第5章-功能转换材料
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功能材料介绍PPT
18、19世纪蒸汽机、电动机的发明对金属材料提出 了更高的要求，同时对钢铁冶金技术产生了更大的推 动作用。炼钢技术大大促进了机械制造、交通铁路及 纺织业的发展。随之，各种特殊钢如高速钢、硅钢及 不锈钢相继问世，铜、铝业得到大量应用，其他金属 和合金也都出现，从而使金属材料在20世纪占据了主 导地位。铜、铁和其他合金的发现与应用是材料发展 的第二阶段。在这一阶段，金属（主要是铁和钢）确 立了工业材料的绝对权威。这个阶段的特点是人类从 自然界提取有用的材料。
从功能上看，材料可以分为结构材料和功能材料。
结构材料—通常指具有力学承载功能的材料。体积 较大，常被称为第一代材料。如建筑材料、机械制造材料， 用于制造工具、机器、车辆，修建房屋、桥梁、道路等。
另一类材料是功能材料。功能材料的概念最早由美国 的Morton与1965年提出。
功能材料——指具有光、电、磁、声、热、化学、生 物等特定功能和性质的材料。用于非承载目的，涉及面很 广。如电阻及导电材料、磁性材料、介电材料、发光材料、 光电材料、电极材料、压电材料、声光材料、电光材料、 磁光材料、超导材料、智能材料、仿生材料等。利用他们 可以制造具有记录、储存、信息传输等功能元器件，在电 子、激光、光电、通信、生物医学等许多新技术领域有广 泛应用。
1、按材料的物理化学属性（化学键、成分）：
无机功能材料 有机功能材料
金属功能材料 无机非金属功能材料（玻璃、陶瓷）
复合功能材料（高分子基、金属基、陶瓷基复性、电性、光学、力学、声学、化学、生物医学、 核功能材料及功能转换材料等。
进一步细分：如光学功能材料包括非线性光学材料、 发光材料、红外材料、感光材料、激光材料等。功能 转换材料包括压电材料、光电材料、热电材料、磁光 材料、电光材料、声光材料、磁致伸缩材料等。
从功能上看，材料可以分为结构材料和功能材料。
结构材料—通常指具有力学承载功能的材料。体积 较大，常被称为第一代材料。如建筑材料、机械制造材料， 用于制造工具、机器、车辆，修建房屋、桥梁、道路等。
另一类材料是功能材料。功能材料的概念最早由美国 的Morton与1965年提出。
功能材料——指具有光、电、磁、声、热、化学、生 物等特定功能和性质的材料。用于非承载目的，涉及面很 广。如电阻及导电材料、磁性材料、介电材料、发光材料、 光电材料、电极材料、压电材料、声光材料、电光材料、 磁光材料、超导材料、智能材料、仿生材料等。利用他们 可以制造具有记录、储存、信息传输等功能元器件，在电 子、激光、光电、通信、生物医学等许多新技术领域有广 泛应用。
1、按材料的物理化学属性（化学键、成分）：
无机功能材料 有机功能材料
金属功能材料 无机非金属功能材料（玻璃、陶瓷）
复合功能材料（高分子基、金属基、陶瓷基复性、电性、光学、力学、声学、化学、生物医学、 核功能材料及功能转换材料等。
进一步细分：如光学功能材料包括非线性光学材料、 发光材料、红外材料、感光材料、激光材料等。功能 转换材料包括压电材料、光电材料、热电材料、磁光 材料、电光材料、声光材料、磁致伸缩材料等。
光功能高分子材料
30s后 ,再在室外暴晒 2～3 天 ,即失去强度 ,一碰就碎。光
降解材料主要可应用于两个方面 ,一是包装材料 ,二是农业应
用薄膜。
第五章 光功能高分子材料 1954年,美国柯达公司的Minsk等人开发出光功能高分子聚乙烯醇肉桂酸 酯,并成功应用于印刷制版 应用领域已从电子,印刷,精细化工等领域扩大到塑料,纤维,医疗,生化和 农业等方面,发展之势方兴未艾. 概述 光敏涂料 光致抗蚀剂 光致变色高分子材料 主要内容 光导电高分子材料 5.1 概述 光功能高分子:也称感光性高分子,指在吸收了光能后,能在分子内或分子 间产生化学,物理变化的一类功能高分子材料.这种变化发生后,材料将输 出其特有的功能. 1,光功能高分子材料及其分类 按作用机理 光物理材料 光化学材料 光导电材料: 光电转换材料 光能储存材料 光记录材料 光致变色材料 光致抗蚀材料 光检测元件,光电子器件,静电复印,激光打印 聚合物型光电池 按其输出功能,感光性高分子包括 研究最成熟,最有实用价值,包括光刻胶,光固化粘合剂,感光油墨,感光涂 料 2,光化学反应原理 光是一种电磁波,在一定波长和频率范围内,它能引起人们的视觉,这部分 光称为可见光.广义的光还包括不能为人的肉眼所看见的微波,红外线,紫 外线,X 射线和γ射线等.
