功能材料学PPT课件

.,功能材料学,.,功能材料学,授课学期：20072008学年第2学期考核方式：闭卷考试学分：3学分授课专业：2005级无机非金属材料专业总学时数：48学时理论学时：48学时实践学时：0学时课堂讲授：46学时辅导答疑：2学时,.,教学目标及基本要求,了解和掌握电功能材料、磁功能材料、光功能材料和特种物理功能材料的组分、结构、性能和发展动向；拓宽知识视野，提升知识层次，培养和提高综合素质和应用能力；为相关专业课程的学习和毕业后从事功能材料的生产、科研和教学工作打下较坚实基础。,.,教学内容与课时分配,绪论2学时第一章导电材料4学时第二章介电材料2学时第三章压电材料2学时第四章热电材料2学时第五章光电材料2学时第六章磁性材料4学时第七章磁信息材料2学时第八章透光和导光材料2学时,.,第九章发光材料2学时第十章激光材料2学时第十一章非线性光学材料2学时第十二章光调制用材料2学时第十三章红外材料2学时第十四章光信息材料2学时第十五章隐身材料4学时第十六章梯度功能材料4学时第十七章纳米材料2学时第十八章机敏材料和智能材料2学时辅导答疑2学时,.,教学重点,功能材料的特征和分类；导体材料、超导材料、半导体材料；介电材料、铁电材料；压电效应及压电材料的特征值；温差电动势材料、热电导材料、热释电材料；光电子发射材料、光电导材料、光电动势材料；软磁材料、硬磁材料、铁氧体；磁记录材料、磁泡材料、矩磁材料；透光材料、光纤材料；,.,材料的发光机理、光致发光材料、电致发光材料、射线致发光材料、等离子发光材料。激光的基本原理、激光材料；非线性光学材料的基本原理；电光材料、磁光材料；红外线的基本规律、红外辐射材料、透红外材料；全息材料、光盘材料；隐身技术、微波隐身材料、红外隐身材料、激光、声和多功能隐身材料；梯度功能材料的概念、梯度光折射率材料、热防护梯度功能材料；纳米材料的概念、纳米颗粒材料；机敏材料和智能材料的概念。,.,教学难点,导电材料的电导率、能带结构和导电机理；介电材料的特征值、铁电体的特性；压电效应；温差电动势效应、热电导效应、热释电效应；光电子发射原理、光电导原理、光电动势原理；磁性材料和磁信息材料的磁滞回线及特征值；,.,光纤材料的传输原理；材料的发光机理；激光的基本原理、产生及特点；非线性光学材料的基本原理；电光效应、磁光效应；红外线的基本规律；微波隐身原理、红外隐身原理、激光隐身原理；梯度功能材料的概念；纳米材料的概念和特征；机敏材料和智能材料的概念。,.,主要参考书目,马如璋等编著，功能材料学概论，冶金工业出版社，1999年。田莳编著，功能材料，北京航空航天大学出版社，1995年。殷景华等主编，功能材料概论，哈尔滨工业大学出版社，1999年。郭卫红等编著，现代功能材料及其应用，化学工业出版社，2002年。贡长生等主编，新型功能材料，化学工业出版社，2001年。,.,绪论,0.1引言0.2功能材料的特征和分类0.3功能材料的现状和发展趋势0.4功能材料学科的内容和相关学科,.,教学目标及基本要求,掌握功能材料的概念、特征和分类；了解功能材料的现状、发展趋势以及功能材料学科的内容和相关学科。,.,教学重点和难点,（1）功能材料及其主要特征（2）功能材料的化学成分分类和物理性质分类,.,绪论,功能材料是指具有优良的物理、化学、生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。功能材料学科是一门新兴的综合学科。功能材料学是功能材料学科中的一门技术基础课。本教材主要阐述了电、磁、光和特种物理功能材料的组成、结构、性能、应用和发展动向，未涉及核、热、声、分离、摩擦、密封等物理功能材料，以及化学和生物等功能材料。本教材共有绪论和18章内容，其中15章为电功能材料，67章为磁功能材料，814章为光功能材料，1518章为隐身材料、梯度功能材料、纳米材料、机敏和智能材料等特种物理功能材料。,.,0.1引言,材料是现代科技和国民经济的物质基础。材料与信息、能源构成现代文明的三大支柱。新材料技术被视为新技术革命的基础和先导。材料包括人类有用的各种物质。具体地说，材料是用来制造各种产品的物质，这些物质能用来生产和构成功能更多、更强大的产品。材料按其性质及用途可分为结构材料和功能材料两大类。结构材料（工程材料）是指要求强度、韧性、塑性等机械性能的材料，混凝土、木材等建筑材料是典型的结构材料。结构材料被称为第一代材料。,.,功能材料的概念是美国人MortonJA于1965年首先提出来的，是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。结构材料实际上是一种具有力学功能的材料，因此也是一种功能材料。但由于对应于力学功能的机械运动是一种宏观物体的运动，它与对应于其他功能的微观物体的运动有着显著的区别。因此，习惯上不把结构材料包括在功能材料范畴之内。由于宏观运动和微观运动之间是相互联系的，在适当条件下还可以互相转化。因此，结构材料和功能材料有共同的科学基础，有时也很难截然划分。此外，有时一种材料可同时具有结构材料和功能材料两种属性，如结构隐身材料。