介电和铁电材料.ppt

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1、第五节 介电和铁电材料-12,四、反铁电材料（反铁电体）,一般是离子晶体，电畴内存在两套极化强度相等、方向相反的亚晶格，使得宏观不显自发极化,双电滞回线：,AB：反铁电体特征，类似于一般的线性介质 BC、CD：铁电体特征，出现固有电极化强度,五、介电铁电材料的应用,电容器，铁电材料可用于高容量电容器：电子线路中用于阻断、耦合、交直流分离、滤波和能量存贮等,第六节 压电材料-1,正压电效应：材料受到应力作用而处于应变状态时，材料内部会引起电极化和电场，表面出现感应电荷。,逆压电效应：材料受到电场力作用产生电极化时，材料会产生应变。,一、正压电效应和逆压电效应,二、压电效应的机制,无对称中心的晶体

2、中正负离子的位移引起压电效应,具有反演对称中心的晶体无压电效应,无反演对称中心的石英晶体有压电效应,第六节 压电材料-2,压电体必须是离子晶体或离子团组成的分子,+,第六节 压电材料-3,三、压电材料主要工程参数,1、机械品质因素,压电振子：具有一定取向和形状的压电晶片具有固有的机械谐振频率。当外电场的频率与其一致时，由于逆压电效应会产生机械谐振。这种晶片称压电振子。,压电振子在谐振子时，会产生内耗，造成机械能损失，反映这种机械能损耗程度的参数为机械品质因数Qm，定义为：,Wm为每振动周期内单位体积存贮的机械能；W为每振动周期内单位体积损耗的机械能,Qm与振动模式有关，如压电振子的形状、振动的

3、晶体学方向、振动频率等,第六节 压电材料-4,四、压电材料种类,2、机电耦合系数,或,科研和工程中最重要的参数，有的材料可达70%以上,晶体：石英、铌酸锂(LiNbO3)、碘酸锂等,半导体：CdS, CdSe, ZnO, ZnS, ZnTe, ZdTe, GaAs, GaSb等,压电陶瓷：BaTiO3, PbTiO3,第六节 压电材料-5,五、压电材料的应用举例,1、水声换能器,水中声纳=空中雷达,2、压电超声换能器,利用逆压电效应，在高强度电场下产生高强度超声波，用于超声清洗、超声乳化、超声粉碎、超声治疗等,实现水中电能与声能的相互转化,3、压电点火器,压电晶体受到外力作用后，在电极面上会感

4、应出电荷，电荷聚集形成高电。 利用高压可产生火花放电。这种电火花可用于点燃煤气、炮弹，及用于压电高压发生器。,4、石英电子表,其他：拾音器、蜂鸣器、流量计、计数器等,第七节 热释电材料-1,一、热释电效应,晶体因温度变化而引起晶体表面电荷的现象称为热释电效应,二、热释电效应机制,电气石中发现：硫磺粉末（黄色）和氧化铅粉末（红色）混合，用丝质筛子筛洒加热后的电气石，它们将分别覆盖于电气石沿三次轴方向的两端。,温度引起的自发极化的改变。自发极化的改变来自于离子的位移,电气石是一种具有固有极化的晶体,具有自发极化，即晶体结构的某些方向正负电荷重心不重合。 不存在对称中心，且存在与其他极化轴不同的唯一

5、极化轴,石英晶体不产生热释电效应示意图,晶体中存在热释电效应的前提,第七节 热释电材料-2,三、热释电材料,1、晶体,2、 有机高聚物晶体,热释电晶体：CaS, CaSe, Li2SO4H2O, ZnO,铁电晶体：LiNbO3, LiTaO3, PhTiO3, Pb(ZnTi)O3, BaTiO3等,特点：自发极化不能为外电场转向,特点：自发极化能为外电场转向,例：聚偏二氟乙烯PVDF，大面积制作，工艺简单，一般用薄膜,四、热释电材料的应用,1938年首先用于红外探测器,030923,第七节 热释电材料-3,红外探测器原理：,Q表示晶体表面的电荷面密度，P为自发极化强度，T为温度，则,设两极板

6、面积为A，负载电阻为R，则热释电电压为：,Pi为晶体的热释电系数。一般材料为10-410-6C/(cm2K),通过测量讯号电压的变化实现了对远距离热辐射目标温度变化的测量。,热释电红外探测器原理,尽你所能，想出或查出检测极化电荷分布的方式,第八节 热电材料-1,一、热电效应,两种不同的导体构成闭合回路，若使其结点出现温度差，则闭合回路中就会有电流流动，此现象为热电效应，相应的电势称为热电势。,热电材料：把热能转变为电能的材料,1、塞贝克（Seebeck）效应,T0,第八节 热电材料-2,即，若T1T2时，电流由a点流向b点，称A的电势A大于B的电势B。 设VAB=A-B； T=T2-T1，则实