l i g h t ( P S ) *
( 激 发 态 生 成 ) ( P S ) * + 单 体 或 引 发 剂 初 级 自 由 基 + P S ( 基 态 )
常见的光敏剂 C O N CFra bibliotekH 3 C H 3 N H 3 C H 3 C C O 米蚩酮(MK) 二苯甲酮(BP) 当光源条件给定时,光引发剂和光敏剂 发生作用的要求 具有合适的吸收光谱(与光源匹配否)和消光系数 引发量子效率高 光敏剂,光引发剂及其断裂产物不参与链转移和链终止反应 . 光引发剂和光敏剂应有一定的热稳定性.与反应体系互溶,无毒,无气味以 及不使反应产物发黄等特性. (3)光交联 原料:线形高分子或线形高分子与单体 产物:不溶性的网状聚合物 应用:光固化油墨,印刷制版,光敏涂料,光致抗蚀剂 交联反应 链聚合 非链聚合 含双键 必须加光敏剂 带有不饱和基团的高分子:丙烯酸酯,不饱和聚酯,不饱和聚乙烯醇衍生物, 不饱和聚酰胺等 硫醇与烯烃分子.(加聚反应) 饱和高分子.(链转移作用,夺氢或卤原子,产生活性中心,或光解断裂产生 自由基)(卤代聚合物,含硫高分子)
《材料物理性能》课后习题答案
《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=AA l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1 / 101-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
第5章 触发器(5)
第五章 触发器
(二)维持－阻塞型 D触发器。 5.3.2
Q Q
e
f
c
d CP
a
D
b
图5.3.5
第五章 触发器
Q
Q e f
不变
*工作原理(略）：
CP=0时： Q保持不变
1 c
1
d D
D
a b
0 CP
1
D
1
第五章 触发器
D Q e D c f
D Q
*工作原理：
CP由0变成1时： Q=D （CP由0变成 1瞬间的）
第五章 触发器
总结：
1.按结构 基本锁存器 电路简单；无控制端
触发器
随时钟动作，抗干扰能力强；
第五章 触发器
2.按逻辑功能分
RS触发器
JK触发器 D触发器
Q
n 1
S RQ
n
n
RS 0
n
Q
n 1
J Q KQ
Q
Q
n 1
D
T Q TQ
n n
T触发器
n 1
第五章 触发器
D
d D
CP
D
a b
D
第五章 触发器
Q
Q e f 0 1 c
*工作原理：
CP=1时： 由上页分析，c,d 为互补输出
D无法输出到Q。 Q保持不变
维持－阻塞型 D触发器。 置0维持 置1阻塞线
aa
D=0 D=1
置 0 阻 塞 线
d
1 CP
b
D
置1维持线
第五章 触发器
D触发器
(1)特性方程 Qn+1=D (2)触发方式：边沿触发（在CP脉冲的上升沿到来前一 瞬间接收信号，在CP上升沿到来时产生状态转换。 ）
5第五章 应用指令及高功能指令简介
2．MCRO指令
宏MCRO指令允许用一个单一子程序代替数个具有相同的结构但不同操作数的子程序。
执行过程（CP1H）
N：子程序号 S：输入开始字 CPM1A：232CH ~235CH CP1H：A600CH ~A603CH D：输出开始字 CPM1A：236CH~239CH CP1H: A604CH~A607CH
CP1H机型梯形图
CPM1A机型梯形图
2. MOVB和XFRB指令
C:0C05控制字
MOVB根据控制字C的控制，传送指定通道所指定的多个位到目的通 道
例
XFRB指令是传送指定通道所指定的多个位 到目的通道
n: 传送位数
m:目的通道开始位 I:源通道开始位
例
C:1406H控制字
3. MOVD和XFER指令
例
D1的数据大于20或小于5
D1的数据大于等于5且小于等于20
例 5.3 设计一个定时控制电路，从驱动接点闭合 开始计时， 6s 后，输出线圈 100.00 得电； 10s 后， 输出线圈100.01 也得电； 20s 后，两线圈均失电。
使用3个定时器
使用CMP指令
使用符号比较指令
例 5.4 使用符号比较指令设计图3-49皮带运 输机的顺序起动和紧急停止控制。
梯形图符号
例：双按钮多位起动停止控制
用八个起动按钮（0.00~0.07）、八个停止按钮（1.00~1.07） 来分别控制八个输出线圈（100.00~100.07）
从一个启动、一个停止、 一个输出出发
100.00 (0.00 100.00)1.00
100CH (0CH 100CH)1CH
启动KM1 和15秒定时器
150-60=90
功能材料
电子工业数千亿的全球市场，90%的市场份额是硬件 及其相关材料。
例B、能源工程的关键是新能源材料、 节能材料和储能材料