,.,对功能材料的研究和应用实际上远早于1965年，但在相当长的时间内发展缓慢。20世纪60年代以来，功能材料得到了迅速发展，其主要原因是：微电子、激光等各种现代技术的兴起及其对材料的需求；固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理和生物化学等学科的飞速发展；各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技术在功能材料研究和生产中的实际应用。目前结构材料和功能材料的关系发生了根本的变化，功能材料已和结构材料处于基本同等的地位。功能材料迅速发展是材料发展第二阶段的主要标志，因此把功能材料称为第二代材料。,.,0.2功能材料的特征和分类,一、功能材料的主要特征功能材料是指具有优良的物理、化学和生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。也就是指那些要求以光、电、磁、热、声、核辐射等特殊性能为主要功用的材料，如光导纤维、磁盘。与结构材料相比，功能材料有以下五大主要特征：功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动。其聚集态和形态非常多样化。产品形式主要是材料元件一体化。是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物。采用许多新工艺和新技术进行制备与检测。,.,二、功能材料的基本分类1、按化学成分（化学键）分类，可分为金属、无机非金属、有机高分子和复合功能材料。2、按物理性质分类，可分为物理（如光、电、磁、声、热和力学功能材料等）、化学、生物、核功能材料和特殊功能材料。3、按聚集状态分类，可分为气态、液态、固态、液晶态和混合态功能材料。4、按维度分类，可分为三维、二维、一维和零维功能材料。5、按材料形态分类，可分为体积、膜、纤维和颗粒等功能材料。6、按用途分类，可分为电子、航空、航天、兵工、建筑、医药、包装等材料。,.,三、功能材料的化学成分分类（一）功能金属材料1、电性材料：导电、电阻、电热、热电材料2、磁性材料：金属软磁、金属永磁、磁致伸缩、铁氧体磁性材料3、超导材料：常规、高温、其他类型的超导材料4、膨胀材料和弹性材料：膨胀合金、弹性合金（二）功能无机非金属材料1、功能陶瓷：绝缘、介电和铁电、压电和热释电、热敏、压敏、气敏、湿敏、导电陶瓷2、功能玻璃材料：光学玻璃材料、电介质玻璃材料、光电子功能玻璃材料3、半导体材料：硅、锗、砷化镓、镓砷磷、薄膜半导体材料、非晶半导体和非晶超晶格材料,.,（三）功能高分子材料1、光功能高分子材料：感光性高分子材料、光致变色高分子材料、塑料光导纤维2、电功能高分子材料：导电、光电导、高分子压电材料、高分子超导体、结构型高分子磁性材料3、化学功能高分子材料及其其他功能高分子（高分子液晶、高分子分离膜材料、医用高分子）（四）功能复合材料1、磁性复合材料2、电性复合材料3、梯度功能复合材料4、隐身复合材料5、其他功能复合材料,.,（五）功能晶体材料1、光学晶体2、非线性光学晶体：激光频率转换晶体、红外非线性光学晶体、有机非线性光学晶体3、激光晶体：掺杂型激光晶体、自激活激光晶体、色心激光晶体、半导体激光器4、电光和光折变晶体5、其他交互效应功能晶体：压电晶体、声光晶体、磁光晶体、热释电晶体（六）具有特殊结构的功能材料1、非晶态合金；2、纳米结构材料；3、储氢材料；4、薄膜功能材料；5、形状记忆材料；6、智能材料与结构；7、减振材料；8、生物医学材料,.,0.3功能材料的现状和展望,功能材料迅速发展，现已开发的功能材料主要有：（1）单功能材料，如导电材料、光信息材料等。（2）功能转换材料，如压电材料、磁光材料等。（3）多功能材料，如防振降噪材料等。（4）复合和综合功能材料，如隐身材料等。（5）新形态和新概念功能材料，如梯度材料等。功能材料的发展趋势可归纳为如下方面。（1）功能化、多功能化与智能化结构材料趋向结构功能化；功能材料趋向功能多样化；一般功能材料向智能材料发展。,.,（2）材料的尺寸、规格、成品形状与加工制作宏观尺寸向细观、介观、微观尺寸发展；常规材料向轻、薄、细、短、小、微、超宽、超大、超长、高纯等特种材料发展；规则形状向异型材发展；材料元件一体化；通过加工和热处理，控制和改变材料组织和结构，获得所需的性质和功能。（3）材料的材质和复合功能材料向“四高一智一集”（即：高性能、高灵敏度、高精度、高可靠性，智能化、功能集成化）的方向发展；硅材料的进一步发展；单一材质的材料向多种材质的材料方向发展；简单复合材料向复杂体系复合材料的方向发展。,.,（4）材料的结构、组成与功能纳米材料的发展；稀土功能材料的发展；超导材料的发展。（5）信息、生物、环境材料将成为新世纪的研究热点（6）关于材料的性能表征、检测手段与专题研究（7）改造传统材料，着力新材料的规模化、工程化与产业化传统材料向“两高一低”发展，即高性能、高品质和低成本；能源材料与能源产业的迅猛发展。