功能转换材料课件

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1页/共62页XY＋＋＋＋＋－－－－－T1T1＋＋＋＋＋－－－－－T2T2石英晶体切片的正压电效应第五章功能转换材料

－§5.1压电材料第2页/共62页

压电效应的机理：－－－+++(a)晶体不受外力作用：①正负电荷的重心重合②晶体的总电矩为零③晶体表面的电荷为零晶体受压缩力或拉伸力作用：①正负电荷的重心不重合②晶体表面产生异号束缚电荷③出现压电效应－－－+++－+－－++(c)+－+－+－－+++－－(b)第五章功能转换材料

－§5.1压电材料第3页/共62页二、压电材料的主要特性

1.弹性模量

压电体是弹性体，服从虎克定律。电学条件不同，弹性模量不同。（1）短路弹性模量在外电路的电阻很小，即相当于短路条件下，测得的弹性模量。（2）开路弹性模量在外电路的电阻很大，即相当于开路条件下，测得的弹性模量。

2.压电常数反映压电材料中的力学量和电学量之间的耦合关系，表示产生压电效应的大小。

pi＝dijkjk(i,j,k=1,2,3)式中，pi为压电材料单位面积上的极化电荷；jk为应力；dijk即压电常数。第五章功能转换材料

－§5.1压电材料第4页/共62页

3.介电常数介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）。当压电材料的电行为用电场强度和电位移作变量来描述时，有：

例如：对于压电陶瓷片，其介电常数为：

＝Cd/A

式中，C—电容(F)；d—电极距离(m)；A—电极面积(m2)。

4.机电耦合系数综合反映压电体的机械能与电能之间的耦合关系。

K无量纲，数值越大，压电耦合效应越强。

＝（逆压电效应）

（正压电效应）

第五章功能转换材料

－§5.1压电材料第5页/共62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6页/共62页钙钛矿（CaTiO3）晶体结构模型第五章功能转换材料

－§5.1压电材料第7页/共62页2.压电半导体晶体结构：闪锌矿或纤锌矿结构。特点：K值大，并兼有光电导性。应用：换能器。水声换能器：通过发射声波或接受声波(分别对应于正、逆压电效应)来完成水下观察、通讯和探测工作。典型材料：①Ⅱ-Ⅵ族化合物：CdS、CdSe、ZnO、ZnS、ZnTe、CdTe。

