功能材料第一讲

关于功能材料第一讲第1页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三研究意义功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。第2页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三功能材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占85

%

。随着信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。

第3页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三鉴于功能材料的重要地位，世界各国均十分重视功能材料技术的研究。2001年日本文部省科学技术政策研究所发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上的课题为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。欧盟的第六框架计划和韩国的国家计划等在他们的最新科技发展计划中,都把功能材料技术列为关键技术之一加以重点支持。第4页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。第5页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三国内功能材料发展的现状和差距我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在“九五”“十五”国防计划中还将特种功能材料列为“国防尖端”材料。在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果。功能材料还在“两弹一星”、“四大装备四颗星”等国防工程中做出了举足轻重的贡献。第6页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三我国目前功能材料的创新性研究不够，申报的专利数，尤其是具有原创性的国际专利数与我国的地位远不相称。我国功能材料在系统集成方面也存在不足，有待改进和发展。我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。

第7页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三目的与任务本课程的授课对象是材料化学专业本科生，属材料类专业选修课。本课程主要介绍功能材料的研究现状和发展趋势，一些常见功能材料的基本知识、种类、特点和应用，有助于学生拓宽专业知识面，同时加深对专业的认识和应用。第8页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三课程的基本要求和特点通过本课程的学习，学生能了解功能材料目前的研究范围和进展趋势，掌握功能材料的含义、特点及常见功能材料的基本知识，熟悉各类功能材料的组成、性能和应用。本课程的特点：涉及知识点多和应用领域较广，包括力学、电学、光学、磁学等功能材料。课堂讲授上，讲清基本概念、基本原理及目前的研究和应用现状及发展趋势。课后认真对所学新材料进行资料查阅，以对其发展趋势、应用领域等有更广泛、深入的了解。第9页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三授课安排学时：32（1－12周）常用功能材料（电性材料、磁性材料、光学材料、功能转换材料）特种功能材料（能源材料**、智能材料、梯度功能材料、生物医学材料、功能薄膜材料）第10页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三考核方式考试总评成绩＝平时成绩（包括考勤、作业、上课听讲等，占30%）＋期终考试成绩（占70%）第11页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三教材及参考资料现代功能材料，陈玉安，王必本，廖其龙，重庆大学出版社，2008现代功能材料及其应用，郭卫生,汪济奎，化学工业出版社，2002功能材料概论，殷景华，王雅珍，哈尔滨工业大学出版社，1999新型无机材料，杨华明，宋晓岚，金胜明，化学工业出版社，2005第12页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第一章绪论1.1功能材料的概念具有优良的电、磁、光、热、声学、力学、化学和生物学功能及相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。此概念1965年由美国贝尔研究所的J.A.Morton博士提出第13页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三举例：弹性材料——应用力学性能——用于非结构目的√结构陶瓷——应用力学性能——用于结构目的×普通玻璃——应用光学性能——用于结构目的×耐火砖——应用热学性能——用于结构目的×第14页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三金属材料金属结构材料超耐热合金轻质合金非晶合金金属功能材料导电材料超导合金形状记忆合金贮氢合金第15页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三在国外，常将这类材料称为:

功能材料(FunctionalMaterials)

特种材料(SpecialityMaterials)

精细材料(FineMaterials)

第16页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三功能材料是一门新的学科，目前对它进行严格的定义尚有一定的难度，就像许多化学变化中存在着物理现象、高级运动中总是伴随着低级运动一样，功能材料既遵循材料的一般特性和变化规律又具有其自身的特点。因此可认为是传统材料的更高级的运动形式。第17页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三近10年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。每年以5％以上的速度增长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。第18页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三1.2功能材料的分类按材料化学键、化学成分分类金属功能材料无机非金属功能材料有机功能材料复合功能材料第19页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三基于材料物理性质、功能分类电学功能材料磁光热声学和振动力化学及分离功能材料放射性相关生物技术和生物医学第20页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三基于材料应用技术领域信息材料电子材料电工材料电讯材料计算机材料传感材料仪器仪表材料能源材料航空航天材料生物医用材料第21页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三种类 功能特性 应用示例 导电高分子材料 导电性电极电池、防静电材料、屏蔽材料 超导材料 导电性 核磁共振成像技术、反应堆超导发电机 高分子半导体 导电性 电子技术与电子器件 光电导高分子 光电效应电子照相、光电池、传感器 压电高分子 力电效应开关材料、仪器仪表测量材料，触感材料 热电高分子 热点效应 显示、测量 声电高分子 声电效应 音响设备、仪器 磁性高分子 导磁作用 塑料磁石、磁性橡胶、磁性元器件、中子吸收、微型电机、进步电机、传感器 主要功能材料的特性及应用示例第22页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三磁性记录材料 磁性转换 磁带、磁盘 电致变色材料 光电效应 显示、记录 光功能材料光纤材料光的曲线传播、通讯、显示、医疗器械 液晶材料 偏光效应显示、连接器 光盘的基板材料 光学原理 高密度记录和信息贮存 感光树脂光刻胶光化学反应 大规模集成电路的精细加工、印刷 荧光材料 光化学作用 情报处理，荧光染料 光降解材料 光化学作用 减少化学污染 光能转换材料 光电、光化学 太阳能电池 分离膜与交换膜 传质作用 化工、制药、环保、冶金 第23页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三高分子催化剂与高分子固定酶 催化作用 化工、食品加工、制药、高分子试剂絮凝剂吸附作用 稀有金属提取、水处理 贮氢材料吸附作用化工、能源 高吸水树脂吸附作用 化工、农业、纸制品 人工器官材料替代修补 人体脏器 药物高分子 药理作用 药物 降解性缝合材料化学降解 非永久性外科材料 医用粘合剂 物理与化学作用外科和修补材料 第24页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三1.3功能材料的展望开发尖端领域（航空航天、分子电子学、高速信息、新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下（超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧和核爆炸等）下工作的高性能功能材料。功能由单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级向高级功能如人工智能、生命功能等发展。功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密度化、超分子化。功能材料与结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化。第25页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺。新概念：梯度化、低维化、智能化、非平衡、分子组装、杂化、超分子化和生物分子化等；新设计：化学模板式识别设计、分子设计、非平衡设计。量子化学和统计力学计算法等；新工艺：激光加工、离子注入、等离子技术、分子束外延、电子和离子束沉积、固相外延、精细刻蚀、生物技术及在特定条件下的工艺技术。第26页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三完善和发展功能材料的检测和评价的方法。加强功能材料的应用研究，扩展其应用领域，特别是尖端领域和民用高技术领域，并将成熟的研究成果迅速推广，以形成生产力。第27页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三Chp2材料的电子结构与物理性能第28页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三2.1原子的电子排列1.1.1原子的微观结构（1）主量子数n(n=1,2,3,4,…)习惯上用K,L,M,N,…表示（2）次量子数l(l=0,1,2,3,…)习惯上用s、p、d、f表示（3）磁量子数m(m=0,±1,±2,±3,…)（4）自旋量子数ms(ms=+1/2,-1/2)第29页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三2.2原子核外电子的排布泡利不相容原理最低能量原理最多轨道规则（洪特规则）第30页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三1.3固体的能带理论与导电性能带的形成金属的能带结构与导电性费米能级半导体和绝缘体的结构与导电性第31页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三Chp2-1电性材料－