,.,0.4功能材料学科的内容和相关学科,功能材料学科的内容包括以下三个方面：（1）功能材料学是研究功能材料的成分、结构、性能、应用及其间的关系，在此基础上，研究功能材料的设计和发展途径。（2）功能材料工程学是研究功能材料的合成、制备、提纯、改性、储存和使用的技术和工艺。（3）功能材料的表征和测试技术是研究一般通用的理化测试技术在功能材料上的应用和各类功能材料特征功能的测试技术和表征。,.,本章小结,1、功能材料及其主要特征？功能材料是指具有优良的物理、化学、生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。其主要特征：功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动；其聚集态和形态非常多样化；产品形式主要是材料元件一体化；是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物；采用许多新工艺和新技术进行制备与检测。,.,2、功能材料的化学成分分类和物理性质分类？按化学成分（化学键）分类，功能材料可分为金属、无机非金属、有机高分子和复合功能材料。按物理性质分类，功能材料可分为物理（如光、电、磁、声、热和力学功能材料等）、化学、生物、核功能材料和特殊功能材料。,.,第一章导电材料,1.1导体材料1.2超导材料1.3半导体材料1.4高分子导电材料1.5离子导电材料,.,教学目标及基本要求,掌握导体的能带结构和导电机理，超导材料的特征值和超导机理，半导体的能带结构和导电机理，离子导电材料的导电机理和特征值。了解高分子导电材料，导体材料、超导材料、半导体材料、离子导电材料的种类、应用和发展趋势。,.,教学重点和难点,（1）导体的能带结构和导电机理（2）Meissner效应、超导材料的特征值和超导机理（3）半导体、本征半导体和杂质半导体的能带结构和导电机理（4）离子导电材料的导电机理和特征值,.,第一章导电材料,导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大类。电子导电材料的导电起源于电子的运动。电子导电材料包括导体、超导体和半导体。导体的电导率105S/m；超导体的电导率为无限大；半导体的电导率为10-7104S/m；绝缘体的电导率10-7S/m时。导体、超导体、半导体和绝缘体的区别在于电导率、能带结构和导电机理三方面。电导率=J/E电阻率=E/J传统的高分子材料的电导率10-20S/m。离子导电材料的导电则主要是起源于离子的运动。其电导率最高不超过102S/m，大多100S/m。,.,1.1导体材料,一、导体的能带结构导体的能带结构如图11所示，有三种结构：（a）类，未满带+重带+空带；（b）类，满带+空带；（c）类，未满带+禁带+空带。,图11导体的能带结构,.,满带：全部被电子占满的能级。空带：未被电子占住，全部空着的能级。未满带：部分被电子占住的能级。重带：空带与未满带重叠的能级。禁带：在准连续的能谱上出现能隙Eg。价带：原子基态价电子能级分裂而成的能带。导带：相应于价带以上的能带（即第一激发态）。不论何种结构，导体中均存在电子运动的通道即导带。即（a）类的导带由未满带、重带和空带构成；（b）类的导带由空带构成；（c）类的导带由未满带构成。电子进入导带运动均不需能带间跃迁。,.,二、导体的导电机理导体导电机理的经典理论是自由电子理论，认为电子在金属导体中运动时不受任何外力作用，也无互相作用，即金属导体中电子的势能是个常数。因此，可用经典力学来导出电导率公式。实际上，不论是金属，还是非金属导体中电子的运动是在以导体空间点阵为周期的势场中运动，电子的势能是个周期函数，而不是常数，因此，它不是自由电子，这就是能带理论。但导体的周期势场和变化都比电子平均动能小得多，按量子力学，可当微扰来处理，这种理论称准自由电子理论，认为导体中的电子可看作准自由电子，其运动规律可视为和自由电子相似。,.,晶体中并非所有电子，也并非所有的价电子都参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电（图12）。,根据能带理论，金属中自由电子是量子化的，构成准连续能谱，金属中大量自由电子的分布服从费密狄拉克统计规律。,禁带越宽，电子由价带到导带需要外界供给的能量越大，才能使电子激发，实现电子由价带到导电的跃迁。因而，通常导带中导电电子浓度很小。导体的Eg0eV，半导体：0Eg2eV，绝缘体Eg2eV。,图12半导体的能带结构,.,三、导体材料的种类导体材料按化学成分主要有以下三种：（1）金属材料。这是主要的导体材料，电导率在107108S/m之间，常用的有银、铜和铝。（2）合金材料。电导率在105107S/m之间，如黄铜、镍铬合金。（3）无机非金属材料。电导率在105108S/m之间，如石墨，C3K、C16AsF5、C24S6F5。四、导体材料的应用导体材料在电力、电器、电子、信息、航空、航天、兵器、汽车、仪器仪表、核工业和船舶等行业有着广泛的用途。