②Ⅲ-Ⅴ族化合物：GaAs、GaSb、InAs、InSb、AlN。

3.压电陶瓷

（1）钛酸钡(BaTiO3)陶瓷

第一个被发现可以制成陶瓷的铁电体。室温下呈四方结构，120C时转变为立方晶相，铁电性消失。（2）锆钛酸铅（Pb(Zr、Ti)O3，PZT）

PbTiO3与PbZrO3形成的固溶体，钙钛矿结构，应用广泛。组成锆钛酸铅的PbTiO3、PbZrO3也是常用的陶瓷压电材料。

第五章功能转换材料

－§5.1压电材料第8页/共62页闪锌矿晶体结构模型纤锌矿晶体结构模型第五章功能转换材料

－§5.1压电材料第9页/共62页四、压电材料的应用

1、微声技术应用

水声发射和接受装置——“声纳”。

1916年朗之万利用石英晶体制造出“声纳”，用于探测水中物体，至今仍在海军中有重要应用。

2、超声技术应用

超声清洗、超声乳化、超声焊接、超声粉碎等装置上的机电换能器。

利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强度超声波，并以此作为动力的应用。

3、机械能－电能转换技术应用

压电点火器、引燃引爆装置、压电开关等。利用压电材料的正压电效应，将机械能转换成电能，从而产生高电压。

4、信息技术应用压电材料最主要的应用领域。第五章功能转换材料

－§5.1压电材料第10页/共62页应用类型代表性器件信号发生电信号发生压电振荡器声信号发生送受话器，拾音器，扬声器，蜂鸣器，水声换能器，超声换能器信号发射与接收声纳，超声测声器，超声探测仪，超声厚度计，拾音器，扬声器，传声器信号处理滤波器，鉴频器，放大器，衰减器，延迟线，混频器，卷积器，光调制器，光偏转器，光开关，光倍频器，光混频器信号存储与显示铁电存储器(FRAM，DRAM)，光铁电存储显示器，光折变全息存储器信号检测与控制传感器微音器，应变仪，声纳，压电陀螺，压电加速度表，位移器，压电机械手，助听器，振动器探测器红外探测器，高温计，计数器，防盗报警器，湿敏探测器，气敏探测器计测与控制压电加速度表，压电陀螺，微位移器，压力计，流量计，流速计，风速计，声速计高压弱流电源压电打火机，压电引信，压电变压器，压电电源压电材料在信息技术及其他技术中的主要应用第五章功能转换材料

－§5.1压电材料第11页/共62页

压电材料的研究近况：

弛豫型铁电单晶：铌镁酸铅－钛酸铅：(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3－xPbTiO3，PMN-PT。铌锌酸铅－钛酸铅：(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3－xPbTiO3，PZN-PT。弛豫型铁电体具有很高的介电常数和较大的电致伸缩系数。

1996年和1997年，Park和Shrout报道了利用熔盐法生长PZN-PT单晶的技术工艺和晶体各种切向晶片的介电、压电和电致伸缩特性，发现当切向为(001)时，晶体具有最佳的性能。例如，组分为0.92PZN-0.08PT的晶体，当按(010)切向时，压电性能：

d33＝2500pC·N-1，为锆钛酸铅(PZT)材料的3～6倍；

K33＝0.94，为现有压电材料中最高的。世界著名杂志《Science》的评论：这类铁电单晶将是新一代超声换能器和高性能微位移和微驱动器的理想材料。我国也在研制PMN-PT、PZN-PT弛豫铁电单晶，取得重要进展。第五章功能转换材料

－§5.1压电材料第12页/共62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13页/共62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14页/共62页二、热释电材料的主要特性

1.热释电系数热释电系数表示热释电材料受到热辐射后产生自发极化强度随温度变化的大小。p

越大越好。

2.优值指数优值指数是热释电材料应用于探测器方面的重要参数。①电流响应优值Fi

—热释电材料单位体积的热容。Fi=p/常用热释电材料的约为2.5×106J·m-3·K-1。第五章功能转换材料

－§5.2热释电材料第15页/共62页②电压响应优值Fv

—

热释电材料的介电常数。

③探测优值Fd

tan

—

热释电材料的电学损耗因子。

3.吸热流量

代表单位时间吸热的多少。一般要求热释电材料具有大的吸热流量。

4.居里点或矫顽场

热释电材料有一大类是铁电体，要求有大的矫顽场或高的居里点。

F=p/Fd＝p/

(tan第五章功能转换材料

－§5.2热释电材料第16页/共62页三、热释电材料材料p(10-4Cm-2K-1)r(1kHz)tan(1kHz)(106Jm-3K-1)Fv(m2C-1)Fd(10-5Pa-1/2)TGS(35C)DTGS(40C)ATGSAs(25C)ATGSP(25C)LiTaO3SBN-50①PZ-FN陶瓷②PT陶瓷③PVDF5.55.57.06.22.35.53.83.80.275543323147100290220120.0250.0200.010.010.0050.0030.0030.0110.0152.62.43.22.342.52.52.430.430.600.990.980.170.070.060.080.106.18.316.616.84.97.25.83.30.88一些代表性热释电材料的性能注：①SBN-50是Sr0.5Ba0.5NbO6；②PZ-FN陶瓷是改性的PbZrO3-PbFe1/3Nb2/3O3；③PT陶瓷是改性的PbTiO3。

第五章功能转换材料

－§5.2热释电材料第17页/共62页1.热释电晶体

特点：①p

值高，性能稳定。

②自发极化在外电场作用下不发生转向。典型材料：

电气石、CaS、CaSe、Li2SO4·H2O、ZnO等。

2.铁电晶体

特点：①p

值高，性能稳定。

②自发极化在外电场作用下会改变方向。典型材料：（1）硫酸三甘肽(TGS)及其改性材料硫酸三甘肽(TGS)、氘化的TGS(DTGS)、掺丙氨酸并以砷酸根取代部分硫酸根的TGS(ATGSAs)和掺丙氨酸并以磷酸根取代部分硫酸根的TGS(ATGSP)。（2）含氧金属酸化物