半导体材料

semiconductormaterials第32页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三金属、绝缘体、半导体的能带特征EgEg金属绝缘体半导体价带导带第33页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。Si、Ge形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4一、本征半导体－不含杂质的半导体第34页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴

这一现象称为本征激发，也称热激发。第35页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三价带EF(T=0K)导带Eg跃迁空穴传导电子导带电子和价带空穴浓度相等，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。满足这一关系的能量激发称为本征激发，相应产生的电导成为本征电导，本征半导体(intrinsicsemiconductor)。第36页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。第37页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。总电导率第38页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三本征半导体的电导率与温度的关系本征半导体的电导率基本上随温度的升高呈指数增长。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。利用此关系式，可求其禁带宽度Eg第39页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三本征半导体的载流子浓度第40页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三二、

杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。第41页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三（一）、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素P（或As、Sb），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。第42页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。第43页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三(二)、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如B（或Al、Ga、In），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。第44页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三(三)、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。第45页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:

T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子浓度:

4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3

。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3

杂质对半导体导电性的影响第46页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三(四)、

PN结a、PN

结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。第47页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。第48页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。少子漂移第49页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三PN结形成的动画第50页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0第51页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P

区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:第52页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三b、PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。

PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：

P区加负、N区加正电压。第53页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三－－－－++++RE1、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。第54页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三2、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE第55页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。第56页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三知识回顾能带理论的发展过程价带、导带、禁带本征半导体、杂质半导体本征激发、施主原子、受主原子、多子、少子PN结的形成过程PN结的单向导电性第57页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三半导体二极管二极管=PN结+管壳+引线NP1.结构符号阳极+阴极-1.2.1基本结构、种类与符号第58页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第59页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三二极管的分类：按材料分：锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管；按制作工艺：面接触二极管和点接触二极管；按用途分：整流二极管、检波兰极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关二极管等。第60页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三点接触型二极管由于接触面点小，不能通过大电流，故只适合用于小电流整流，又因为接触点小，所以极间电容量也很小，故适用于高频电路检波。面接触型二极管与点接触型二极管相反，由于接触面大，可以通过较大的电流，但极间电容量大，因此不能用于高频电路，而主要用做整流。

第61页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第62页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三常用二极管介绍

(1)整流二极管：整流二极管主要用于整流电路，把交流电变换成脉动的直流电，由于通过的正向电流较大，对结电容无特殊要求，所以其PN结多为面接触型，因结电容大，故工作频率低。通常，正向电流在1安以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；正向电流在1安以下的采用全塑料封装。第63页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三塑料封装全密封金属结构第64页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第65页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三

(3)检波二极管：检波二极管的主要作用是把高频信号中的低频信号检出。要求结电容小，所以其结构为点接触型，一般采用锗材料制成。第66页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第67页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三

(4)稳压二极管：稳压二极管是由硅材料制成的面结合型晶体二极管，它是利用PN结反向击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化的特点，来达到稳压的目的，因为它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极管（简称稳压管）。第68页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第69页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三

(5)发光二极管：发光二极管是一种将电能变成光能的半导体器件。它具有一个PN结，与普通二极管一样，具有单向导电特性。当给发光二极管加上正向电压，有一定的电流流过时就会发光。发光二极管是由磷砷化镓、镓铝砷等半导体材料制成。发光的颜色分为：红光、黄光、绿光、三色变色发光。另外还有眼睛看不见的红外光二极管。GaN蓝光二极管第70页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第71页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三

(6).光敏二极管(又称为光电二极管)

根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生