,.,1.2超导材料,一、超导现象1911年OnnesHK在研究极低温度下金属导电性时发现，当温度降到4.20K时，汞的电阻率突然降到接近于零。这种现象称为汞的超导现象。其后又发现许多元素、合金和化合物都具有超导性。从此，超导材料的研究引起了广泛的关注，现已发现上千种超导材料。二、超导体的几个特征值超导体的几个特征值为临界温度Tc，临界磁场强度Hc，临界电流密度Jc。,.,（一）临界温度Tc由图13可见，T有特征值Tc。当TTc时，导体的0，即失去超导性。图中汞的Tc=4.20K。,图13与温度关系示意图,.,某些金属、金属化合物及合金，当温度低到一定程度时，电阻突然消失，把这种处于零电阻的状态叫做超导态。有超导态存在的导体叫超导体。超导体从正常态过渡到超导态的转变叫做正常超导转变，转变时的温度Tc称为这种超导体的临界温度。显然Tc高，有利于超导体的应用。（二）临界磁场强度Hc除温度外，足够强的磁场也能破坏超导态。使超导态转变成正常态的最小磁场Hc(T)叫做此温度下该超导体的临界磁场。绝对零度下的临界磁场记作Hc(0)。经验证明Hc(T)与T具有如下关系：,.,超导体的HT关系如图14所示。如果施加磁场给正处于超导态的超导体后，可使其电阻恢复正常，即磁场可以破坏超导态。也就是说，磁场的存在可以使临界温度降低，磁场越大，临界温度也越低。对于所有的金属，HcT曲线几乎有相同的形状。,图14H与温度关系示意图,.,（三）临界电流密度Jc实验证明当超导电流超过某临界值Jc时，也可使金属从超导态恢复到正常态。Jc称为临界电流密度，临界电流密度Jc本质上是超导体在产生超导态时临界磁场的电流。若TTc并有外加磁场HHc时，Jc=f(T,H)即临界电流密度是温度和磁场的函数，如图15所示。Jc实质是无阻负载的最大电流密度。,图15J与温度关系示意图,.,（四）Meissner（迈斯纳）效应迈斯纳和奥克森菲尔德由实验发现，从正常态（图16a）到超导态（图16b）后，原来穿过样品的磁通量完全被排除到样品外，同时样品外的磁通密度增加。不论是在没有外加磁场或有外加磁场下使样品变为超导态，只要T0.1eV），称为深能级，此种杂质称为深能级杂质。深能级产生的载流子很少，而散射却增加，因此对影响不大甚至还有所降低。,.,七、化合物半导体化合物半导体的种类繁多，性质各异，前景广阔。（一）化合物半导体的分类（1）按成分可分为合金、化合物、陶瓷、高分子半导体。（2）按掺杂原子的价电子数分为n型和p型半导体。（3）按组分可分为二元和多元化合物半导体。二元化合物半导体有-族半导体，其化学式为AB的金属间化合物，如GaAs、GaN等。（二）化合物半导体材料的一些性质化合物半导体最突出的特点是禁带和迁移率范围宽，禁带在0.130.30eV；迁移率在-7.625+0.010范围。最有用的是以GaAs为代表的-族化合物。,.,八、非晶态半导体（一）什么是非晶态半导体非晶态物质和晶态物质差别在于长程无序。（二）非晶态半导体的特点对杂质的掺入不敏感，具有本征半导体的性质；非结晶性的，因此无方向性。（三）非晶态半导体的种类非晶态半导体按结构可分为共价键型和离子键型。（四）非晶态半导体的应用九、高温半导体目前，一般半导体的工作温度200，而航空航天工业要求500600，半导体高温工作时易被热击穿和烧坏。因此，要研制Eg大和耐高温的半导体。目前研究的有碳化硅和人造金刚石膜。,.,十、半导体材料的应用及新进展半导体材料应用非常广泛，主要用途为：半导体材料在集成电路上的应用；半导体材料在光电子器件、微波器件和电声耦合器上的应用。半导体材料在传感器上的应用。半导体材料的发展十分迅速，半导体的研究对象将从晶态逐步转向非晶态，从体相转向表面，从天然存在的材料转向人工设计的材料。近年对半导体物理的新发展主要有三个方面：研究种类繁多的半导体新材料；表面研究的蓬勃发展；半导体结构和表面结构的计算。,.,1.4高分子导电材料,高分子导电材料包括结构型高分子导电材料和复合型高分子导电材料两大类。一、结构型高分子导电材料结构型高分子导电材料通常简称导电高分子。它们是高分子本身结构或掺杂后，就可以导电的。迄今，导电高分子已有研究的有：共轭高聚物、高分子传荷（CT）复合物、共盐聚合物、金属高聚物和非碳高聚物等。（一）共轭高聚物1、共轭高聚物的导电机理纯的共轭髙聚物电导率大都处于绝缘体水平，只有掺杂的共轭髙聚物的电导率才能达到半导体，甚至导体的水平。,.,掺杂共轭聚合物的导电载流子不是电子和空穴。随后提出了孤子理论、极化子和双极化子理论。（1）孤子理论。在原来的价带和导带之间形成孤子能级，导电载流子为荷电孤子。（2）极化子和双极化子理论。形成极化子或双极化子，导电载流子为极化子或双极化子。2、共轭髙聚物的种类主要有聚乙炔、聚苯乙炔、聚对苯、聚苯胺、聚吡咯聚噻吩、聚丙烯腈和聚对亚苯乙烯等。（二）高分子传荷（CT）复合物传荷复合物由电子给体D和电子受体A构成DADADADA型复合物，起初D和A都是低分子有机物，以后发现了高分子传荷复合物。