《功能材料》PPT课件.ppt

第七章 新型功能材料,本章内容,7.1 光学功能材料7.2 电功能材料7.3 功能转换材料,7.1 光学功能材料 7.1.1 激光材料 1.激光的产生和特点：,激光产生的原理,激光的特点：相干性好 发射的光具有相同相位 单色性纯 在谐振腔调谐为特定频率 方向性好 偏离调谐轴向的辐射经反射逸散 高亮度 光子被同时释放，具有巨大亮度 激光焦点亮度比普通光高108-1010倍,2.常用激光材料 激光工作物质分为固体、液体和气体激光工作物质。固体激光物质最为重要，分为晶体和玻璃两种。,（2）激光玻璃 激光玻璃与激光晶体一起构成了固体激光材料的两大类，并得到迅速发展。激光玻璃由激活离子和基质玻璃组成。激活离子：在激光玻璃中激活离子是以Nd3+为代表的 三价稀土离子。基质玻璃：在基质玻璃中，最早的激光输出是在掺钕钡冕玻璃中实现的。,7.1.2 红外材料 红外材料是指与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相关的一些材料。本节主要介绍红外透射和辐射材料。1.红外辐射材料：红外辐射又称热辐射。红外辐射材料可分为热型、“发光型”和热-“发光”混合型三类。红外加热技术主要采用热型红外辐射。,（1）红外辐射材料的辐射特性 红外辐射材料的辐射特性决定于材料的温度和发射率。而发射率是红外辐射材料的重要特征值。,其中:吸收率+反射率+透过率=1 根据Kirchoff定律:辐射体的辐射出射度/吸收率=黑体辐射出射度 则 吸收率=辐射体的辐射出射度/黑体辐射出射度=,材料发出辐射是因组成材料的原子、分子或离子体系在不同能量状态间跃迁产生的。短波段与其电子跃迁有关，长波段则与其晶格振动特性有关。红外辐射体的辐射机制是由于分子转动或振动而伴随着电偶极矩的变化而产生的辐射。因此，组成材料的元素、化学键形式、晶体结构以及晶体中存在缺陷等因素都将对材料的发射率发生影响。（a）材料本身结构对其发射率的影响 一般来说金属导电体的发射率值较小，电介质材料的发射率较高。,（b）材料的发射率随辐射波长的变化 多数红外辐射材料，在短波段与其电子跃迁有关，长波段则与其晶格振动特性有关。,（c）原材料预处理工艺对发射率的影响 同一种原材料因预处理工艺条件不同而有不同的发射串值。例如氧化钛在空气700oC和煤气氛1400oC，其常温发射率分别为0.81和0.86。（d）发射率与温度的关系 对电介质来说，有些随温度升高而升高，有些则降低。（e）发射率受材料表面状态影响 一般来说，表面越粗糙，其发射率值越大。,（f）材料的体因素对发射率的影响 材料的体因素包括材料的厚度、填料的粒径和含量等等。对透红外材料，其发射率值受到与材料体因素有关的红外吸收影响。（d）材料的发射率随工作时间而变化 在工作条件下，由于与环境介质发生相互作用或其他物理化学变化，从而引起成分及结构的变化，使材料的发射率改变。,（2）红外辐射材料的应用,2.透红外材料：（1）透红外材料的性质 透红外材料是指对红外线透过率高的材料。对其材料的要求是红外光谱透过率要高，透过的短波限要低，透过的频带要宽。（2）透红外材料的种类 目前实用的光学材料有二三十种，可以分为晶体、玻璃、透明陶瓷、塑料等。锗、硅半导体的单晶和碱金属、碱土金属卤化物离子晶体是常用的单晶透红外材料。红外光学玻璃主要有：硅酸盐、铝酸盐、镓酸盐、硫属化合物玻璃等。,氧化铝透明陶瓷不只是透过红外线，也可以透过可见光。稀有金属氧化物（如氧化钇）陶瓷是一类具有耐高温性能的透红外光学材料。塑料也是红外光学材料，但近红外性能不如其他材料，多用于远红外。,（3）透红外光学材料应用 透红外光学材料是用来制造红外光学透镜、棱镜、调整盘、整流罩等不可或缺的材料。,7.1.3 发光材料 发光是一种物体把吸收的能量，不经过热的阶段，直接转换为特征辐射的现象。发光材料种类很多，按激发方式可分为：光致发光材料、电致发光材料、阴极射线致发光材料、热致发光材料、等离子发光材料。