材料化学导论第8章-功能转换材料

第八章功能转换材料

利用能量转换效应制造具有特殊功能元器件的材料叫功能转换材料。该类材料能实现不同形式的能量转换，在测量技术、传感器技术中有广泛应用。

8-1压电材料+++---

一、压电效应

某些电介质晶体在机械外力作用下发生形变时，电极化强度发生变化，因而在某些对应表面产生异号电荷。

这种没有电场作用而只由于形变使晶体电极化状态发生变化的现象叫做压电效应，即因形变产生的电效应。

也称为正压电效应。

反之，在压电晶体上加电场，晶体会产生应力而使晶体形变。该效应称为逆压电效应，也叫电致伸缩效应。（加交变电场，产生机械振动）

压电效应使机械能和电能发生转化。二、压电机制1、非铁电晶体（如石英）

不受外力作用时，晶体内正负电荷中心重合，总电距为0，晶体表面无电荷。当受到外力作用时，晶格变形，正负电荷中心不重合，出现电极化，表面呈现束缚电荷。2、铁电晶体

当加电场后再撤去，铁电体有剩余极化强度，处于极化状态，在表面上有异号极化电荷。极化电荷吸附空气中的自由电荷而中和（空气中总存在微量正负离子和电子），铁电体不呈电性。当铁电体作机械变形时，极化强度（包括极化电荷）随之变化。导致表面吸附的自由电荷随之而变。变化着的自由电荷便从一个极移至另一极形成电流。从而实现机械能向电能转变即压电效应。

铁电晶体一定有压电效应，但有压电效应的晶体不一定是铁电体。

铁电体中有许多自发极化小区域，称为电畴。电畴取向混乱，总电矩为0。经电场处理后的铁电体可以成为压电材料。电极电极电极电极电源

反之，接入电源，电极上呈现电压，压电体就会变形（压缩或伸长）。加交变电源，压电体交替出现伸缩即发生振动。三、压电材料工作参数1、机械品质因数

当输入电信号时，压电晶片产生振动，会产生内耗（发热），造成机械能损耗。反映损耗程度的参数称为机械品质因数。2、机电耦合系数四、压电材料种类1、非铁电压电晶体

石英（SiO2）、酒石酸钾钠（NaKC4H64H2O)、锗酸铋（Bi12Ge20）等

压电半导体CdS、ZnO、ZnS等2、铁电晶体（压电陶瓷）

钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅Pb（ZrxTi1-x）O3即PZT、钛酸铅PbTiO3等。3、压电聚合物

几乎所有聚合物都有压电性，但有实用价值的不多。1940年，俄罗斯人发现木材压电性后，相继发现苎麻、丝竹、动物某些生物组织有压电性。1960年，人工合成了聚合物有压电性。1969年，日本河合平司发现聚偏四氟乙烯（极化处理后）有强压电性，使压电聚合物逐步进入实用化。与压电陶瓷相比：柔性、耐冲击、能制成大面积薄膜传感材料。两类：（1）固有压电性聚合物

一些结晶聚合物化学结构不对称，有极性基团。未拉伸时，微晶取向随机，总极化强度为0。拉伸时，晶粒有压电响应，不经极化也有压电性。称为固有压电聚合物。（2）驻极体聚合物

如木材、丝竹、动物骨骼、肌肉、皮、头发等，在自然生长条件下，微晶粒已择优取向。

某些合成聚合物拉伸后，也显示压电性。

聚乙烯、聚丙烯等，分子中无极性基团，在电场中无偶极取向极化。这类材料本身无压电性。但由于材料在加工过程中存在不对称杂质电荷或由外界注入的电荷在电场中不对称分布而引起压电性。但压电常数低，重复性差，难于实用。

聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、尼龙等是极性高分子。若在高温下用高直流电压使之极化，并在冷却后撤出电压，使极化状态冻结下来，就成为半永久性极化且有半永久性表面电荷的介质材料。称为驻极体聚合物。