新能源技术：如受控核聚变、太阳能利用、地热发电、磁流体 发电、氢能贮存等方面的发展，很大程度上取决于新材料研制 和开发。 1973年世界受到第一次石油冲击，人类赖以生存的能源基础动 摇。日本作为“能源小国”对新能源的开发极为关注，如日本 通产省的“阳光普照”计划。80 年代，日本在香川县建造的输 出1000 kW的太阳能发电站。 例：太阳能是目前人类受惠最大的自然资源。从太阳能热水器、 太阳能电池发展到太阳能发电站。但太阳能是低值能源，只能 达到1KW/m2,且转换率只10-20%.要提高发电效率,必须从集热体、 半导体材料方向进行突破。（太阳能电池材料中目前最有希望 大量应用的是硅太阳能电池。单晶硅光电池光电转换效率高， 但材料价格较贵。多晶硅光电池效率只达13％，半导体GaAs的 转换效率可达 20 ％～28％。采用多层复合结构，通过选择性吸 收涂层和光谱转换涂层可进一步提高转换效率。 IBM 公司研制 的多层复合太阳能电池，转换效率高达40％）
例A、电子材料的研制与实用化是信息化时代发展的关键
在计算机领域，存储器是计算机的主要部件，而新型存储器材 料的问世将引起存储器的变迁，同时引起计算机运算速度与容量 的飞跃。存储器材料的变迁大致可分为四个阶段：由 1955年的存 储器为水银延迟线 1963 年的存储器为具有方形磁滞特性的铁氧 体磁心1970年涂敷的氧化铁粉（磁盘）近10年光存储技术（可 擦写光盘的介质材料有磁光型和相变型两类，磁光型光盘材料常 用稀土 - 过渡元素合金的非晶薄膜（ GdCo 、 TbFe等），相变型光 盘材料大多采用低熔点金属（铜基、银基合金等）。 在光电子领域，图像、数据的大容量传送、显示，记录、模式 识别等是光通信系统材料的关键技术要求，因此对于低损耗光纤 （光导纤维：高纯石英搀杂P、Ge等元素→氟化物玻璃光导纤维）、 红外检测器件、化合物半导体激光器和传真、硬复制，大屏幕显 示等相关材料的研制是其发展的基础和核心。
第五章常用功能块
• 输入输出选项参数IO_OPTS中的位10用 来设置小信号切除功能的使能，它通常 与开平方配合使用。小信号切除的目的 是避免低流量导致的高回路增益。低流 量时切除信息可以使读数更稳定，过程 更好控制，还可避免流量累加时的错误 计数。小流量切除点在小(低)流量切除参 数LOW_OUT中设置，它与输出刻度采 用同样的工程单位，可以对其进行调整 以满足应用。
示意图Schematic
• 5.1.1输入通道 • AI功能块通过输入通道参数CHANNEL 连接到转换块，这是一个16位无符号数， 属于枚举类型参数。很多变送器只有一 个集成传感器，这意味着通道参数实际 上只有一个选项：1。
• 然而，一个多变量变送器，如密度变送 器，可能既有密度传感器，又有过程温 度传感器，因而需要两个对应的AI功能 块。每个AI功能块中的通道参数用来选 择该功能块是用来访问密度还是过程温 度。 • 另外一个需要使用通道参数的例子是具 备多路输入端子现场仪表，例如两通道 (两路温度信号)温度变送器，这时通道参 数CHANNEL有两个选项：一个是1，一 个是2。
过程变量和偏差报警有一个共同的滞后参 数ALARM_HYS。它以模块过程变量刻 度参数PV_SCALE中所设置的百分比来 表示，在AI模块中则是输出刻度的量程 百分比。滞后可以确保当数值接近报警 触发限值时，报警不会振荡（快速的触 发和消失）。过程变量高限上的报警滞 后见图4-13
PV
HI_LIM
• 当一个压力变送器用来根据静压原理测量液 位时，使用L_TYPE参数(非直接线性)，选项 选l,如图5-2所示，就可选择非直接线性。 XD_SCALE将设置为1.49kPa～5.89kPa(容 器中介质密度为800kg／m3)，OUT_SCALE 设置为0～0.56m。
第五章 细胞信号转导 PPT课件
各种化学通讯方式
细胞信号转导的作用：
①调节代谢：通过对代谢相关酶活性的调节，控 制细胞的物质和能量代谢；
②实现细胞功能：如肌肉的收缩和舒张，腺体分 泌物的释放；
③调节细胞周期：使DNA复制相关的基因表达， 细胞进入分裂和增殖阶段；
④控制细胞分化：使基因有选择性地表达，细胞 不可逆地分化为有特定功能的成熟细胞；
3.突触信号：神经递质（如乙酰胆碱）由突触前膜释放， 经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。
4.自分泌（autocrine）：信号发放细胞和靶细胞为同 类或同一细胞，常见于癌变细胞。如：大肠癌细胞可自 分泌产生胃泌素，介导调节c-myc、c-fos和ras p21等癌 基因表达，从而促进癌细胞的增殖。
三、酶耦联型受体
这类受体本身具有激酶活性，如肽类生长因子 （EGF，PDGF，CSF等）受体；或者是本身没有酶活 性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受 体超家族。 这类受体的共同点是： ①通常为单次跨膜蛋白； ②接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号 转导。
三、酶耦联型受体
可分为：
一、信号分子：
从溶解性来看又可分为脂溶性和水溶性两类：
脂溶性信号分子：如甾类激素和甲状腺素，可直接 穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复 合物，调节基因表达。
