功能材料学专业知识讲座

功能材料学第1页功能材料学讲课学期：2023~2023学年第2学期考评方式：闭卷考试学分：3学分讲课专业：2023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学时第2页教学目标及基本要求理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组分、构造、性能和发展动向；拓宽知识视野，提升知识层次，培养和提升综合素质和应用能力；为有关专业课程学习和毕业后从事功能材料生产、科研和教学工作打下较坚实基础。

第3页教学内容与学时分派绪论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4页第九章发光材料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学时第5页教学重点功能材料特性和分类；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特性值；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；磁统计材料、磁泡材料、矩磁材料；透光材料、光纤材料；第6页材料发光机理、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。激光基本原理、激光材料；非线性光学材料基本原理；电光材料、磁光材料；红外线基本规律、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；梯度功能材料概念、梯度光折射率材料、热防护梯度功能材料；纳米材料概念、纳米颗粒材料；机敏材料和智能材料概念。

第7页教学难点导电材料电导率、能带构造和导电机理；介电材料特性值、铁电体特性；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磁滞回线及特性值；第8页光纤材料传输原理；材料发光机理；激光基本原理、产生及特点；非线性光学材料基本原理；电光效应、磁光效应；红外线基本规律；微波隐身原理、红外隐身原理、激光隐身原理；梯度功能材料概念；纳米材料概念和特性；机敏材料和智能材料概念。

第9页主要参照书目马如璋等编著，《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，《当代功能材料及其应用》，化学工业出版社，2023年。贡长生等主编，《新型功能材料》，化学工业出版社，2023年。第10页绪

论

0.1引言0.2功能材料特性和分类0.3功能材料现状和发展趋势0.4功能材料学科内容和有关学科

第11页教学目标及基本要求掌握功能材料概念、特性和分类；理解功能材料现状、发展趋势以及功能材料学科内容和有关学科。

第12页教学重点和难点（1）功能材料及其主要特性（2）功能材料化学成份分类和物理性质分类第13页绪

论

功能材料是指具有优良物理、化学、生物或其互相转化功能，用于非承载目标材料。功能材料学科是一门新兴综合学科。功能材料学是功能材料学科中一门技术基础课。本教材主要论述了电、磁、光和特种物理功能材料组成、构造、性能、应用和发展动向，未包括核、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1~5章为电功能材料，6~7章为磁功能材料，8~14章为光功能材料，15~18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。第14页0.1引言

材料是当代科技和国民经济物质基础。材料与信息、能源组成当代文明三大支柱。新材料技术被视为新技术革命基础和先导。材料包括人类有用多种物质。详细地说，材料是用来制造多种产品物质，这些物质能用来生产和组成功能更多、更强大产品。材料按其性质及用途可分为构造材料和功能材料两大类。构造材料（工程材料）是指要求强度、韧性、塑性等机械性能材料，混凝土、木材等建筑材料是典型构造材料。构造材料被称为第一代材料。第15页功能材料概念是美国人MortonJA于1965年首先提出来，是指具有一种或几个特定功能材料，如磁性材料等，它具有优良物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”作用。构造材料事实上是一种具有力学功能材料，因此也是一种功能材料。但由于对应于力学功能机械运动是一种宏观物体运动，它与对应于其他功能微观物体运动有着显著区分。因此，习惯上不把构造材料包括在功能材料范围之内。由于宏观运动和微观运动之间是互相联系，在合适条件下还能够互相转化。因此，构造材料和功能材料有共同科学基础，有时也很难截然划分。另外，有时一种材料可同步具有构造材料和功能材料两种属性，如构造隐身材料。第16页对功能材料研究和应用事实上远早于1965年，但在相称长时间内发展迟缓。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：①微电子、激光等多种当代技术兴起及其对材料需求；②固体物理、固体化学、量子理论、构造化学、生物物理和生物化学等学科飞速发展；③多种制备功能材料新技术和当代分析测试技术在功能材料研究和生产中实际应用。目前构造材料和功能材料关系发生了主线变化，功能材料已和构造材料处于基本同等地位。功能材料迅速发展是材料发展第二阶段主要标志，因此把功能材料称为第二代材料。第17页0.2功能材料特性和分类