PVDF驻极体有很强的压电效应，已实用化。

聚合物除PVDF等少数品种外，一般压电常数小，应用受限。而压电陶瓷质脆，不易加工。因此开发具有优良加工性能和高压电性的聚合物-陶瓷复合压电材料应用前景广泛。

五、压电材料的应用1、水声、超声换能器

发射、接收声波，完成水下观察、通讯、探测。2、高电压发生装置（机械能电能）

压电点火器（打火机、煤气灶、汽车火花塞，高压使空气发生火花）

引燃引爆、压电开关、小型电源、压电变压器等3、电声设备扬声器、话筒等4、滤波器

各种无线电通讯和测量仪器（电能机械能电能）。压电振子对某些频率信号衰减大，而对另一些衰减小，从而滤波。5、压电传感器

非电信号电信号。力敏传感器、应变仪、血压计、压力计等。8-2热释电材料一、热释电效应

一些材料由于温度变化而引起电极化状态改变，在某些相对应表面产生异号电荷。该现象叫热释电效应。

其逆效应为电生热效应——外加电场变化，引起材料温度变化。

最早在电气石晶体中发现热释电效应

重要应用：热敏传感器（用作温度计、红外探测器等）二、热释电机制与压电机制比较电介质压电体热释电铁电体电介质压电体热释电铁电体1、热释电晶体前提是具有自发极化，但压电晶体不一定都有自发极化。

所以，必须有自发极化即晶体某些方向存在固有电矩。故有对称中心的晶体无热释电效应。

温度变化引起自发极化强度变化，而在晶体一定方向上产生表面电荷。

压电效应反映晶体电量与机械应力间的关系，机械应力有方向，引起正负电荷相对位移。热释电效应中晶体电荷变化来自于温度变化。热膨胀各向同性。只有晶体存在着与其他极轴不同的唯一极化轴，才有可能发生热释电。2、热释电晶体一定存在压电效应，但压电晶体不一定存在热释电效应。三、热释电材料

1、有自发极化的非铁电性晶体

如CaS、CuSe、ZnO、电气石等

2、有自发极化的铁电性晶体LiNbO3（铌酸锂）、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3、PLZT透明铁电陶瓷。3、聚合物材料PVDF4、铁电陶瓷-聚合物复合材料

如Pb（Zr，Ti）O3-硅橡胶复合物电介质压电体热释电铁电体应用：

红外光谱仪、红外遥感、热辐射探测器（防火用）8-3光电材料一、光电效应

物质受光照后引起某些电学性质变化的现象叫光电效应，包括光电导、光生伏特、光电子发射三种。1、光电导——物质（主要是半导体）受光照而电导率增加的现象。原因：半导体吸收光子引起载流子激发（载流子浓度变化）（1）本征光电导价电子从价带导带，出现一个自由电子和空穴，都参与导电。（2）杂质光电导

附加载流子来自禁带中的杂质能级上的电子或空穴，从而改变导电率。2、光生伏特

光照射下，半导体p-n结产生电势差的现象。机理：npnp

载流子扩散，形成p-n结空间电荷区。自建电场从np,阻止扩散，最后平衡。自建电场作用：（1）阻止：n区电子向p区扩散；（2）驱使：p区空穴向n区扩散n区空穴向p区扩散p区电子向n区扩散；势垒np

当光照在p-n结附近，，p-n结附近形成电子空穴对。光生电子和空穴扩散到势垒区，内建电场使：空穴扫向p区；电子扫向n区。npnpnpnpnpnp

则p区积累正电荷，n区积累负电荷，产生光生电动势。接通外电路，由p经外电路达到n区形成电流。3、光电子发射（外光电效应）

金属（或半导体）受光照，电子吸收光子被激发，激发了的电子有足够能量越过表面势垒（逸出功）从表面离开（初动能），称为光电子发射。二、光电子材料及其应用1、光电导材料及应用CdS,CdSe,CdTe,ZnSe,HgSe,HgTe,PbS,PbSe,InP,InAs,InSb,GaAs,GaSb,Ge,Si.