水溶性信号分子：如神经递质、细胞因子和水溶性 激素，不能穿过靶细胞膜，只能与膜受体结合，经 信号转换机制，通过胞内信使（如cAMP）或激活 膜受体的激酶活性（如受体酪氨酸激酶），引起细 胞的应答反应。
G蛋白耦联型受体
（一）cAMP信号途径
该信号通路根据G蛋白的性质不同又可以分为：Gs调节 模型和Gi调节模型；
1、Gs调节模型：
材料分析方法
第一章材料的电子结构与物理性能1. 1.主量子数n (n =1、2、3、4……)主量子数确定核外电子离原子核的远近和能级的高低。
2.次量子数l (l = 0、1、2、3……)次量子数反映的是电子轨道的形状。
在由主量子数n确定的同一主壳层上的电子的能量有差异，可分成若干个能量水平不同的亚壳层，其数目随主量子数而定，习惯上以s、p、d、f 表示。
3.磁量子数m (m = 0、±1、±2、±3……)磁量子数表示电子云在空间的伸展方向，它确定轨道的空间取向。
4.自旋量子数ms (ms = +1/2、-1/2)自旋量子数表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。
2. 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: p 6或d 10或f 14 ；半充满: p 3或d 5或f 7 ；全空: p 0或d 0或f 0 。
3.能带的形成p10：各个原子的能级因电子云的重叠产生分裂现象。
能级分裂后，其最高和最低能级之间的能量差只有几十个eV。
电子的能量或能级几乎就是连续变化的，于是形成了能带。
能带之间也存在着一些无电子能级的能量区域，称为禁带或能隙。
4．金属的能带结构重要概念：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。
5.6. 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。
功能转换材料
d 3 = 2d 31 + d 33 = 2 × ( 0.4 )d 33 + d 33 = 0.2d 33
d 3称为体积压 缩压电常数。 缩压电常数。
[ ]
0 0 0 d15 0 d11 d12 d13 d14 d15 d16 0 dij = d21 d22 d23 d24 d25 d26 = 0 0 0 d24 0 0 d31 d32 d33 d34 d35 d36 d31 d32 d33 0 0 0 0 0 0 d24 0 0 0 d 33 = 190 × 10 12 C N 0 0 d24 0 0 = d 31 = d 32 = 0.41d 33 = 78 × 10 12 C N d31 d31 d33 0 0 0 d15 = d 24 = 250 × 10 12 C N
根据几何结晶学， 种点群中， 根据几何结晶学，在32种点群中，只有 种不具有对称中心的 种点群中 只有20种不具有对称中心的 晶族，有可能具有压电性。 晶族，有可能具有压电性。
压电晶体： 压电晶体：水晶
石英，化学成分是二氧化硅。在自然界有天然的单晶。 又名α-石英，化学成分是二氧化硅。在自然界有天然的单晶。 早期用作压电晶体的是天然水晶。然而天然水晶产量有限， 早期用作压电晶体的是天然水晶。然而天然水晶产量有限，能 用来制作压电器件的天然水晶则更少。 世纪60年代以来 用来制作压电器件的天然水晶则更少。自20世纪 年代以来， 世纪 年代以来， 已广泛应用水热法生长人造水晶。 已广泛应用水热法生长人造水晶。 完整的石英单晶体有30个晶 完整的石英单晶体有 个晶 可分为柱面、 大菱面、 面 。 可分为柱面 、 大菱面 、 小 菱面等5组 菱面等 组。 水晶有左旋和右旋之分。 水晶有左旋和右旋之分 。 左 右旋晶体互为镜像而不能重合， 右旋晶体互为镜像而不能重合 ， 为左右对映体。 为左右对映体。 绝大多数人工水晶是右旋晶 体。
d 3称为体积压 缩压电常数。 缩压电常数。
[ ]
0 0 0 d15 0 d11 d12 d13 d14 d15 d16 0 dij = d21 d22 d23 d24 d25 d26 = 0 0 0 d24 0 0 d31 d32 d33 d34 d35 d36 d31 d32 d33 0 0 0 0 0 0 d24 0 0 0 d 33 = 190 × 10 12 C N 0 0 d24 0 0 = d 31 = d 32 = 0.41d 33 = 78 × 10 12 C N d31 d31 d33 0 0 0 d15 = d 24 = 250 × 10 12 C N
根据几何结晶学， 种点群中， 根据几何结晶学，在32种点群中，只有 种不具有对称中心的 种点群中 只有20种不具有对称中心的 晶族，有可能具有压电性。 晶族，有可能具有压电性。
压电晶体： 压电晶体：水晶