LiTaO3、LiNiO3、PbTiO3、Pb(Zr、Ti)O3、BaTiO3等。

第五章功能转换材料

－§5.2热释电材料第18页/共62页3.热释电陶瓷

特点：制备容易，成本低，同时具有良好的热释电性能。典型材料：（1）钛酸铅(PbTiO3)陶瓷居里温度高，p

值随温度变化很小，是一种较好的红外探测器材料。（2）锆钛酸铅(PZT)陶瓷用量很大，性能优良。添加Bi2O3的Pb0.96Bi0.04Zr0.92Ti0.08O3陶瓷在室温附近具有较大的p值。（3）锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷居里点高，在常温下使用不退化，热释电性能良好。

4.有机高聚物晶体典型材料：聚偏二氟乙烯(PVDF)。特点：①易于制得大面积的薄膜(6m以下)，且工序少，成本低。②p

值较小，电压响应优值较高，介电损耗大，探测优值低。第五章功能转换材料

－§5.2热释电材料第19页/共62页四、热释电材料的应用

1、热释电探测器

重要应用：制作室温红外探测器与列阵。原理：当热释电元件受到调制辐射加热后，晶片温度将发生微小变化，由此引起晶体极化状态的改变，从而使垂直于自发极化轴方向的晶体单位表面上的电荷(即Ps值)发生改变。应用领域：防火、防盗、医疗、遥测及军事等方面。

2、红外成像系统

重要应用：

“夜视”装置。原理：物体在黑暗环境中随其温度的变化会发射具有不同强度和波长的红外线。红外摄像机能够接收到来自物体不同部位的不同强度和波长的红外线，从而产生不同强度的电信号，最后被还原成可视图像。

第五章功能转换材料

－§5.2热释电材料第20页/共62页(a)热释电红外成像焦平面的局部放大，第一像素的面积为19m×16m；(b)用热释电红外成像系统摄取的红外光图像。第五章功能转换材料

－§5.2热释电材料第21页/共62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，即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22页/共62页2.“红限”或长波限产生光电导的波长上限。并非任何波长的光照射在某种材料上时都会导致其电导率的变化，只有当入射光子的能量（与波长或频率有关）足够大时，才能把材料价带中的电子激发到导带，从而产生光生载流子。

3.光谱灵敏度又称光谱响应度，用

-曲线表示，它反映光电导材料对不同波长的光的响应。

4.灵敏阈能够测出光电导材料产生光电导的最小光辐射量。0.81.21.62.010100相对灵敏度，%波长，m锗的本征光电导的光谱分布第五章功能转换材料

－§5.3光电材料第23页/共62页

光电导材料

1.光电导半导体（1）单晶体：Ge、Si（2）氧化物：ZnO、PbO

（3）镉化物：CdS、CdSe，CdTe（4）铅化物：PbS、PbSe、PbTe（5）其他半导体化合物：Sb2S3、InSb2.光电导陶瓷

CdS陶瓷、CdSe陶瓷等。

3.有机高分子光导体

聚氮乙烯基咔唑与2,4,7-三硝基芴酮组成的传荷络合物。光电导材料的应用光电导材料的应用基于光生载流子产生光电导效应，常用来作光敏器件：如光电二极管、光敏三极管、光电导探测器等。

第五章功能转换材料

－§5.3光电材料第24页/共62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25页/共62页3.转换效率