光电探测器（光敏器件），光电导摄像管，固体图像传感器。2、结型光电二极管（1）高速响应的光电探测器

对非结型光电探测器，光电子在外电路中产生光电流的响应慢。光照停止时，载流子平均寿命内仍存在光电子，故有延迟光电流产生。

对结型光电二极管，光电子主要产生于结中吸收区内。

空间电荷层产生的光生载流子在高电场（自建电场）中穿行距离不大于空间电荷层厚度。所以，对光响应快（实用中尽量使光生载流子产生于结区）。

用作高速响应光电探测器（2）光电池

也是p-n结二极管。对太阳能电池，要研究Eg小的材料，以充分利用太阳光谱。

Eg在0.9—1.5eV内最好。Si是最理想材料。

还有：硫化镉，鍗化镉，砷化镓3、光电子发射应用

光电管是利用光电子发射（外光电效应）制成。用于光控继电器（自动报警器等）、光电光度计（光电流反应入射光强度）光电倍增管（非常弱的光照，产生很大电流），在工程、天文、军事上有重要应用。电视摄像管8-4热电材料一、热电效应（温差电效应）

用不同导体构成回路，两接头保持温差，则闭合回路中有电流流过。该现象叫温差电效应或热电效应。回路中的电动势叫温差电动势。1、塞贝克效应

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，称为塞贝克效应。实质：两接头处帕尔贴效应+两金属中汤姆逊效应2、帕尔贴效应

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，该现象称为帕尔贴效应。（电流反向时，吸放热相反）。

原因：接头处有接触电势差（接触电动势）——帕尔贴电动势。

两金属A、B接触，电子相互扩散。由于电子密度不同，交换电子数不同。

接头处非静电力，一个做正功，吸热；一个做负功，放热。A到B的电子数多

接触处形成电荷层，产生电场，阻止扩散，达平衡，形成电势差即帕尔贴电动势。用表示（与温度T有关）两接触点温度不同，，方向相反。存在于两金属接触面上3、汤姆逊效应

金属棒，两端流过电流，棒吸热，电流反向时放热。称为汤姆逊效应。原因：棒ab存在电动势（汤姆逊电动势）

温度高处（a）电子动能较大，向低温处扩散，形成电动势。非静电力（扩散力）做负功，吸热；电流反向时，非静电力做正功，放热。

金属棒中，两端温度不同，电子扩散形成的电动势即汤姆逊电动势。发生在同种金属两端之间。回路总电动势：

所以，只有不同金属构成回路，总电动势才不为0.二、热电材料及其应用1、用于测温恒温装置电位差计

热电偶：通过测电动势来测温。把热学量变为电学量测量。

非电量电测法2、用做温差电源3、用于制冷

利用半导体帕尔贴效应（比金属强得多），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4、材料

热电偶：铜-康铜（60%Cu，40%Ni），200-4000C；镍铬（90%Ni，10%Cr）-镍铝（95%Ni，5%Al），0——10000C；铂-铑，达15000C；金-铁，低温、超低温测量。

制冷和低温温差电源：鍗化铋，硒化铋，鍗化锑。

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。8-5电光材料一、电光效应

电光效应——物质光学特性受电场影响而发生改变的现象。

研究证实：折射率受电场影响

右边第一项：线性电光效应（压电晶体）（波克尔效应）右边第二项：二次电光效应（各向同性物质）（克尔效应）

对上述两种效应：在与入射光垂直的方向上加电压，物质发生双折射。电极异常光正常光压电晶体入射光电极电极异常光正常光各向同性物质入射光电极波克尔效应克尔效应不同材料表现不同效应：

波克尔效应只存在于无对称中心的晶体中，所有压电晶体。克尔效应存在于各向同性物质（固体、液体、气体）中，强电场下，在压电晶体中较波克尔效应弱得多，忽略不计。还有电旋光效应：