介电和铁电材料.ppt

思考：把各种不同颜色的颜料混合得到什么颜色？
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、589.0nm 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：
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：
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
p s T
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。 电气石是一种具有固有极化的晶体
第一节 光与固体的相互作用-5
附：人眼感知的物质颜色
物质的颜色：物体反射或发射特定频率的可见光 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。
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 金属吸收光子后 能态的变化 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γ 射线才透 明（为什么？）
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
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
为热释电系数；P s 为自发极化强度；T 为温度
晶体中存在热释电效应的前提 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极化轴
石英晶体不产生热释电效应示意图
第七节 热释电材料-2
T0
第八节 热电材料-2
基本规律：
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 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。 即，若T1＜T2时，电流由a点流向b点，称A的电势φA大于B的电势φB。 设△VAB=φA-φB； △T=T2-T1，则实验证明，△T不太大时，有 △VAB 与∝△T
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： h Eg 时， 不透光；h Eg 时， 透光 可见光光子的能量范围约为：1.8eV~3.1eV。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
实现水中电能与声能的相互转化 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 3、压电点火器 压电晶体受到外力作用后，在电极面上会感应出电荷，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。 其他：拾音器、蜂鸣器、 4、石英电子表 流量计、计数器等
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。
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 - - - - - - - 热电子流 冷
-
定义热电势系数S：
dV dT dV为温差为dT时导体两端建立的电位差 S
科研和工程中最重要的参数，有的材料可达70%以上 四、压电材料种类 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
材料 介电常数 机电耦合系 数/% 罗息盐 350 73 钛酸钡 1700 21 PZT 1200 30 水晶 4.5 10
第二节 材料发色/光的机理-2
b．分子振动和转动 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 2、过渡金属原子的能级在配位场中的变化 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。 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+ 例二：CuSO4· 2O呈蓝色，CuSO4为无色，因为Cu2+的配位场不同 5H 3、共轭效应和有机染料 有机共轭分子中的离域π键：最高占据能级与最低空轨道之间跃 迁在可见光区 有机染料和带色的有机化合物都 是由离域π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
第六节 压电材料-1
一、正压电效应和逆压电效应 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。 二、压电效应的机制 无对称中心的晶体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ห้องสมุดไป่ตู้压电效应
三、热释电材料 1、晶体 热释电晶体：CaS, CaSe, Li2SO4· 2O, ZnO H 特点：自发极化不能为外电场转向 铁电晶体：LiNbO3, LiTaO3, PhTiO3, Pb(ZnTi)O3, BaTiO3等 特点：自发极化能为外电场转向 2、 有机高聚物晶体 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
第八节 热电材料-10
2、温差发电：塞贝克效应 3、致冷：利用珀尔贴效应 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：
E h h c
真空中：c 1 介质中：c 1 0 0
电磁波谱： 可见光：390nm~770nm 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
第一节 光与固体的相互作用-3
能量的释放形式：反射光和热能 金属的高反射率的应用：反光镜
金属的色泽： 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 金为黄色：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
第八节 热电材料-3
定义相对塞贝克系数SAB=SA-SB ： S AB lim 则：△VAB=SAB· △T 称SA和SB分别为材料A和B的塞贝克系数 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, Zn, Rh, Ir, Tl, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Nd, Pd, K, Ni, Co, Bi 例：若T1>T2, 电流逆时针流 动；反之，顺时针流动 若温度差较大，一般有：
S与材料性质、微结构及其温度有关
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
+++++
热
塞贝克系数S本 质上就是热电势 系数
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