7、验证明，T不太大时，有,VAB 与T,均质导体定律：要确定热电势的大小必须保证A、B两种材料的化学成分和物理状态完全均匀，否则将要难以获得确定的热电势 中间导体定律：如果在回路中引入第三种金属导体，那么只要第三种金属接入的两端温度相同，则对原回路年产生的热电势不发生影响 中间温度定律：只要两种材料厂均质，两端温度恒定，即使回路中某一部分处于任何其他温度，原回路产生的热电势不变,基本规律：,定量描述：,规定：冷端电流流出的材料的电势相对于流入的材料的电势为正。,第八节 热电材料-3,一些元素的热电势排序（前者热电势相对于后者为正）：,Si, Sb, Fe, Mo, Cd, W, Au, Ag,

8、Zn, Rh, Ir, Tl, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Nd, Pd, K, Ni, Co, Bi,例：若T1T2, 电流逆时针流动；反之，顺时针流动,称SA和SB分别为材料A和B的塞贝克系数,定义相对塞贝克系数SAB=SA-SB ：,则：VAB=SABT,若温度差较大，一般有：,第八节 热电材料-4,2、珀尔贴（Peltier）效应,两种材料的接触点通以电流时，会产生吸热或放热现象。,基本规律：,电流反向时，吸热或放热特性也改变； 单位时间内产生的热量与通过的电流成正比：,珀尔贴热QP与焦耳热QJ的区分：,QP+QJ,（QP+QJ）- （-QP+QJ）

9、=2QP,-QP+QJ,（QP+QJ）+（-QP+QJ）=2QJ,第八节 热电材料-5,3、汤姆逊（Thomson）效应,具有温度梯度的一段均匀导体通过电流时，会产生吸热和放热现象,单位时间内单位长度导体所吸收或放出的热量与通过的电流I成正比，与导体中的温度梯度dT/dx成正比,电流方向改变时，吸放热特性也改变,说明：汤姆逊效应发生在同一导体上；也是一种可逆的热效应，容易与焦耳热区分开。,基本特征：,第八节 热电材料-6,二、热电效应的产生机理：,1、温度引起热电子由热端向冷瑞迁移，建立内电场，从而形成温差电动势,定义热电势系数S：,dV为温差为dT时导体两端建立的电位差,S与材料性质、微结构

10、及其温度有关,塞贝克系数S本质上就是热电势系数,2、不同金属的温差电动势的叠加构成闭合回路的净的热电动势,第八节 热电材料-7,一般半导体的热电势系数最大,铂和铂铑合金的热电势系数,温度参考点是273K，0.1MPa,第八节 热电材料-8,三、热电材料的应用,1、测温:热电偶,接触电动势和温差电动势共同构成两种材料构成的闭合回路的电动势,第八节 热电材料-10,3、致冷：利用珀尔贴效应,2、温差发电：塞贝克效应,高山、太空、月球等用电,第二章 光学材料,第一节 光与固体的相互作用-1,一、光的本质,光的波粒二象性：,电磁波谱：,二、光与固体的作用,作用的本质：光是一种电磁波，光与固体的作用就是

11、固体中的带电粒子或磁性粒子在电磁场作用的表现出来的行为。实际上主要表现为与电子的相互作用,可见光：390nm770nm,第一节 光与固体的相互作用-2,电子的两种响应行为：,电子极化：电磁波对电子运动产生微扰,电子能态跃迁：电子吸收整个光子能量，使得状态显著改变,1、金属材料,由于自由电子的存在，金属对所有的低频电磁波（从无线电波到紫外光）者是不透明的，只有对高频电磁波X射线和射线才透明（为什么？）,金属吸收光子后能态的变化,第一节 光与固体的相互作用-3,金属的高反射率的应用：反光镜,能量的释放形式：反射光和热能,金属的颜色不是由吸收光的波长决定，而是由反射光的波长决定,金属的色泽：,金为黄

12、色：光谱红端吸收和反射都最强，紫端透射最多。金泊的射光呈淡绿色,第一节 光与固体的相互作用-4,2、非金属材料,非金属材料对可见光吸收的三种机理,电子极化：当光的频率与电子极化时间的倒数相近时才显著 价带电子吸收光子进入禁带中的杂质或缺陷能级 价带电子或禁带中杂质或缺陷能级上的电子吸收光子而越过禁带进入导带,非金属材料的透光性：,理想无缺陷的单晶体：,可见光光子的能量范围约为：1.8eV3.1eV。因此禁带宽度小于1.8eV的半导体材料是不透明的，大于3.1eV是透明的，在这之间是半透明的,有晶界和缺陷的非金属材料：即使禁带较宽，也可能不透明,能量的释放形式：光子或声子形式释放,第一节 光与固

