示）；（22）有一定声子参与的光发射；（3）—（5）与杂质、缺陷有关的辐射复合；（6）分立中心内部的发射；（7）无辐射（多声子）弛豫；（8）俄歇Auger过程第九十页，共138页。复合发光效率：带间跃迁直接—高（仅有光子参与的电子跃迁）间接—低（有光子和声子同时参与的电子跃迁）带间跃迁中要保持能量守衡和动量守衡第九十一页，共138页。某些较重要的灯用荧光粉基质分子式激活剂发光颜色硅酸锌Zn2SiO4锰绿硅酸钙CaSiO3铅、锰粉红卤磷酸钙Ca(PO4)3(F·Cl)锑、锰蓝到粉红磷酸锶镁(SrMg)3(PO4)2锡淡红白磷酸钡钛Ba4Ti(PO4)4－蓝白钨酸钙CaWO4－深蓝钨酸镁MgWO4－淡蓝镓酸镁MgGa2O4锰蓝绿氟锗酸镁Mg4GeO6MgF2锰深红氟砷酸镁Mg6As2O11MgF2锰深红氧化钇Y2O3铕红钒酸钇YVO4铕红铝酸镁RMgAl11O19(R=铈、铽)铕绿铝酸钡镁BaMg2Al16O27铕蓝第四章光学材料－§4.3发光材料第九十二页，共138页。上转换发光材料上转换发光：发光体在红外光的激发下，发射可见光，这种现象称为上转换发光，这种发光体称为上转换发光材料。上转换发光的三种情况：

①原子能级中存在一个中间能级，处于基态的电子在光激发下跃迁至该中间能态，并停留足够长的时间，以致它还能吸收另一个光子而跃迁到更高的能级。电子从这个更高的能态向基态跃迁时，就发射出波长比激发光的波长更短的光。②原子能级中虽没有中间能级，但发光体可以连续吸收两个光子，使基态电子直接跃迁到比激发光光子的能量大得更多的能级，从而发出波长更短的光。③材料中有两个敏化中心被激发，它们把激发能按先后顺序或同时传递给发光中心，使其中处于基态的电子跃迁到比激发光光子能量更高的能级，然后弛豫下来，从而发出波长短得多的光。第四章光学材料－§4.3发光材料第九十三页，共138页。三、射线致发光材料两类射线致发光材料：阴极射线致发光材料和放射线致发光材料。阴级射线致发光材料

1、阴极射线发光的三个基本过程①电离过程

当高能电子束激发发光物质时，晶体吸收激发能，由于基质大大多于激活剂，引起基质价带或满带电子的激发。②电子和空穴的运动过程

满带中的电子被电离后进入导带，在满带中产生了空穴，电子和空穴分别在导带和满带中扩散。③电子－空穴对复合发光过程由电子束轰击发光物质而引起的发光现象，又称为电子束激发发光。

由高能、射线，或X射线轰击发光物质而引起的发光现象。第四章光学材料－§4.3发光材料第九十四页，共138页。四、等离子发光材料等离子的特征及发光机理

1、等离子体的特征宏观物质在一定的压力下随温度升高由固态变成液态，再变为气态（有的直接变成气态）。当温度继续升高，气态分子热运动加剧。当温度足够高时，分子中的原子由于获得了足够大的动能，便开始彼此分离。分子受热时分裂成原子状态的过程称为离解。若进一步提高温度，原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子。失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程称电离。除了加热能使原子电离（热电离）外，还可通过吸收光子能量发生电离（光电离），或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原子碰撞发生能量交换，从而使气体电离（碰撞电离）。第四章光学材料－§4.3发光材料第九十五页，共138页。第一节压电材料

1880年，P.居里和J.居里兄弟发现：当对石英晶体在某些特定方向上加力时，在垂直于作用力的平面上出现正、负束缚电荷，即发生电极化。由此发现材料的压电性。一、压电效应

1、正压电效应当外加应力T作用于某些单晶或多晶介电体并使它们发生应变S时，介电体内的正负电荷中心会产生相对位移，并在某两个相对的表面产生异号束缚电荷。这种由应力作用使材料发生电极化(即带电)或电极化的变化的现象称为正压电效应。

2、逆压电效应

与正压电效应产生的过程相反，当对这类介电体施加外电场并使其中的正负电荷中心产生位移时，该介电体要随之发生变形。这种由电场作用使材料产生形变的现象称为逆压电效应。第五章功能转换材料

－§5.1压电材料第九十六页，共138页。三、压电材料

1.压电晶体

（1）石英(SiO2)

晶体结构：三方晶系。特点：①压电效应出现在X、Y轴上，在Z轴上无压电效应。

②压电性能稳定，内耗小，但K值不是很大。

应用：频率稳定器、扩音器、电话、钟表等。

（2）含氢铁电晶体晶体结构：三方晶系。特点：应变Sx与极化强度Px2呈直线关系。

典型材料：磷酸二氢铵(NH4H2PO4，ADP)、磷酸二氢钾(KH2PO4，KDP)、磷酸氢铅(PbHPO4，LHP)、磷酸氘铅(PbDPO4，LDP)。（3）含氧金属酸化物