石英，化学成分是二氧化硅。在自然界有天然的单晶。 又名α-石英，化学成分是二氧化硅。在自然界有天然的单晶。 早期用作压电晶体的是天然水晶。然而天然水晶产量有限， 早期用作压电晶体的是天然水晶。然而天然水晶产量有限，能 用来制作压电器件的天然水晶则更少。 世纪60年代以来 用来制作压电器件的天然水晶则更少。自20世纪 年代以来， 世纪 年代以来， 已广泛应用水热法生长人造水晶。 已广泛应用水热法生长人造水晶。 完整的石英单晶体有30个晶 完整的石英单晶体有 个晶 可分为柱面、 大菱面、 面 。 可分为柱面 、 大菱面 、 小 菱面等5组 菱面等 组。 水晶有左旋和右旋之分。 水晶有左旋和右旋之分 。 左 右旋晶体互为镜像而不能重合， 右旋晶体互为镜像而不能重合 ， 为左右对映体。 为左右对映体。 绝大多数人工水晶是右旋晶 体。
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4
正压电效应
正压电效应：力的垂直方向产生正负电荷
5
逆压电效应
逆压电效应：正负电荷中心位移导致晶体形变
6
压电效应的微观机理
关键词：电心位置发生偏移
7
压电材料的晶体结构
压电材料的晶体特征 无对称中心 在32种点群的晶体中，
有21种点群的晶体不是 中心对称的
复习晶体学基础知识
8
七大晶系与对称型
9
压电材料的评价参数
10
1. 压电单晶：
压电材料
机电性能稳定，没有内耗。
举列：石英晶体
铌酸锂(LiNbO3)：机电耦合系数大 其他压电单晶材料：酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、钽酸锂碘酸 锂等晶体也都是比较好的压电晶体材料。
石英晶体
LNO晶体
四川大学 晶体组
11
2. 压电陶瓷：
优点：价格便宜 缺点：易于老化。 代表性压电陶瓷：钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（这是
52
2磁光效应与磁光材料
磁光效应——物质受磁场影响而光学特性发生变化的现象
磁光法拉第效应
y
线偏振光通过磁性物体
（沿磁场方向通过介质），
x
偏振面转一角度。
L
y
x
B
53
3.声光效应与声光材料
一、声光效应 声光效应——声波作用于物质使其光学特性发生改变的
现象。超声波引起的效应尤其显著。 超声波可以引起物质密度周期性变化，形成超声光栅，
BST(钛酸锶钡)、PbTiO3、PLT(钛酸铅镧)、PZT(锆钛酸 铅)、PLZT(锆钛酸铅镧)等)。
24
热释电效应的典型应用
➢ 在物理学基础研究中的应用,如确定晶体的非中心对称结 构和相变温度,确定晶体中原子(或离子)的相对位移等。
➢ 另一类是在探测器方面的应用。
利用红外热效应
热释电探测器 敏感度很高
热释电效应：温度的变化引起极化状态改变，使得晶体 表面产生电荷。
热释电效应最早在电气石晶体 (Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,H,F)3中发现，该晶体属三
方晶系，具有唯一的三重旋转轴。
22
热释电效应
热膨胀系数 各向异性
23
单晶材料 如TGS(硫酸三甘肽)、DTGS(氘化的TGS)、CdS、
LiTiO3、LiNiO3、SBN(铌酸锶钡)、PGO(锗酸铅)、 KTN(钽铌酸钾)等)；
高分子有机聚合物及复合材料 (如PVF(聚氟乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDF/PT(
聚偏二氟乙烯与钛酸铅复合)、PVDF/PZT(聚偏二氟乙烯 与锆钛酸铅复合) ；
金属氧化物陶瓷及薄膜材料 (如ZnO、BaTiO3、PMN(镁铌酸铅)、PST(钽钪酸铅)、
• 热释电效应的原理 • 热释电材料的晶体结构特点 • 热释电材料的用途
5.3 光电材料
31
5.3 光电材料
光电效应 物质在受到光照后，往往会引发其某些电性质的变化，
这一现象称为光电效应。主要有光电导效应、光生伏特 效应和光电子发射效应。
光电导效应：物质在受到光照射时，其导电率产生变化 的现象。
32
光电效应
光生伏特效应：如果光照射在半导体的p-n结上，则在p －n结两端会出现电势差，p区为正极，n区为负极，这种 效应称为光生伏特效应。
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的能量而被激发，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，产生了光电子发射效应。
大面积太阳能电池 超声喷涂技术
太阳能电池结构
本人科研团队在聚合物电离发射）。 应用：光电转换器、高灵敏度电视摄像管、图象倍增器。
光电转换器
高灵敏摄像机
37
光电导材料
光电半导体：Ge、Si、ZnO、CdS、PbS。 光电导陶瓷：CdS陶瓷、CdSe陶瓷等。 有机高分子光电导体。 应用：1.光探测的光敏感器件
转换的功能材料
T1 B V
T2
41
热电效应理论
Seebeck 效 应 、 Peltier 效 应 和 Thomson 效 应 。 1821 年,T.J.Seebeck发现,由两种不同导体a,b构成的闭合回路的两 端接点的温度不同时,回路中就产生电流,这种现象称为 Seebeck效应。 温差电动势,亦称为Seebeck电动势：