13、体的相互作用-5,颜色：人类的视觉系统对特定频率的可见光的一种感觉 颜色的合成：糊涂的视觉系统 大多数颜色可以由三种基本颜色以适当比例合成，三种基色可以任意选定。一般选红、绿、蓝三种为基色。 例：红+黄=橙色 红+蓝=紫色 类似地，从白色光中去掉特定频段的光后会呈现特定的颜色。例：白光除去红色光后呈淡蓝色。,附：人眼感知的物质颜色,思考：把各种不同颜色的颜料混合得到什么颜色？,物质的颜色：物体反射或发射特定频率的可见光,第二节 材料发色/光的机理-1,1、原子激发和分子振动,a原子中电子的激发跃迁。,例：当燃烧物质中含Na原子，火焰呈黄色：Na从激发态返回基态时，发出波长为589.6nm、58

14、9.0nm的黄光,应用：原子发射光谱、焰火,一般固体热辐射的颜色与温度关系：,第二节 材料发色/光的机理-2,水或冰的振动吸收主峰在红外区域，近可见光区域也有少量吸收。故纯水、冰呈淡蓝色。 Cl2蒸气为绿色，I2蒸气为紫色,b分子振动和转动,在化合物中，过渡金属离子处于周围其它离子产生的配位场中。由于配位的几何形式不同，配位场强弱不同。d轨道或f轨道中能级分离状况和电子排布不同，电子在能级间跃迁产生的颜色就有差别。即同一元素的原子在不同配位体中产生不同颜色。,2、过渡金属原子的能级在配位场中的变化,无机化合物中色彩绚丽的矿石、宝石、涂料，许多都是过渡金属化合物形成的。,第二节 材料发色/光的机

15、理-4,例一：Cr2O3呈绿色，刚玉Al2O3无色 把少量Cr2O3掺入Al2O3中，由于结构相似，Cr3+会取代部分Al3+。虽然周围6个O2-配位不变，但Al3+比Cr3+略小，配位场强弱产生变化，呈红色。即红宝石Al2O3:Cr3+,有机共轭分子中的离域键：最高占据能级与最低空轨道之间跃迁在可见光区,例二：CuSO45H2O呈蓝色，CuSO4为无色，因为Cu2+的配位场不同,3、共轭效应和有机染料,有机染料和带色的有机化合物都是由离域键引起的。 应用：服装、印刷品、食用色素,最古老的有机染料-靛蓝,第二节 材料发色/光的机理-5,磁铁矿Fe3O4：Fe2+Fe3+O4；Fe2+、Fe3+

16、的配位环境也不同，记为I、II Fe2+(I)+Fe3+(II)Fe3+(I)+Fe2+(II) 价电子的这种电子转移产生光吸收和发射,4、电荷转移效应和颜料,例：Al2O3:Fe2+,Ti4+（蓝宝石），约0.1%Al3+被Fe2+和Ti4+置换。 晶体结构中相邻的Fe2+与Ti4+相距265pm，dz2轨道重叠；在白光作用下，电子从一个离子跑到另一个离子： Fe2+Ti4+Fe3+Ti3+；E=E2-E1=2.11eV（右边能量大于左边） 这种过程称为光化学的氧化还原作用。 吸收谱谱带中心位于588nm（黄色）。实验表明，除蓝色和蓝紫色外，其它颜色的光都被吸收。,同素异价离子化合物：同一化

17、合物中，同一元素的离子存在不同价态,许多矿物颜色：Fe2+Si4+的电荷转移,第二节 材料发色/光的机理-6,金属低透过率高反射率：能级密集，全吸收；颜色，能态密度不均匀。例，金为黄色；红宝石玻璃呈红色 金刚石：能隙5.4eV，透明，渗少量N，2.2eV，呈黄色,a光致变色材料 1)无机光致变色材料 玻璃中含Ag盐和Cu盐混合物：Ag+Cu+Ag+Cu2+ 2)有机光致变色材料 产生化学键裂解、互变异构,5、电子在固体能带间跃迁,6、其他变色材料发色机理,物质受外界光、电、热、机械力等因素影响后，可发生颜色变化，称变色材料。,制作防伪商标,第二节 材料发色/光的机理-7,例：无色的有机物A在紫

18、光作用下变成橙色的B,例：碘汞铜Cu2HgI4随温度可以可逆地改变颜色 机理：热运动引起离子位置变化，产生有序-无序转变,b热致变色：热运动引起配位构型变化,例：Co(NH3)5ClCl2加热时颜色改变，不过逆。保留最高温度时的颜色,RT70160220 红色 黑色 红色 深红色,第二节 材料发色/光的机理-8,几乎都是过渡金属氧化物体系，如WO3体系。充放电过程中发生氧化和还原，离子出现多价态而显色。 应用：电调光玻璃,应用：1)连续运转部件的温度测量；例电机表面显示温升。 2)表面温度分布,c电致变色,在外加电场作用下能发生颜色的可逆改变,Cr2O3 60% Al2O3 40%，加压，灰色红色 SmS：RT(黑色);6.5108Pa,V12%,Sm2+Sm3+,黑色变为金色,d压致变色材料：压力增加配位场强度,