表示的是光生电动势转换效率的参数，是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：

式中，I

—光电流；E

—光电动势；

—光入射通量；S

—相关灵敏度。与禁带宽度有关，当Eg=0.9～1.5eV时，可获得最高值。温度、掺杂浓度及分布以及光强度等对也有影响。

4.光谱响应曲线

光谱响应曲线是表示V0―、I0―、―的关系曲线，反映了光电池的几个重要参量与入射光波长的关系。第五章功能转换材料

－§5.3光电材料第26页/共62页半导体禁带宽度(eV)转换效率(%)转换效率与禁带宽度的关系曲线第五章功能转换材料

－§5.3光电材料第27页/共62页

光电池材料

光电池中最活跃的领域是太阳能电池。太阳能电池是一种利用光伏效应将太阳能转化为电能的光电转换器件。

1.硅太阳能电池材料

（1）单晶硅太阳能电池材料优点：Eg(约1.1eV)大小适宜，转换效率高(

可达18%)，反射损失小，易掺杂。缺点：价格昂贵，使用寿命不长。

（2）多晶硅太阳能电池材料优点：制备工艺简单，易获得大尺寸材料。缺点：均匀性不易控制，转换效率低(

约为2～8%)。

对多晶硅进行表面改性，在其表面形成理想的织构来增强其对光的吸收，可以将多晶硅电池的转换效率提高至13.4%。第五章功能转换材料

－§5.3光电材料第28页/共62页（3）非晶硅太阳能电池材料优点：制备工艺简单，对杂质的敏感性小，可制成大尺寸。缺点：转换效率不高(

约在10%左右)，性能不够稳定。将非晶硅与晶体硅相结合，制备成非晶硅/晶体硅异质结构，能够有效提高其转换效率（转换效率可达20.7%）。2.化合物半导体薄膜太阳能电池材料特点：①光电转化效率高、转换效率提高空间大。

②耗材少。

化合物电池对阳光吸收系数大，适合制作薄膜电池。

③品种多，应用广泛。

④抗辐射性好。

适用于空间飞行器电源等特殊应用。材料光电转化效率CuIn(Ga)Se218.8%CdTe16%InGaP/GaAs30.28%第五章功能转换材料

－§5.3光电材料第29页/共62页3.陶瓷太阳能电池材料优点：制备简单，成本低。缺点：稳定性差。典型材料：CdS陶瓷。

4.金属－氧化物－半导体(MOS)太阳能电池材料优点：转换效率高，

可达20%。缺点：制备工艺复杂。光电动势材料的应用前景太阳每年射向地表的能量达60亿亿度，一万倍于全世界的能耗，但密度低，仅有（1kW/m2），且受自然影响大。目前光电转换材料效率较低，太阳能电池仍只局限于单晶硅材料和薄膜材料、非晶硅材料等几种，因此有待于进一步的发展。今后的发展方向是寻求基于新的转换机理的材料。如美国近年来报道的一种新型材料，效率高达60%，具有极好的应用前景。第五章功能转换材料

－§5.3光电材料第30页/共62页第四节电光材料一、电光效应

电光效应是指在外加电场的作用下，介质的折射率发生变化的现象。电光效应的类型

介质的折射率与外加电场E之间的关系：

n＝n0+aE+bE2+…式中，n0—介质在E＝0时的折射率；a，b——常数。

1.一级电光效应（泡克耳斯(Pockels)效应）

泡克耳斯效应是指由一次项aE引起的介质折射率变化的现象，即介质折射率的变化与外电场强度成正比：n＝n－n0＝aE2.二级电光效应（克尔(Kerr)效应）克尔效应是指由二次项bE2引起的介质折射率变化的现象，即介质折射率的变化与外电场强度的二次方成正比：n＝n－n0＝bE2

第五章功能转换材料

－§5.4电光材料第31页/共62页入射光异常光(e光)正常光(0光)VP压电晶体电极电极波克耳斯效应入射光异常光(e光)正常光(0光)VP各向同性物质电极电极克尔效应

电光效应的机理介质在外电场作用下产生电极化，使其介电常数发生变化的结果。由电学知识，n2＝/0，因变化导致n的变化，从而出现电光效应。

第五章功能转换材料

－§5.4电光材料第32页/共62页二、电光材料的种类电光材料的基本要求①品质因子品质因子表征电光材料的有效电光效应的大小。品质因子大，电光材料则具有大的电光系数和高的折射率。