,.,1、传荷复合物的导电机理传荷复合物中，电子由给体D转移到受体A，由于电荷转移的相互作用产生的库仑力和范德华力而形成稳定的复合物。根据电荷转移量的大小，不同D与A组合可以得到从非离子型复合物到离子型化合物。主要取决于给体的电离能及受体的电子亲和能之差。电荷转移比较小的非离子型CT复合物导电性大多属于半导体或绝缘体范围。完全电荷转移的离子型CT复合物在基态时两个组分均为离子自由基，导电性一般较好。2、高分子传荷复合物的种类主要由电子给体型聚合物如聚苯乙烯、聚萘乙烯、聚蒽乙烯、聚芘乙烯及其衍生物等和小分子电子受体如含氰和硝基的有机化合物及髙氯酸盐组成。,.,（三）离子自由基盐聚合物（共盐聚合物）1、导电机理离子自由基盐聚合物是电荷转移型聚合物中具有较好电导率的一类，因而其导电机理与电荷转移型聚合物类似。2、离子自由基盐聚合物的种类正离子、负离子自由基盐型聚合物。（四）金属髙聚物将金属原子引进到高分子链上，成为带金属原子的髙聚物分子链，称这种髙聚物为金属髙聚物。1、金属髙聚物的种类金属共轭髙聚物：金属引入共轭髙聚物上；金属非共轭髙聚物：金属引入非共轭的髙聚物上。,.,2、金属髙聚物的导电机理金属共轭髙聚物是由于金属原子增加了导电通道。金属非共轭髙聚物是由于电子在不同金属价态之间的跃迁以传导电子而导电。（五）非碳髙聚物（六）结构型导电高分子的发展趋势1、可溶性导电高分子2、自掺杂或不掺杂导电高分子3、共混型导电高分子4、超髙导电高分子5、分子导电型导电高分子6、兼光或磁的多功能导电高分子7、导电生物高分子,.,二、复合型高分子导电材料复合型高分子导电材料又叫导电高分子复合材料，是由高分子材料和各种导电物质以均匀分散复合、层叠复合或形成表面（界面）膜等方式制得的。按高分子基体，导电高分子复合材料可分为导电橡胶、导电塑料、导电弹性体、导电涂料等。按导电填料，导电高分子复合材料可分为金属类填料和非金属类填料高分子复合材料。按导电性能，导电高分子复合材料可分为半导电性、防静电、导电和髙导电复合材料。复合型高分子导电材料的导电机理：导电通道学说；隧道效应学说；场发射学说。三、高分子导电材料的应用,.,1.5离子导电材料,一般具有离子结构的材料都有离子电导现象存在，但大部分材料的离子电导率都很低，达不到导电的要求。离子电导材料一般指的是电导率10-4S/m，且其电子电导对总电导率的贡献可忽略不计的材料，又称快离子导体。,一、离子导电材料的导电机理离子导电主要发生在离子固体中，离子在固体中通过晶格的缺陷（肖脱基空位、弗兰克尔空位、间隙原子）进入穴位而发生导电，如图112所示。,图112离子晶体中的缺陷,.,离子晶体中的热缺陷主要有四种：正填隙离子、正空格点、负填隙离子和负空格点，以一价的离子晶体为例，正填隙离子带电荷+e，正空格点带电荷-e，负填隙离子带电荷-e，负空格点带电荷+e。设电场的方向为正。这个电场的方向是从左指向右，相反的方向为负。则电场对各种缺陷的作用力的方向，各种缺陷的运动方向，以及它们产生的电流方向列于下表。,.,由表可见，离子晶体中四种缺陷所产生的电流方向都是正的，即电场的方向。在无电场的情况下，离子在晶体中以扩散方式取代晶格空位进行运动，这种运动是无序的，因而不给出净的电荷流动。而各种缺陷的扩散也是无序的，因而不产生电流。在外电场作用下，离子取代空位沿电场方向运动的概率大大增加，如表所示，因而产生沿电场方向的离子电流。据此机理可导出其电导率的公式：,式中n单位体积离子的数目；z离子的价数；e电子电荷；k玻耳兹曼常数；T绝对温度；D扩散系数。,.,二、离子导电材料的特征值1、电导率要求10-4S/cm，且e/0（为电子电导率）。2、活化能用的离子电导率公式为Arrhenius式：,式中0指前因子；Ea活化能；T绝对温度；k气体常数。由该公式可知，Ea越小，越大，离子导电材料的Ea一般小于0.5eV。,.,三、离子导电材料的种类一般按离子的种类分，主要有以下几种。（一）银铜离子导体1、银离子导体：AgI、Ag2S、Ag2Se、Ag2Te等。2、铜离子导体：RbCu4Cl13I2和Rb4Cu16Cl13I7。（二）钠离子导体：-Al2O3。（三）锂离子导体：-硅酸铝锂、钨酸铌锂等。（四）氢离子导体：无机和有机氢离子导体。（五）氧离子导体：有萤石型和钙钛矿型。（六）氟离子导体：萤石结构和氟铈矿结构型。（七）高分子离子导体：主链型聚醚；聚酯型；聚亚胺型；聚醚网络型；侧链型聚醚。,.,四、离子导体的应用和发展趋势离子导体主要应用于以下几方面：1、固态离子选择电极2、固体电化学器件3、全固体电池和电色显示器的电解质快离子导体的发展趋势是：（1）研究更高离子电导率的快离子导体，目标是使室温电导率达到102103S/cm。（2）研究新型高分子离子导体，使其导电机制类似于无机离子导体。（3）研究高分子单离子导体。,.,本章小结,1、导体的能带结构和导电机理？导体的能带结构有三类：未满带+重带+空带；满带+空带；未满带+禁带+空带。导体导电机理的经典理论是自由电子理论，认为电子在金属导体中运动时不受任何外力作用，也无互相作用。实际上，不论是金属，还是非金属导体中电子的运动是在以导体空间点阵为周期的势场中运动，电子的势能是个周期函数，而不是常数，因此，它不是自由电子。