25
(1)夜视装置。 利用热释电探器制作的夜视装置,具有灵敏度高的优点,能够 将热源从背景中区分出来,这是热释电材料最早的应用之一。
26
(2)卫星遥感探测装置。用于卫星探矿、森林火灾预警等。
影片：深入敌后
27
(3)导弹、坦克等的探测器。
28
(4)银行、保险公司等重要部门的报警器。
29
小结：
46
2、用做温差电源
最多的应用是温差发电，但效率低，成本高。然而在一 些场合其它能源无法使用时，便成为独一无二的发电方 式，如南极、高山、空间及月球工作的大功率电源必须 采用它。
3、用于制冷
利用半导体帕尔贴效应，实现热、电能转换，制成半导 体制冷机（电流流过时，低温端吸热，高温端放热）
优点：寿命长，可靠，小型化，无空气污染
43
a
I T1
b
T1 T2 T2
Thomson效应：流过电流，棒吸 热，电流反向时放热。
44
热电材料的应用
1、用于测温热电偶：通
过测电动势来测温。把热学 量变为电学量测量。
T
BC
电位 差计
A
C
T0
恒温装置
45
常用的热电偶材料
•T型： 铜－康铜（60％Cu，40％Ni）适用于－200℃～400℃。 •K型：镍铬－镍铝（90％Ni＋10％Cr－95％Ni＋5％Al）适 用于0℃～1000℃。 •S型：铂－铂铑（Pt－13％Rh＋87％Pt）温度范围0℃～ 1500℃。 热电偶材料：有近300种，广泛应用的有8种。 制冷和低温温差电源材料： •碲化铋，硒化铋，碲化锑。
光电导摄像管 固体图像传感器
38
小结：
• 什么是光电导效应 • 什么是光伏特效应 • 什么是光电发射
5.3 热电材料
40
5.4 热电材料
热电效应：在用不同导体构成的闭合
电路中，若使其结合部分出现温度差
，则在此闭合电路中将有电流通过，
或产生热电势，这种现象叫热电效应
。
A
热电材料是一种能将热能和电能相互
爱因斯坦与 光电效应
33
光伏材料
光生伏特材料：硅太阳能电池、半导体太阳能电池、薄
膜太阳能电池。
内建电场
•硅 • 铜铟镓硒 • 碲化镉 • 有机光伏材料
-+
界面附近产生电 子与空穴
34
第一代
第二代
第三代
•硅 • 碲化镉 • 铜铟镓硒 • 有机光伏材料
35
最高转换效率：9.0% 平均转换效率：8.2% 良率：≈ 100%
缺点：可见光区，难获得折射率>2.1的玻璃
2、声光晶体 (适应于 100MHz声光器件）
主要是氧化物晶体，其中重要的是： 二氧化碲（TeO2）、钼酸铅（PbMoO4）、锗酸铋（Bi12GeO20）
56
引起光的衍射（声光衍射效应）。
54
拉曼-纳斯衍射 （超声波频率 20MHz）
物质内形成的疏密波相当于光栅，光栅常数即声波波长
sin m, m 1, 2,3
超声波 超声振 子
55
1、声光玻璃
(适应于 100MHz声光器件）
常用材料：熔融石英玻璃，Te玻璃等
优点：易生产加工，退火后光学均匀性好，损耗小，价廉。
20
• 具有自发极化，且自发极化不能被外加电场所转向的晶 体。如电器石，CaS、CaSe、Li2SO4·H2O、ZnO等。通常 称之为热释电晶体。
• 自发极化可以被外加电场所转向的晶体。即铁电晶体。 如LiNbO3、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3等
E
普通电介质
铁电晶体 21
5.2 热释电材料
dV=α(T)dT α(T)为Seebeck系数,在冷端接点处,若电流由2流向1,则α(T)为 正, 反之为负。其大小取决于接点温度及组成材料。
42
T1
B
A
V
T1 I
B A
T2
Seebeck效应：两种不同 材料A、B构成开路，接 点保持不同温度，则回 路产生电动势
T2
Peltier效应：两种不同导体 A、B构成回路，接电源。则一 个接点吸热，另一个放热。 （电流反向时，吸放热相反）。
47
48
性能优异的笼合物材料
Ba8Ga14Sn50样品
Seeback系数
武汉光电国家实验室-程峰博士 dV=α(T)dT
49
热电材料与热释电材料的差别
1.原理 2.材料类型 3.用途
50
其他功能转换材料
51
1、电光效应与电光材料
电光效应——物质光学特性受电场影响而发生改变的现象。 电光材料绝大部分为晶体材料。 KH2PO4, NH4H2PO4, BaTiO3,SrTiO3, LiTiO3, ZnS, GaAs 用途：制造光体制原件，用于光偏转，可变谐振滤波，电 场测定等。
PbTiO3和PbZrO3组成的二元固溶体）。
锆钛酸铅
钛酸锶钡
肖定全教授
12
压电材料广泛应用于电子学和传感器领域。
电压大小与受力大小成正比
13
水声换能器：利用正压电效应接收声波，来完成水下观 察、通讯和探测等。
14
在超声技术的应用：利用压电材料的逆压电效应，在高 驱动电场下产生高强超声波，并以此为动力在超声乳化 ，超声焊接，超声粉碎等装置上的机电换能装置等。
正压电效应
正压电效应：力的垂直方向产生正负电荷