②光学均匀性用材料的消光比来衡量器件光学均匀性。消光比：电光器件关断时剩余透过率与打开时最高透过率之比值。好的电光开关器件要求消光比达80dB以上。第五章功能转换材料

－§5.4电光材料第33页/共62页③透明波段电光晶体要求对所用光波透明。为避免双光子吸收，材料应具有低的短波吸收限。吸收常与过渡金属元素杂质以及晶体中的散射颗粒有关。

④温度稳定性折射率的温度变化(特别是双折射率的温度变化)会造成器件性能的极大变化。

⑤易于获得大尺寸单晶获得高光学质量的大尺寸单晶是对材料的重要要求。第五章功能转换材料

－§5.4电光材料第34页/共62页

电光材料的种类

1.磷酸二氢钾(KH2PO4，KDP)型晶体

特点：①光学均匀性好；

②在0.19～2.58m波段范围内透过率高达95%以上；

③易获得大尺寸晶体。缺点：易潮解典型晶体：KH2PO4(KDP)、NH4H2PO4(ADP)、KH2AsO4(KDA)。

2.钙钛矿ABO3型晶体特点：①具有较强的电光效应；

②具有良好的机械性质；

③不吸潮。缺点：①不易获得大尺寸单晶；

②光损伤阈值低。典型晶体：LiNbO3(LN)、LiTaO3(LT)、K(Ta,Nb)O3(KTN)、

BaTiO3(BT)、KTaO3(KT)。第五章功能转换材料

－§5.4电光材料第35页/共62页3.闪锌矿AB型晶体

典型晶体：ZnS、CdS、GaAs、CuCl。特点：①具有较强的电光效应；

②兼有压电和半导体性质；如ZnS、CdS、GaAs。

③透过波长范围宽。如CuCl的透过波长范围为0.4～20.5m。缺点：难以获得高质量的大尺寸单晶。

4.钨青铜型晶体特点：光损伤阈值高。缺点：难以生长优质单晶。典型晶体：Sr0.75Ba0.25Nb2O6(SBN)、K3Li2Nb5O15(KLN)、

Ba2NaNb5O15(BNN)。

第五章功能转换材料

－§5.4电光材料第36页/共62页三、电光材料的应用电光调制器当在电光晶体上施加交变调制信号电压时，由于电光效应，晶体的折射率随调制电压(即信号)而交替变化。此时，若有光波通过晶体，则原来不带信号的光波则含有了调制信号的信息。如果是强度受到调制，称为电光强度调制器；如果是位相受到调制，称为电光位相调制器。电光偏转器

电光偏转器是利用晶体的电光效应使激光束实现偏转的电光器件。电光偏转器根据施加电压形式不同而造成的偏转方式的不同，分为数字偏转器和连续偏转器，前者使激光束在特定的间隔位置上离散，后者使光束传播方向产生连续偏转而形成光束光点在空间按预定要求连续移动。

第五章功能转换材料

－§5.4电光材料第37页/共62页

电光快门从光源发出的自然光通过起偏片变成纵向振动的平面偏振光，如果电光晶体没有受外电场的作用，这束偏振光通过晶体时将不发生振动方向的偏转，即仍是纵向振动的平面偏振光。但检偏片只允许水平振动的偏振光通过，纵向振动的偏振光不能通过，因而此时没有光输出，相当于快门关闭。如果在电光晶体上施加一个电压，由于电光效应使光的振动方向发生偏转，于是开始有光输出。随着施加电压大小的改变，光输出的大小也在变化。当所加电压调到某一电压值使光振动方向偏转到水平方向时，光输出达到最大，相当于快门全部打开。这个电压称为半波电压。起偏片检偏片电光晶体电光快门工作原理第五章功能转换材料

－§5.4电光材料第38页/共62页第五节磁光材料磁光材料是指在磁场作用下，入射光经过材料时会发生某些性质(如旋光性、折射性、偏振性等)的变化的材料。

一、磁光效应

光与磁场中的物质，或光与具有自发磁化特性的物质之间相互作用所产生的各种现象统称为磁光效应。

1.法拉第效应法拉第1846年发现，当平面偏振光(直线偏振光)通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，即呈现旋光性。此现象称磁光法拉第效应，又称磁致旋光效应。法拉第偏转角