但导体的周期势场和变化都比电子平均动能小得多，按量子力学，可当微扰来处理，导体中的电子可看作准自由电子，其运动规律可视为和自由电子相似。,.,2、超导体的特征值、Meissner效应、超导机理？某些金属、金属化合物及合金，当温度低到一定程度时，电阻突然消失，把这种处于零电阻的状态叫做超导态。有超导态存在的导体叫超导体。根据电阻率、外加磁场强度H、导体的电流密度J、磁感应强度B与温度T的关系，超导体的特征值为临界温度Tc、临界磁场强度Hc、临界电流密度Jc、完全抗磁性。不论是否有外加磁场使样品从正常态变为超导态，只要TTc，原来穿过样品的磁通量完全被排除到样品外，同时样品外的磁通密度增加，超导体内部总有B=0。当施加一外磁场时，在样品内不出现净磁通量密度的特性称为完全抗磁性。这种完全的抗磁性即Meissner效应。,.,超导机理有二流体模型和BCS理论。二流体模型认为当导体内部存在超导电子导电和正常导电。当温度低于Tc，导体处于超导态时，电阻突然消失是由于出现超导电子，它的运动是不受阻的，导体中如果有电流则完全是超导电子造成的。出现超导电子后，导体内就不能存在电场，正常电子不载电荷电流，所以没有电阻效应。BCS理论认为，TTc，对于超导态、低能量的电子仍与正常态中的一样。但在费米面附近的电子，则在吸引力的作用下，按相反的动量和自旋全部两两结合成库柏对，这些库柏对可以理解为凝聚的超导电子。温度愈高，结成对的电子数量愈少，结合程度愈差。达到临界温度时，库柏对全部拆散成正常电子，此时超导态即转变为正常态。,.,3、半导体、本征半导体和杂质半导体的能带结构和导电机理？（本征）半导体的能带结构是满（价）带+禁带+空（导）带，0Eg2eV。半导体价带中的电子受激发后从满带跃到空带中，跃迁电子可在空带中自由运动，传导电子的负电荷。满带中留下的空穴按电子运动相反的方向运动传导正电荷。半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。半导体中满带上的电子借助于热、电、磁等方式激发到导带叫本征激发。满足本征激发的半导体叫本征半导体。本征半导体的导电载流子是由本征激发所形成的空带中的电子和满带中的空穴。通过载流子的运动来实现导电。,.,n型杂质半导体的能带结构是满带+禁带+施主能级+空带，逾量电子处于施主能级，Ed远小于Eg。杂质电子比本征激发更容易激发到空带，跃迁电子可在空带中自由运动，传导电子的负电荷。n型半导体的导电主要来源于从施主能级激发到空带上的杂质电子的运动，电子是n型半导体中导电的主要载流子。p型杂质半导体的能带结构是满带+禁带+受主能级+空带，逾量空穴处于受主能级，Ea远小于Eg。满带上的电子很容易激发到受主能级上，满带上留下的空穴按电子运动相反的方向运动传导正电荷。p型半导体的导电主要来源于激发到受主能级上的电子在满带上所留下的空穴的运动，空穴是p型半导体中导电的主要载流子。,.,4、离子导电材料的导电机理和特征值？离子导电主要发生在离子固体中，离子在固体中通过晶格的缺陷进入穴位而发生导电。离子晶体中的热缺陷主要有四种：带电荷+e的正填隙离子、带电荷-e的正空格点、带电荷-e的负填隙离子和带电荷+e负空格点。在无电场的情况下，离子在晶体中以扩散方式取代晶格空位进行无序运动，因而不给出净的电荷流动，即不产生电流。在电场作用下，离子取代空位沿电场方向运动的概率大大增加，离子晶体中四种缺陷所产生的电流方向都是正的，即产生沿电场方向的离子电流。离子导电材料的特征值：电导率10-4S/cm，且e/0（为电子电导率）；活化能Ea越小，越大，离子导电材料的Ea一般小于0.5eV。,.,作业1,1、功能材料及其主要特征？2、功能材料的化学成分分类和物理性质分类？3、电子导电材料中的超导体、导体、半导体和绝缘体的区别？4、超导材料及其特征值？5、离子导电材料及其特征值？,.,作业1,答：导体、超导体、半导体和绝缘体的区别在于电导率、能带结构和导电机理三方面。（1）电导率：导体的电导率105S/m；超导体的电导率为无限大；半导体的电导率为10-7104S/m；绝缘体的电导率10-7S/m。（2）能带结构：导体和超导体的能带结构有三类：未满带+重带+空带；满带+空带；未满带+禁带+空带。半导体和绝缘体的能带结构是满（价）带+禁带+空（导）带，半导体的禁带宽度为0Eg2eV，而绝缘体的禁带宽度大于2eV。（3）导电机理：导体是通过自由电子的运动而导电的，导体中均存在电子运动的通道即导带，电子进入导带运动均不需能带间跃迁。超导体的导电是因为超导电子的存在，它的运动是不受阻的。半导体价带中的电子受激发后从满带跃到空带中，跃迁电子可在空带中自由运动，传导电子的负电荷，满带中留下的空穴按电子运动相反的方向运动传导正电荷；半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。绝缘体不导电。,.,第二章介电材料,2.1介电材料2.2铁电材料,.,教学目标及基本要求,掌握介电材料的特征值，铁电体及其特性。