一、功能材料主要特性功能材料是指具有优良物理、化学和生物或其互相转化功能，用于非承载目标材料。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材料，如光导纤维、磁盘。与构造材料相比，功能材料有下列五大主要特性：①功能对应于材料微观构造和微观物体运动。②其聚集态和形态非常多样化。③产品形式主要是材料元件一体化。④是利用当代科学技术，多学科交叉知识密集型产物。⑤采取许多新工艺和新技术进行制备与检测。第18页二、功能材料基本分类1、按化学成份（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。第19页三、功能材料化学成份分类（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第20页（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、构造型高分子磁性材料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、其他功能复合材料第21页（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）具有特殊构造功能材料1、非晶态合金；2、纳米构造材料；3、储氢材料；4、薄膜功能材料；5、形状记忆材料；6、智能材料与构造；7、减振材料；8、生物医学材料

第22页0.3功能材料现状和展望

功能材料迅速发展，现已开发功能材料主要有：（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。功能材料发展趋势可归纳为如下方面。（1）功能化、多功能化与智能化构造材料趋向构造功能化；功能材料趋向功能多样化；一般功能材料向智能材料发展。第23页（2）材料尺寸、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，控制和变化材料组织和构造，取得所需性质和功能。（3）材料材质和复合功能材料向“四高一智一集”（即：高性能、高敏捷度、高精度、高可靠性，智能化、功能集成化）方向发展；硅材料深入发展；单一材质材料向多种材质材料方向发展；简单复合材料向复杂体系复合材料方向发展。第24页（4）材料构造、组成与功能纳米材料发展；稀土功能材料发展；超导材料发展。（5）信息、生物、环境材料将成为新世纪研究热点（6）有关材料性能表征、检测伎俩与专项研究（7）改造传统材料，着力新材料规模化、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迅猛发展。第25页0.4功能材料学科内容和有关学科功能材料学科内容包括下列三个方面：（1）功能材料学是研究功能材料成份、构造、性能、应用及其间关系，在此基础上，研究功能材料设计和发展途径。（2）功能材料工程学是研究功能材料合成、制备、提纯、改性、储存和使用技术和工艺。（3）功能材料表征和测试技术是研究一般通用理化测试技术在功能材料上应用和各类功能材料特性功能测试技术和表征。第26页本章小结1、功能材料及其主要特性？功能材料是指具有优良物理、化学、生物或其互相转化功能，用于非承载目标材料。其主要特性：①功能对应于材料微观构造和微观物体运动；②其聚集态和形态非常多样化；③产品形式主要是材料元件一体化；④是利用当代科学技术，多学科交叉知识密集型产物；⑤采取许多新工艺和新技术进行制备与检测。第27页2、功能材料化学成份分类和物理性质分类？按化学成份（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28页第一章导电材料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离子导电材料第29页教学目标及基本要求掌握导体能带构造和导电机理，超导材料特性值和超导机理，半导体能带构造和导电机理，离子导电材料导电机理和特性值。理解高分子导电材料，导体材料、超导材料、半导体材料、离子导电材料种类、应用和发展趋势。

第30页教学重点和难点（1）导体能带构造和导电机理（2）Meissner效应、超导材料特性值和超导机理（3）半导体、本征半导体和杂质半导体能带构造和导电机理（4）离子导电材料导电机理和特性值

第31页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。电子导电材料导电起源于电子运动。电子导电材料包括导体、超导体和半导体。导体电导率≥105S/m；超导体电导率为无限大；半导体电导率为10-7~104S/m；绝缘体电导率≤10-7S/m时。导体、超导体、半导体和绝缘体区分在于电导率、能带构造和导电机理三方面。电导率σ=J/E电阻率ρ=E/J传统高分子材料电导率≤10-20S/m。离子导电材料导电则主要是起源于离子运动。其电导率最高不超出102S/m，大多<100S/m。

第32页1.1导体材料

一、导体能带构造导体能带构造如图1－1所示，有三种构造：（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1－1导体能带构造

第33页满带：所有被电子占满能级。空带：未被电子占住，所有空着能级。未满带：部分被电子占住能级。重带：空带与未满带重合能级。禁带：在准连续能谱上出现能隙Eg。价带：原子基态价电子能级分裂而成能带。导带：对应于价带以上能带（即第一激发态）。