1.发光机理（1）分立中心发光：发光材料的发光中心受激后，激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光。它是单分子过程，有自发发光和受迫发光两种。,自发发光：受激发粒子受内部电场作用从激发态回到基态时的发光。其特征为，与发光相应的电子跃迁概率决定于发射体内部电场，而不受外界影响。受迫发光：受激发的电子只有在外界影响下才发光。其特征是发射过程分为两个阶段，发射体存在亚稳的受激态M,其跃迁至基态是禁阻的，而受迫发光的第一阶段为由热起伏使电子跃迁到A态，然后再从A态跃迁回基态而发光。,（2）复合发光 发光材料受激发时，分离出一对带异号的电荷的粒子，一般为正离子和电子，这两种离子在复合时便发光，既复合发光。复合发光过程中存在离子化的带电粒子的迁移或扩散，构成特征的光电导，也称为“光电导发光”。复合发光过程，可以在一个发光中心上进行而实现单分子过程，电子在导带中存在时间很短，是短复合发光过程；大部分情况是电子脱离原来的发光中心在其他中心上实现双分子过程，电子在导带中时间长，是长复合过程。,2.发光特征,3.发光材料（1）光致发光材料 用紫外线、可见光及红外线激发发光材料而产生发光的现象称为光致发光，相应材料为光致发光材料。一般分荧光材料和磷光材料两种。荧光材料：只有具备共轭键系统的分子才能使激发态保持相对稳定而发射荧光，因而荧光材料主要是以苯环为基的芳香族化合物和杂环化合物。具有缺陷的某些复杂的无机晶体物质，在光激发时和光激发停止后一定时间内能够发光，称为磷光材料。光致发光主要用于显示、显像、照明和日常生活中。,（2）电致发光材料,（3）射线致发光材料,（4）等离子体发光材料,7.2 电功能材料 半导体材料 1.半导体的导电机理 半导体价带中的电子受激发后从满价带跃迁到空导带中，跃迁电子可以在导带自由移动，传导负电荷；同时在满价带中留下空穴，在价带中传导正电荷。半导体导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中的载流子。激发可以是热激发，也可以是非热激发，通过激发半导体中产生载流子，从而导电。,2.半导体的分类 按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体又可以分为本征半导体和杂质半导体。化合物半导体可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种。按照掺杂原子的价电子数可以分为施主型和受主型，前者掺杂原子的价电子多于纯元素价电子，而后者相反。按晶态分为结晶、微晶、非晶体半导体。,3.半导体材料,超导材料 1911年荷兰物理学家Onnes在研究水银低温电阻时，首先发现超导现象。物质在超低温下，失去电阻的性质为超导电性，相应的物质就称为超导体。一些金属、合金和化合物也陆续发现了其超导现象。因此，超导体存在常导状态和超导状态。,1.超导体的基本物理性质（1）零电阻现象,Tc 临界温度,超导物质在温度降低至某一数值Tc以下，则电阻突然为零。,（2）完全抗磁性 1933年Meissner和Ochsenfeld首次发现了超导体具有完全抗磁性的特性。他们将锡单晶球超导体在磁场（HHc）中冷却，在临界温度以下，超导体内的磁通线一下子被排斥出去；先冷却到临界温度以下，再通以磁场，现象一样。即在超导状态下，超导体内磁感应强度B0，也就是所谓的Meissner 效应。,超导态具有两大特性：零电阻现象和Meissner 效应。,2.超导体的临界参数,3.超导体的超导机理,按照材料成分，超导体可分为元素超导体、合金超导体、化合物超导体。按照Meissner 效应分为第一类超导体和第二类超导体。,4.超导体的种类,5.超导体材料的性能,6.超导体材料的应用,热电材料,压电材料,7.3功能转换材料光电转换材料,磁光材料,声光材料,