5
逆压电效应
逆压电效应：正负电荷中心位移导致晶体形变
6
压电效应的微观机理
关键词：电心位置发生偏移
7
压电材料的晶体结构
压电材料的晶体特征 无对称中心 在32种点群的晶体中，
有21种点群的晶体不是 中心对称的
复习晶体学基础知识
8
七大晶系与对称型
9
压电材料的评价参数
10
1. 压电单晶：
压电材料
机电性能稳定，没有内耗。
举列：石英晶体
铌酸锂(LiNbO3)：机电耦合系数大 其他压电单晶材料：酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、钽酸锂碘酸 锂等晶体也都是比较好的压电晶体材料。
石英晶体
LNO晶体
四川大学 晶体组
11
2. 压电陶瓷：
优点：价格便宜 缺点：易于老化。 代表性压电陶瓷：钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（这是
52
2磁光效应与磁光材料
磁光效应——物质受磁场影响而光学特性发生变化的现象
磁光法拉第效应
y
线偏振光通过磁性物体
（沿磁场方向通过介质），
x
偏振面转一角度。
L
y
x
B
53
3.声光效应与声光材料
一、声光效应 声光效应——声波作用于物质使其光学特性发生改变的
现象。超声波引起的效应尤其显著。 超声波可以引起物质密度周期性变化，形成超声光栅，
BST(钛酸锶钡)、PbTiO3、PLT(钛酸铅镧)、PZT(锆钛酸 铅)、PLZT(锆钛酸铅镧)等)。
24
热释电效应的典型应用
➢ 在物理学基础研究中的应用,如确定晶体的非中心对称结 构和相变温度,确定晶体中原子(或离子)的相对位移等。
➢ 另一类是在探测器方面的应用。
利用红外热效应
热释电探测器 敏感度很高
热释电效应：温度的变化引起极化状态改变，使得晶体 表面产生电荷。
热释电效应最早在电气石晶体 (Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,H,F)3中发现，该晶体属三
方晶系，具有唯一的三重旋转轴。
22
热释电效应
热膨胀系数 各向异性
23
单晶材料 如TGS(硫酸三甘肽)、DTGS(氘化的TGS)、CdS、
LiTiO3、LiNiO3、SBN(铌酸锶钡)、PGO(锗酸铅)、 KTN(钽铌酸钾)等)；
高分子有机聚合物及复合材料 (如PVF(聚氟乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDF/PT(
聚偏二氟乙烯与钛酸铅复合)、PVDF/PZT(聚偏二氟乙烯 与锆钛酸铅复合) ；
金属氧化物陶瓷及薄膜材料 (如ZnO、BaTiO3、PMN(镁铌酸铅)、PST(钽钪酸铅)、
• 热释电效应的原理 • 热释电材料的晶体结构特点 • 热释电材料的用途
5.3 光电材料
31
5.3 光电材料
光电效应 物质在受到光照后，往往会引发其某些电性质的变化，
这一现象称为光电效应。主要有光电导效应、光生伏特 效应和光电子发射效应。
光电导效应：物质在受到光照射时，其导电率产生变化 的现象。
32
光电效应
光生伏特效应：如果光照射在半导体的p-n结上，则在p －n结两端会出现电势差，p区为正极，n区为负极，这种 效应称为光生伏特效应。
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的能量而被激发，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，产生了光电子发射效应。
大面积太阳能电池 超声喷涂技术
太阳能电池结构
本人科研团队在聚合物电离发射）。 应用：光电转换器、高灵敏度电视摄像管、图象倍增器。
光电转换器
高灵敏摄像机
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光电导材料
光电半导体：Ge、Si、ZnO、CdS、PbS。 光电导陶瓷：CdS陶瓷、CdSe陶瓷等。 有机高分子光电导体。 应用：1.光探测的光敏感器件
转换的功能材料
T1 B V
T2
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热电效应理论
Seebeck 效 应 、 Peltier 效 应 和 Thomson 效 应 。 1821 年,T.J.Seebeck发现,由两种不同导体a,b构成的闭合回路的两 端接点的温度不同时,回路中就产生电流,这种现象称为 Seebeck效应。 温差电动势,亦称为Seebeck电动势：
25
(1)夜视装置。 利用热释电探器制作的夜视装置,具有灵敏度高的优点,能够 将热源从背景中区分出来,这是热释电材料最早的应用之一。
26
(2)卫星遥感探测装置。用于卫星探矿、森林火灾预警等。
影片：深入敌后
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(3)导弹、坦克等的探测器。
28
(4)银行、保险公司等重要部门的报警器。
29
小结：