熟悉介电材料和铁电体的种类。了解反铁电体的基本概念。,.,教学重点和教学难点,（1）介电材料及其特征值（2）铁电体及其特性（3）分子极化率、电子极化率、原子（离子）极化率和取向极化率（4）损耗角正切（5）电滞回线,.,第二章介电材料,介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的材料。电极化是在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象。电介质的极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。极化：介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子。也就是说，在电场作用下，构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，组成一个偶极子，如图21所示。,.,设正电荷与负电荷的位移矢量为l，则定义此偶极子的电偶极距,图21偶极子,规定其方向为负电荷指向正电荷，即电偶极距的方向与外电场E的方向一致。,.,2.1介电材料,一、介电材料的特征值1、分子极化率在电场作用下，介电材料的分子产生电偶极矩，而,分子极化率一般由电子极化率e、原子（离子）极化率a和取向极化率0三部分构成：,.,电子极化率：在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移（如图22所示），原子中的正负电荷重心产生相对位移，这种极化称为电子位移极化。,图22电子轨道位移,根据玻尔原子模型，经典理论可以计算出电子的平均极化率e。,.,离子极化率：离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感应偶极距。也可理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。图23所示是离子位移极化的简化模型。根据经典弹性振动理论可以估计出离子位移极化率a,由于离子质量远高于电子质量，因此极化建立的时间也较电子慢，大约为10-1210-13s。,图23离子位移极化的简化模型,.,取向极化率：沿外场方向取向的偶极子数大于与外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极距，这种极化称为取向极化。取向极化率0,2、极化强度P介电材料的极化强度是单位体积内电偶极矩的矢量和：,.,3、静态介电常数静态介电常数和极化强度p的关系为,从上式中可以看出，介质的极化强度P越大，也越大。常用相对静态介电常数r=/0，称为绝对介电常数。,4、动态介电常数*电介质分子的极化需要一定的时间，完成极化的时间叫驰豫时间，其倒数称驰豫频率f，电子极化的f约1015Hz，相当于紫外频率，原子（离子）极化的f约1012Hz，处于红外区，取向极化的在1001010Hz之间，处于射频和微波区。,.,在交变电场作用下，由于电场频率不同，极化对电场变化的反应也不同。f越大，越小，极化建立需要的：电子极化离子极化取向极化。当f1001010Hz时，三种极化都可建立。当1010f1013Hz时，取向极化来不及建立，只有离子极化和电子极化能建立。当1013Tc时，铁电现象即消失。当TTc时，处于顺电相。当T=Tc时发生相变。铁电相是极化有序状态，顺电相则是极化无序状态。其间Tc称为居里点。（4）介电常数与非铁电体不同。由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数，而是依赖于外加电场。,T,P,Tc,A,B,C,O,.,三、铁电体的种类(1)软铁电体:只能沿一个晶轴方向极化,从顺电相到铁电相的过渡是从无序-有序的相变,是无序-有序型铁电体.如KH2PO4.(2)硬铁电体:可以沿几个晶轴极化,位移型铁电体.从顺电相到铁电相的过渡是两个子晶格之间发生位移.如BaTiO3.,.,第三章压电材料,3.1压电效应的机理3.2压电材料的特征值3.3压电材料的种类和应用,.,教学目标及基本要求,掌握压电效应的机理、压电材料的特征值。熟悉压电材料的种类和应用。,.,教学重点和教学难点,（1）压电效应及其机理（2）压电材料及其特征值（3）机电耦合系数（4）介质损耗,.,第三章压电材料,没有对称中心的材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引起电极化和电场，其值与应力的大小成比例。其符号取决于应力的方向。这种现象称为正压电效应。也就是受力应变产生电场。逆压电效应则与正压电效应相反，当材料在电场的作用下发生电极化时，会产生应变，其应变值与所加电场的强度成正比。其符号取决于电场的方向。此现象称为逆压电效应。也就是电场作用产生应变。具有压电效应的材料叫做压电材料。由此可见，通过压电材料可将机械能和电能相互转换。利用逆压电效应，还发展了一系列电致伸缩材料。