无论何种构造，导体中均存在电子运动通道即导带。即（a）类导带由未满带、重带和空带组成；（b）类导带由空带组成；（c）类导带由未满带组成。电子进入导带运动均不需能带间跃迁。第34页二、导体导电机理导体导电机理典型理论是自由电子理论，以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，即金属导体中电子势能是个常数。因此，可用典型力学来导出电导率公式。事实上，无论是金属，还是非金属导体中电子运动是在以导体空间点阵为周期势场中运动，电子势能是个周期函数，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，以为导体中电子可看作准自由电子，其运动规律可视为和自由电子相同。第35页晶体中并非所有电子，也并非所有价电子都参与导电，只有导带中电子或价带顶部空穴才能参与导电（图1－2）。根据能带理论，金属中自由电子是量子化，组成准连续能谱，金属中大量自由电子分布服从费密－狄拉克统计规律。禁带越宽，电子由价带到导带需要外界供应能量越大，才能使电子激发，实现电子由价带到导电跃迁。因而，一般导带中导电电子浓度很小。导体Eg≌0eV，半导体：0<Eg≦2eV，绝缘体Eg≧2eV。图1－2半导体能带构造第36页三、导体材料种类导体材料按化学成份主要有下列三种：（1）金属材料。这是主要导体材料，电导率在107~108S/m之间，常用有银、铜和铝。（2）合金材料。电导率在105~107S/m之间，如黄铜、镍铬合金。（3）无机非金属材料。电导率在105~108S/m之间，如石墨，C3K、C16AsF5、C24S6F5。四、导体材料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用途。第37页1.2超导材料

一、超导现象1923年OnnesHK在研究极低温度下金属导电性时发觉，当温度降到4.20K时，汞电阻率突然降到接近于零。这种现象称为汞超导现象。其后又发觉许多元素、合金和化合物都具有超导性。从此，超导材料研究引发了广泛关注，现已发觉上千种超导材料。二、超导体几个特性值超导体几个特性值为临界温度Tc，临界磁场强度Hc，临界电流密度Jc。第38页（一）临界温度Tc由图1－3可见，T有特性值Tc。当T<Tc时，导体ρ=0，具有超导性。当T>Tc时，导体ρ≠0，即失去超导性。图中汞Tc=4.20K。图1－3ρ与温度关系示意图第39页某些金属、金属化合物及合金，当温度低到一定程度时，电阻突然消失，把这种处于零电阻状态叫做超导态。有超导态存在导体叫超导体。超导体从正常态过渡到超导态转变叫做正常—超导转变，转变时温度Tc称为这种超导体临界温度。显然Tc高，有助于超导体应用。

（二）临界磁场强度Hc除温度外，足够强磁场也能破坏超导态。使超导态转变成正常态最小磁场Hc(T)叫做此温度下该超导体临界磁场。绝对零度下临界磁场记作Hc(0)。经验证明Hc(T)与T具有如下关系：第40页超导体H－T关系如图1－4所示。假如施加磁场给正处于超导态超导体后，可使其电阻恢复正常，即磁场能够破坏超导态。也就是说，磁场存在能够使临界温度减少，磁场越大，临界温度也越低。对于所有金属，Hc－T曲线几乎有相同形状。图1－4H与温度关系示意图第41页（三）临界电流密度Jc试验证明当超导电流超出某临界值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电流。若T<Tc并有外加磁场H<Hc时，Jc=f(T,H)即临界电流密度是温度和磁场函数，如图1－5所示。Jc实质是无阻负载最大电流密度。图1－5J与温度关系示意图第42页（四）Meissner（迈斯纳）效应迈斯纳和奥克森菲尔德由试验发觉，从正常态（图1－6a）到超导态（图1－6b）后，本来穿过样品磁通量完全被排除到样品外，同步样品外磁通密度增加。无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T<Tc，在超导体内部总有B=0。图1－6超导体对磁通排斥第43页当施加一外磁场时，在样品内不出现净磁通量密度特性称为完全抗磁性。这种完全抗磁性即Meissner效应。处于超导态材料，不论其经历如何，磁感应强度始终为零。超导体是一种抗磁体。因此具有屏蔽磁场和排除磁通功能。这与完全导体性质迥然不一样。完全导体（或无阻导体）中不能存在电场即E=0，于是有这就是说，在完全导体中不也许有随时间变化磁感应强度，即在完全导体内部保持着当它失去电阻时样品内部磁场。第44页三、超导机理1934年Gorter和Casimir提出二流体模型。金属处于超导态时，导电电子分为两部分：一部分为正常传导电子nN，它占总数1-wB=nN/n；另一部分为超导电子nS，它占总数wB=nS/n，n=nS+nN。这两部分电子占据同一体积，在空间上互相渗入，彼此独立地运动，两种电子相对数目wB与(1-wB)都是温度函数。正常电子受到晶格散射做杂乱运动，因此对熵有奉献。超导电子处于一种凝聚状态，即nS凝聚到某一种低能态，这是由于超导态自由能比正常态低，设这种状态电子不受晶格散射，又因超导态是取低能量状态，因此对熵没有奉献，即它们熵等于零。第45页由于超导相变是二级相变，因此超导态是某个有序化状态。当温度低于Tc时，电阻突然消失是由于出现超导电子，它运动是不受阻，金属中假如有电流则完全是超导电子造成。出现超导电子后，金属内就不能存在电场，正常电子不载电荷电流，因此没有电阻效应。当T=Tc时，电子开始凝聚，出现有序化，而W则是有序化一种量度，称为有序度。温度越低，凝聚超导电子越多，有序化越强，到T=0时，所有电子凝聚，则有序度为1。尽管二流体模型比较简单，但能够解释许多超导现象。因此，是一种比较成功唯象物理模型。由于其不足，并不能从本质上处理问题。第46页而揭示出超导电性微观本质理论是由巴丁、库柏和施里弗三人建立BCS理论。BCS理论以为，在绝对零度下，对于超导态、低能量电子仍与在正常态中同样。但在费米面附近电子，则在吸引力作用下，按相反动量和自旋所有两两结合成库柏对，这些库柏对能够理解为凝聚超导电子。它是两个电子之间有净互相吸引作用形成电子对，形成了束缚态，两个电子总能量将减少。在有限温度下，一方面出现不成正确单个热激发电子，另一方面，每个库柏正确吸引力也削弱，结合程度较差。这些不成正确热激发电子，相称于正常电子。温度愈高，结成正确电子数量愈少，结合程度愈差。达成临界温度时，库柏对所有拆散成正常电子，此时超导态即转变为正常态。第47页四、超导材料种类已知元素、合金、化合物等超导体共有千余种，按其成份和Meissner效应可将超导材料分类如下：