典型材料：钛酸钡(BaTiO3，钙钛矿型结构)、钽酸锂(LiTaO3，畸变的钙钛矿型结构)、铌酸锂(LiNbO3，畸变的钙钛矿型结构)、铌酸锶钡(BaxSr1-xNbO6，SBN，钨青铜型结构)。第五章功能转换材料

－§5.1压电材料第九十七页，共138页。第二节热释电材料一、热释电效应热释电效应是晶体因温度变化而引起电极化的变化，即晶体表面产生等量异号电荷的现象。

热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系：⊿Ps＝p⊿T

式中，Ps—自发极化强度；p—热释电系数；T—温度。热释电效应产生的前提条件晶体具有自发极化现象，即在晶体结构的某些方向存在固有电矩。热释电材料与压电材料的比较压电晶体不一定有热释电效应，但热释电晶体一定有压电效应。铁电体都具有热释电效应铁电体：一类具有自发极化，且这种自发极化可以在外电场作用下改变方向的电介质。第五章功能转换材料

－§5.2热释电材料第九十八页，共138页。铁电材料的极化特性曲线电介质压电体热释电体铁电体电介质、压电体、热释电体和铁电体的关系第五章功能转换材料

－§5.2热释电材料第九十九页，共138页。第三节光电材料一、光电导材料光电导材料是指具有光电导效应的材料，又称内光电效应材料、光敏材料。光电导材料是制造光电导探测器（光敏电阻）的重要材料。光电导材料的主要特性

1.积分灵敏度S

光电导材料的积分灵敏度代表了光电导产生的灵敏度，单位光入射通量产生的电导率变化的大小：—电导率；—光入射通量。

积分灵敏度代表了光电导产生的灵敏度。第五章功能转换材料

－§5.3光电材料第一百页，共138页。Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件，尤其是对于4~8μm大气窗口波段辐射的探测更为重要。

Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。第一百零一页，共138页。碲镉汞(HgCdTe)系列光敏电阻Hg1-xCdxTex是Cd含量组分，变化范围0.18～0.4，长波限为3～30μmx=0.2，光谱响应8～14μmx=0.28，光谱响应3～5μmx=0.39，光谱响应1～3μm第一百零二页，共138页。二、光电动势材料光电动势材料是能够产生光生伏特效应的材料，主要指光电池材料。光电池的主要特性

1.开路电压V0

开路电压V0表示的是光电池在开路时的电压，也就是光电池的最大输出电压。

2.短路电流I0

短路电流I0表示的是光电池在外电路短路时的电流，也就是光电池的最大电流。第五章功能转换材料

－§5.3光电材料第一百零三页，共138页。

太阳电池所利用的太阳能来源于太阳辐射。太阳中心发生的核聚变反应，连续不断地释放出巨大能量，主要以光辐射形式从太阳表面的发光层向太空辐射。表面发光层温度约6000K，其辐射光谱与6000K绝对黑体的连续辐射光谱类似(见图)。

太阳辐射光谱AM0和AMl.5第一百零四页，共138页。太阳辐射经过日-地平均距离(约1.5×108公里)，传播到地球大气层外面，其辐射能面密度已大大降低。在这个距离上，垂直于太阳辐射方向单位面积上的辐射功率基本上是个常数，称为太阳常数。其数值是1.353kW·m-2。这是许多国家使用高空气球、高空飞机、人造卫星、宇宙飞船等对太阳辐射进行大量测试、综合而得到的公认数据。第一百零五页，共138页。目前世界上许多国家把太阳常数作为计算太空用太阳电池的入射光功率密度的依据，又称AM0光谱条件。在此条件下测试太空用太阳电池效率时，光源应满足图AM0的光谱分布，总能量为135.3mW·cm-2，电池测试温度为25℃。第一百零六页，共138页。AM0光谱的太阳辐射经过大气层中臭氧、氧气、水汽、二氧化碳及悬浮固体微粒(烟尘、粉等)的吸收、散射和反射，到达地面时，光谱分布上出现了许多吸收谷，而且总辐射能至少衰减掉30％(如图所示)。在晴朗天气的理想条件下，决定投射于地面的太阳辐射功率的最重要参数是光穿过大气层通路的长度。当太阳位于天顶，该长度最短。任一实际光通路长度与此最短长度之比称为大气质量，符号记为AM(AirMass的缩写)。第一百零七页，共138页。上图还给出AM1.5的光谱分布，其积分能量为83.5mW·cm-2。作为地面太阳电池测试依据的AM1.5光谱条件，其光源应满足上图中AM1.5光谱分布。太阳在天顶时，地面上太阳辐射叫大气质量为1的辐射，记为AMl。当太阳偏离天顶θ角时，大气质量由下式给出；大气质量=1/cosθ第一百零八页，共138页。

太阳电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低。下面以pn结硅太阳电池为例,来阐述各种