,.,3.1压电效应的机理,压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移，当不存在应变时电荷在晶格位置上的分布是对称的，所以其内部电场为零。但是当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不再保持对称就会出现净极化，并将伴随产生一电场，这个电场就表现为压电效应。例如石英产生压电效应即是如此，如图31所示。,图31石英压电效应产生的根源（晶体无对称心）,.,由图31(b)可见，由于石英晶体不存在对称中心，当给晶体施加压力时，晶体内部将产生极化。由原来P=0的状态，变成有极化强度P的状态，表现为产生一电场。如果晶体存在对称中心的话，即使晶体发生形变后仍保持极化强度为零，就不会产生压电效应（图31(a)）。因此，只有那些原胞无对称中心的物质才有可能产生压电效应。晶体共有32个点群，也就是按对称性分为32类。其中20类是非对称中心的，它们可能具有压电效应。但是，无对称中心只是产生压电效应的必要条件，而不是充分条件。因此，只有ADP、KDP和-石英、罗息盐等少数几种晶体才具有压电效应。所有铁电晶体同时具有压电性，但压电晶体不一定具有铁电性。,.,图32压电效应机理示意图,晶体的压电效应的本质是因为机械作用（应力与应变）引起了晶体介质的极化，从而导致两端表面内出现符号相反的束缚电荷。其机理可用图32加以解释。图中（a）表示压电晶体中质点在某方向上的投影。此时晶体不受外力作用，正电荷重心与负电荷重心重合，整个晶体总电矩为0，因而晶体表面不荷电。但是当沿某一方向对晶体施加机械力时，晶体由于形变导致正、负电荷重心不重合，即电矩发生变化，从而引起晶体表面荷电；（b）为晶体在压缩时荷电的情况；（c）是拉伸时的荷电情况。,.,石英压电效应的机理,1,3,5,2,4,6,1,3,5,2,4,6,晶片沿y方向压缩,1,4离子向中心；6,5,2,3离子向外移动,表面A出现负电荷；表面B呈正电荷,纵向压电效应,-石英单晶正压电效应,.,晶片沿x方向压缩,6,5,2,3离子向内移动同样数值；1,4离子向外移动,C和D面不出现电荷；表面A和B呈现电荷,横向压电效应,-石英单晶正压电效应,2,4,6,1,3,5,2,4,6,石英压电效应的机理,.,晶片沿z方向压缩,1,3,5,2,4,6,无压电效应,正压电效应本质：外力改变了晶体中的离子原来的相对位置、在特定的方向上产生束缚电荷、出现净电偶极矩.压电晶体：结构上必须是无对称中心,中心对称的晶体受力时不会改变其中心对称性、无压电效应；组成上必须是离子、或离子性原子、或含离子基团的分子.铁电体必具有强压电性，但压电体不一定是铁电体.,石英压电效应的机理,.,一、弹性模量二、压电常数三、机电耦合系数四、介电常数五、介电损耗：导电和极化驰豫过程,D：电位移IR：异相电荷分量IC：同相电荷分量W：交变电场角频率C：介质电容R：损耗电阻,3.2压电材料的特征值,.,一、弹性模量压电晶体是弹性体，服从于虎克定律：在弹性限度内，应力与应变成正比。对于三斜晶系（21个独立元）、正交晶系（9个独立元）、立方晶系（3个独立元）等不同晶系有不同的弹性模量。压电晶体具有压电效应，因此，在不同电学条件下有不同的弹性模量。在外电路的电阻很小时，即相当于短路条件下测得的，称为短路弹性模量。在外电路的电阻很大时，即相当于开路条件下测得的，称为开路弹性模量。,.,二、压电常数压电常数：极化强度和应变之间的关系常数。当压电材料产生正压电效应时，施加应力将产生额外电荷，发生极化，其极化强度P和应变之间的关系可用压电（应力）常数与沿x、y、z轴的应变和切应变的方程来表示，其中18个系数eik被称为压电（应力）常数。其极化强度和应力的关系可用压电（应变）常数与沿x、y、z轴的应力和切应力的方程来表示表示，其中18个系数dik被称为压电（应变）系数。压电常数eik和压电系数dik都是压电效应的重要特征值。,.,逆压电效应与电致伸缩效应不同。电致伸缩效应是指在外电场作用下，任何电介质都会发生尺寸变化，即产生应变，是液、固、气电介质一般都具有的性质。而逆压电效应只存在于不具有对称中心的点群的晶体中。此外，电致伸缩效应的形变与电场方向无关，与电场强度的平方成正比，而逆压电效应的形变是随电场反向而反号，与电场强度的一次方成正比。对于国际单位制有,0为真空介电常数；D为压电体中的电位移。它和极化强度P，电场强度E，应力T，应变均为矢量。当外电场为零时，D=P，则上述各压电常数表达式中的P均可换为D。,.,三、机电耦合系数机电耦合系数是一个综合反映压电晶体的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是衡量压电材料性能的一个很重要参数。通过测量机电耦合常数可以确定弹性、介电、压电等参量，即使介电常数和弹性常数有很大差异的压电材料，它们的机电耦合常数也可直接比较。机电耦合系数定义为：k=机械能转变的电能/输入的机械能（正压电效应）k=电能转变的机械能/输入的电能（逆压电效应）