（一）按成份分类1、元素超导体已知有24种元素具有超导性。除碱金属、碱土金属、铁磁金属、贵金属外，其他金属元素都具有超导性。其中铌Tc=9.26K，为最高临界温度。2、合金和化合物超导体合金和化合物超导体包括二元、三元和多元合金及化合物。TlRBaCuOTc达≈125K。3、有机高分子超导体有机高分子超导体主要是非碳高分子(SN)x。第48页（二）按Meissner效应分类1、第一类超导体（软超导体）超导体在磁场中有不一样规律，如图1－7所示，当H<Hc时，B=0；H>Hc时，B=μH。即在超导态内能完全排除外磁场，且Hc只有一种值。除钒、铌、钌外，元素超导体都是第一类超导体，它们又被称为软超导体。图1－7第一类超导体B－H曲线第49页2、第二类超导体（硬超导体）如图1－8所示，第二类超导体特点是：当H<Hc1时，B=0，排斥外磁场。当H<Hc2时，0<B<μH，磁场部分穿透。当H>Hc2时，B=μH，磁场完全穿透。也就是在超导态和正常态之间有一种混合态存在，Hc有两个值Hc1和Hc2。铌、钒和钌及大部分合金或化合物超导体都属于第二类超导体，它们又被称作为硬超导体。第二类超导体Tc、Hc、Jc都比第一类超导体高。图1－8第二类超导体B－H曲线第50页五、超导材料应用超导应用分为强电强磁和弱电弱磁两大类。（一）超导强电强磁应用超导强电强磁应用，是基于超导体零电阻特性和完全抗磁性以及非抱负第二类超导体所特有高临界电流密度和高临界磁场。（二）超导弱电弱磁应用以Josephson（约瑟夫森）效应为基础，建立极敏捷电子测量装置为目标超导电子学，发展了低温电子学。超导弱电弱磁将主要应用于无损检测、超导微波器件、超导探测器、超导计算机。第51页1.3半导体材料