：偏振光面的偏转角，与带磁物体的长度l、磁感应强度B有如下关系：＝V

l

B式中，V——维尔德(Verdet)常数，与物质有关。9.7磁光法拉第效应第五章功能转换材料

－§5.5磁光材料第39页/共62页2.克尔效应

克尔发现，照射到强磁性介质表面上的直线偏振光在反射时，其偏振面会随磁场强度变化而发生偏转，即呈现旋光性，这一现象称为磁光克尔效应。

法拉第效应和克尔效应的比较：法拉第效应是透射光呈旋进性，克尔效应是反射光呈旋进性。前者适用于有较好穿透性的物质，后者则只能用于入射光不能穿透的物质上。9.8磁光克尔效应9.9法拉第效应与克尔效应的比较第五章功能转换材料

－§5.5磁光材料第40页/共62页

3.科顿－蒙顿效应在强磁场作用下，一些各向同性的透明磁介质会呈现双折射现象，即在与入射光垂直的方向上加上外磁场，则该磁介质中的一束入射光会变成两束出射光——正常光(0光)和异常光

(e光)，这种现象称为科顿－蒙顿效应，又称磁致双折射效应。科顿－蒙顿效应所产生的双折射率与磁场强度H的平方成正比，即：

n＝ne－n0＝KH

2

式中，K

——科顿－蒙顿常数科顿－蒙顿效应仅在少数纯液体(如硝基苯)中表现得较明显，而在一般固体中则不明显。9.10科顿－蒙顿效应第五章功能转换材料

－§5.5磁光材料第41页/共62页二、磁光材料的种类

磁光晶体

1.稀土石榴石分子式：RE3Fe5O12。晶体结构：体心立方晶系。典型材料：钇铁石榴石(Y3Fe5O12，YIG)。

YIG具有法拉第旋转角

较大、对近中红外波段透明、物化性能优良等特点。在YIG晶体中以Bi3+或Pr3+替代稀土(Y)的位置，能显著增加

角。

2.钆镓石榴石

分子式：Gd3Ga5O12，GGG。

GGG不仅是一种重要的磁光晶体，同时还具有激光、超低温磁致冷性质，并可作人造宝石。第五章功能转换材料

－§5.5磁光材料第42页/共62页

3.磁光单晶膜实用的磁光单晶膜是在GGG衬底上外延生长的石榴石型铁氧体单晶膜，具有很大的法拉第旋转角。典型磁光单晶膜：在GGG衬底上外延生长的Y3Fe5O12(YIG)、Bi3Fe5O12、Gd0.2Y2.8Fe5O12、

(BiGd)3Fe5O12、(YLa)3Fe5O12等。

磁光单晶膜是制造小型紧固的光隔离器、磁光存储器和磁光显示器的重要材料。

4.其他磁光晶体正尖晶石晶体结构的铁磁性硫属化合物CdCr2S4、CoCrS4：适宜制作1～

10m红外波段的磁光器件。只能用于液氮温度以下，应用上受限。氟化铕(EuF2)晶体：对可见光透明，是较好的可见光磁光晶体。稀释的磁性半导体Cd1-xMnxTe：具有很大的维尔德常数。第五章功能转换材料

－§5.5磁光材料第43页/共62页

磁光玻璃优点：成本低，易于获得尺寸大、形状不同的器件。缺点：磁光系数较低，对可见光损耗大。

典型材料：

重原子铅的氧化物玻璃：在可见光和近红外有低的吸收系数，其法拉第效应品质因子较高，是可见光和近红外波段重要的磁致旋光材料。

砷的三硫化物玻璃：具有半导体特性，可见光波段吸收系数大，但在红外波段则有高的品质因子，是红外波段重要的磁致旋光材料。

重原子铽的硼酸盐和磷酸盐玻璃稀土和过渡金属的非晶态金属玻璃薄膜(磁光型存储介质

)