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2、用做温差电源
最多的应用是温差发电，但效率低，成本高。然而在一 些场合其它能源无法使用时，便成为独一无二的发电方 式，如南极、高山、空间及月球工作的大功率电源必须 采用它。
3、用于制冷
利用半导体帕尔贴效应，实现热、电能转换，制成半导 体制冷机（电流流过时，低温端吸热，高温端放热）
优点：寿命长，可靠，小型化，无空气污染
43
a
I T1
b
T1 T2 T2
Thomson效应：流过电流，棒吸 热，电流反向时放热。
44
热电材料的应用
1、用于测温热电偶：通
过测电动势来测温。把热学 量变为电学量测量。
T
BC
电位 差计
A
C
T0
恒温装置
45
常用的热电偶材料
•T型： 铜－康铜（60％Cu，40％Ni）适用于－200℃～400℃。 •K型：镍铬－镍铝（90％Ni＋10％Cr－95％Ni＋5％Al）适 用于0℃～1000℃。 •S型：铂－铂铑（Pt－13％Rh＋87％Pt）温度范围0℃～ 1500℃。 热电偶材料：有近300种，广泛应用的有8种。 制冷和低温温差电源材料： •碲化铋，硒化铋，碲化锑。
光电导摄像管 固体图像传感器
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小结：
• 什么是光电导效应 • 什么是光伏特效应 • 什么是光电发射
5.3 热电材料
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5.4 热电材料
热电效应：在用不同导体构成的闭合
电路中，若使其结合部分出现温度差
，则在此闭合电路中将有电流通过，
或产生热电势，这种现象叫热电效应
。
A
热电材料是一种能将热能和电能相互
爱因斯坦与 光电效应
33
光伏材料
光生伏特材料：硅太阳能电池、半导体太阳能电池、薄
膜太阳能电池。
内建电场
•硅 • 铜铟镓硒 • 碲化镉 • 有机光伏材料
-+
界面附近产生电 子与空穴
34
第一代
第二代
第三代
•硅 • 碲化镉 • 铜铟镓硒 • 有机光伏材料
35
最高转换效率：9.0% 平均转换效率：8.2% 良率：≈ 100%
缺点：可见光区，难获得折射率>2.1的玻璃
2、声光晶体 (适应于 100MHz声光器件）
主要是氧化物晶体，其中重要的是： 二氧化碲（TeO2）、钼酸铅（PbMoO4）、锗酸铋（Bi12GeO20）
56
引起光的衍射（声光衍射效应）。
54
拉曼-纳斯衍射 （超声波频率 20MHz）
物质内形成的疏密波相当于光栅，光栅常数即声波波长
sin m, m 1, 2,3
超声波 超声振 子
55
1、声光玻璃
(适应于 100MHz声光器件）
常用材料：熔融石英玻璃，Te玻璃等
优点：易生产加工，退火后光学均匀性好，损耗小，价廉。
20
• 具有自发极化，且自发极化不能被外加电场所转向的晶 体。如电器石，CaS、CaSe、Li2SO4·H2O、ZnO等。通常 称之为热释电晶体。
• 自发极化可以被外加电场所转向的晶体。即铁电晶体。 如LiNbO3、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3等
E
普通电介质
铁电晶体 21
5.2 热释电材料
dV=α(T)dT α(T)为Seebeck系数,在冷端接点处,若电流由2流向1,则α(T)为 正, 反之为负。其大小取决于接点温度及组成材料。
42
T1
B
A
V
T1 I
B A
T2
Seebeck效应：两种不同 材料A、B构成开路，接 点保持不同温度，则回 路产生电动势
T2
Peltier效应：两种不同导体 A、B构成回路，接电源。则一 个接点吸热，另一个放热。 （电流反向时，吸放热相反）。
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48
性能优异的笼合物材料
Ba8Ga14Sn50样品
Seeback系数
武汉光电国家实验室-程峰博士 dV=α(T)dT
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热电材料与热释电材料的差别
1.原理 2.材料类型 3.用途
50
其他功能转换材料
51
1、电光效应与电光材料
电光效应——物质光学特性受电场影响而发生改变的现象。 电光材料绝大部分为晶体材料。 KH2PO4, NH4H2PO4, BaTiO3,SrTiO3, LiTiO3, ZnS, GaAs 用途：制造光体制原件，用于光偏转，可变谐振滤波，电 场测定等。
PbTiO3和PbZrO3组成的二元固溶体）。
锆钛酸铅
钛酸锶钡
肖定全教授
12
压电材料广泛应用于电子学和传感器领域。
电压大小与受力大小成正比
13
水声换能器：利用正压电效应接收声波，来完成水下观 察、通讯和探测等。
14
在超声技术的应用：利用压电材料的逆压电效应，在高 驱动电场下产生高强超声波，并以此为动力在超声乳化 ，超声焊接，超声粉碎等装置上的机电换能装置等。