液体材料特点：主要呈现科顿－蒙顿效应典型材料：水、丙酮、氯仿、苯。第五章功能转换材料

－§5.5磁光材料第44页/共62页三、磁光材料的应用

磁光材料应用最多的是利用其法拉第旋转，在激光系统中用作快速光开关、调制器、循环器、隔离器等，也是磁光存储介质的重要材料。现今磁光材料应用最实际、最广泛的是制作光隔离器和磁光光盘。

光隔离器的工作原理：激光束通过起偏镜成为直线偏振光，经磁光晶体后偏振面旋转一角度(如

45)，则可通过与其偏振方向相同的检偏镜P2。若此光被反射回来，则再次通过P2和磁光晶体后，又一次旋转45，两次共旋转90，因此不可能通过P1，从而达到将反射光与激光器隔离开的目的。激光束磁光晶体反射P1P2光隔离器原理图第五章功能转换材料

－§5.5磁光材料第45页/共62页第六节热电材料热电材料是将热转变为电的功能转换材料，这种热－电之间的转变基于热电材料中出现的热电效应、热电导效应等。一、热电效应与热电材料

热电效应在用不同导体构成的闭合电路中，若使其结合部出现温度差，则在此闭合电路中将有热电流流过，或产生热电势，这种现象称为热电效应。

1.塞贝克效应

1812年塞贝克发现，由a、b两种导体构成电路开路时，如果接点1、2分别保持在不同的温度T1(低温)、T2(高温)

下，则回路内将产生电动势(热电势)，这种现象称为塞贝克效应。其热电势V正比于接点温度T1和T2之差：

V＝a(T)·T(T＝T2－T1)

式中，a(T)—塞贝克系数。塞贝克效应第五章功能转换材料

－§5.6热电材料第46页/共62页2.珀尔帖效应

1834年珀尔帖发现，在热电回路中，与塞贝克效应相反，当通电时，在回路中则会在接点1处产生热量W，而在接点

2处吸收热量W，产生的热量正比于流过回路的电流：

W＝abI

式中，ab—珀尔帖系数，大小取决于两种导体的种类和环境温度。珀尔帖效应实质上是塞贝克效应的逆效应，且塞贝克系数与珀尔帖系数有如下关系：

ab＝a(T)·T

3.汤姆逊效应

1856年汤姆逊发现，在由一种导体构成的回路中，如果存在温度梯度T/x，则当通过电流I时，导体中也将出现可逆的热效应，即产生热的现象，此即汤姆逊效应，其热效应由下式决定：Q/x＝(T)·I·(T/x)·t

式中，(T)—汤姆逊系数，t—通电流的时间。珀尔帖效应汤姆逊效应第五章功能转换材料

－§5.6热电材料第47页/共62页

热电材料的种类及应用热电材料是指利用其热电效应的材料，有金属及半导体两大类：金属热电材料：利用塞贝克效应制作热电偶的重要材料。半导体热电材料：利用塞贝克效应、珀尔帖效应及汤姆逊效应制作热能转变为电能的转换器以及反之用电能来作加热器和制冷器的重要材料。

1.金属及合金热电材料①铜－康铜(60%Cu，40%Ni)：适于－200～400C。②镍铬(90%Ni，10%Cr)－镍铝(95%Ni，5%Al)：适于0～1000C。③铂(Pt)－铂铑(13%Rh，87%Pt)：适于0～1500C。④金(Au)－金铁(0.03%Fe，99.7%Au)：适于＜10K使用。

2.半导体热电材料

①Bi2Te3：使用温度200C左右。②PbTe(包括GeTe、AsSbTe2、SnTe)：使用温度500C左右。③FeSi2、GeSi：使用温度1000C左右使用。半导体热电材料的重要应用：半导体温差发电装置。

第五章功能转换材料

－§5.6热电材料第48页/共62页二、热电导效应与热电导材料

热电导效应

当温度升高时，材料的电导率发生变化的现象称为热电导效应。

1.热电导材料的主要特性

①电导率温度系数

式中，—电导率温度系数；

—电导率。

②电阻率温度系数式中，—电阻率温度系数；

—电阻率。与的关系：

＝－第五章功能转换材料

－§5.6热电材料第49页/共62页

③耗散系数

式中，P—热电导材料中功率耗散的变化量；Tt

—热电导材料的温度；

T0—周围介质的温度。

的物理意义：热电导材料中功率耗散的变化量与其温度变化量之比。耗散系数表征热电导材料与周围媒介进行热交换的能力。

④功率灵敏度

式中，—电阻率温度系数；C—材料的热容。的物理意义：降低热电导材料的电阻率的1/100所需的功(率)值。

⑤灵敏阈值

可测出电阻变化的最小(热值)功，其数量级在10－9W左右。第五章功能转换材料

－§5.6热电材料第50页/共62页

热电导材料的种类及应用

热电导材料最重要的应用是制造热敏电阻，因此又称热敏材料或温敏材料。热电导材料是重要的传感器材料。

1.正温度系数(PTC)热敏电阻材料

PTC－PositiveTemperatureCoefficient典型材料：

掺杂BaTiO3陶瓷特点：①BaTiO3的PTC效应与其铁电性相关，其电阻率突变与居里温度Tc相对应。②单晶BaTiO3不具有PTC效应。仅晶粒充分半导化、晶界具有适当绝缘性的BaTiO3陶瓷才具有PTC效应。第五章功能转换材料

－§5.6热电材料第51页/共62页改性措施：①加入Nb2O5，可获得高电导率的N型半导体。

②加入SrCO3使Tc向低温移动，加入Pb使Tc向高温移动。

③添加SiO2、Al2O3、TiO2形成玻璃相，容纳有害杂质，促进半导化，抑制晶粒长大。④添加MnO2提高电阻率和电阻温度系数。⑤添加Sb2O3或Bi2O3细化晶粒。⑥添加Li2CO3加大PTC温区内的电阻率变化范围。⑦加入Ca可控制晶粒生长，提高电阻率。应用：

温度控制、液面控制、彩色电视消磁、马达起动器、等温发热体等。第五章功能转换材料

－§5.6热电材料第52页/共62页

2.负温度系数(NTC)热敏电阻材料

典型材料：

尖晶石型过渡金属氧化物半导体陶瓷①MnO-CoO-O2系陶瓷

含锰量23～60%，主晶相是立方尖晶石MnCo2O4和四方尖晶石CoMn2O4，主要导电相是MnCo2O4。这一系列陶瓷的热敏电阻常数和电阻温度系数比MnO-CuO-O2和MnO-NiO-O2系高。②MnO-CuO-O2系陶瓷

含锰量60～90%，主晶相和导电相是CuMn2O4。该系陶瓷的电阻值范围较宽，温度系数较稳定，但电导率对成分偏离敏感，重复性差。③MnO-NiO-O2系陶瓷

主晶相是NiMn2O4，电导率和热敏电阻常数值较窄，但电导率稳定。应用：

通讯及线路中的温度补偿、控温和测温传感器等。第五章功能转换材料

－§5.6热电材料第53页/共62页

3、临界温度电阻(CTR)材料临界温度电阻：电阻在某特定温度范围内急剧变化。典型材料：

以V2O5为基础的半导体陶瓷材料

常用MgO、CaO、SrO、BaO、B2O3、P2O5、SiO2、GeO2、NiO、WO3、MoO3

或La2O3等掺杂来改善性能。通过对V2O5的适当处理，可制得四价V4+离子

存在的VO2陶瓷。特点：①VO2基陶瓷在67C左右电阻率突变，降低3～4个数量级。②VO2的CTR特性同相变有关。

在67C以上，VO2为四方晶系的金红石结构，在67C以下，晶格发生畸变，转变为单斜结构，使原处于金红石结构中氧八面体中心的V4+离子的晶体场发生变化，导致V4+的3d层产生分裂，导电性突变。应用：

具有开关特性，用于温度控制、火灾报警和过热保护等。第五章功能转换材料

－§5.6热电材料第54页/共62页第七节声光材料一、声光效应声波作用于某些物质之后，使该物质的光学性质发生改变的现象。声光效应的机理

在各种声波中，超声波引起的声光效应尤为显著。超声波是机械波，当作用在物