一、半导体能带构造本征半导体能带构造如图1－9所示。图1－9本征半导体能带构造下面是价带，由于纯半导体原子在绝对零度时，其价带是充满电子，因此是一种满价带。上面是导带，而导带是空。满价带和空导带之间是禁带，由于它价电子和原子结合得不太紧，其禁带宽度Eg比较窄，一般在1eV左右。价带中电子受能量激发后，假如激发能大于Eg，电子可从价带跃迁到导带上，同步在价带中留下一种空穴，空穴能量等于激发前电子能量。第52页二、半导体导电机理半导体价带中电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子负电荷。同步，在满价带中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可按电子运动相反方向运动而传导正电荷。因此，半导体导电起源于电子和空穴运动，电子和空穴都是半导体中导电载流子。激发既能够是热激发，也能够是非热激发，通过激发，半导体中产生载流子，从而导电。第53页三、半导体分类（一）按成份分类按成份可分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体又可分为本征半导体和杂质半导体。化合物半导体又可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种半导体。（二）按掺杂原子价电子数分类按掺杂原子价电子数可分为施主型（又叫电子型或n型）和受主型（又叫空穴型或p型）。前者掺杂原子价电子多于纯元素价电子，后者正好相反。（三）按晶态分类按晶态可分为结晶、微晶和非晶半导体。第54页四、本征半导体（一）本征半导体导电机理半导体中价带上电子借助于热、电、磁等方式激发到导带叫本征激发。满足本征激发半导体叫本征半导体。本征半导体导电载流子是由本征激发所形成导带中电子和价带中空穴。通过载流子运动来实现导电。本征半导体电导率应由电子运动和空穴运动两部分引发电导率组成，按照量子力学微扰处理，本征半导体电导率公式如下。你第55页（二）本征半导体材料性质和应用1、本征半导体性质本征半导体是高纯度、无缺陷元素半导体，其杂质不大于十亿分之一种。本征半导体中，主要是硅、锗和金刚石。金刚石可看作是碳元素半导体，它半导体性质是1952年由Custer发觉。除了硅、锗、金刚石外，其他半导体元素一般不单独使用，并且除了硅、锗、硼和碲外，其他半导体元素都有两种或两种以上同素异形体，只有一种是半导体。2、本征半导体应用由于单位体积内载流子数目（ni）较少，需要在高温下工作，σ才大，故目前本征半导体应用不多。第56页五、杂质半导体（一）定义将杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂质能级（带）激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴激发叫非本征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半导体。杂质半导体现有杂质激发，又有本征激发。一般杂质半导体中掺杂杂质浓度很小，十亿分之一即可达成目标。（二）杂质半导体种类一般在ⅣA族元素中掺ⅤA族或ⅢA族元素。按掺杂元素价电子和纯元素价电子不一样进行分类，可分为n型和p型半导体：第57页1、n型半导体（电子型，施主型）ⅣA族元素（C，Si，Ge，Sn）中掺入ⅤA族元素（P，As，Sb，Bi）后，造成掺杂元素价电子多于纯元素价电子，其导电机理是电子导电占主导，因而此类半导体是n型或电子型或施主型。2、p型半导体（空穴型，受主型）ⅣA族元素掺以ⅢA族元素（如B）时，掺杂元素价电子少于纯元素价电子，它们原子间形成共价键后，还缺乏一种电子，从而在价带中产生逾量空穴。以空穴导电为主，掺杂元素是电子受主，此类半导体称p型或空穴型或受主型。第58页（三）杂质半导体能带构造n型杂质半导体能带构造如图1－10所示。图1－10n型能带构造逾量电子处于施主能级，施主能级与导带底能级之差为Ed，而Ed大大不大于禁带宽度Eg。因此，杂质电子比本征激发更容易激发到导带，而导带在一般温度下，施主能级是解离，即电子均激发到导带。Eg比Ed相差近三个数量级。第59页p型杂质半导体能带构造如图1－11所示。

图1－11p型能带构造其逾量空穴处于受主能级。由于受主能级与价带顶端能隙Ea远不大于禁带宽度Eg，价带上电子很容易激发到受主能级上，在价带中形成空穴导电。

第60页六、浅能级杂质和深能级杂质半导体中杂质，按它能级在禁带中位置，可分为浅能级和深能级。对于施主杂质（ⅤA族），其中电子挣脱束缚产生电离需要一定能量，这就是电离能。同样对于受主杂质（Ⅲ族）也存在一种电离能。由于这些杂质电离能较小（<0.1eV），称为浅能级杂质。当杂质价数与纯元素价数差值>2时，就会产生两个或两个以上解离能级。第二个或第二个以上能级一般均在禁带深处（>0.1eV），称为深能级，此种杂质称为深能级杂质。深能级产生载流子很少，而散射却增加，因此对σ影响不大甚至尚有所减少。第61页七、化合物半导体化合物半导体种类繁多，性质各异，前景广阔。（一）化合物半导体分类（1）按成份可分为合金、化合物、陶瓷、高分子半导体。（2）按掺杂原子价电子数分为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Ⅲ-Ⅴ族半导体，其化学式为AⅢBⅤ金属间化合物，如GaAs、GaN等。（二）化合物半导体材料某些性质化合物半导体最突出特点是禁带和迁移率范围宽，禁带在0.13~0.30eV；迁移率在-7.625~+0.010范围。最有用是以GaAs为代表Ⅲ-Ⅴ族化合物。第62页八、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异在于长程无序。（二）非晶态半导体特点①对杂质掺入不敏感，具有本征半导体性质；②非结晶性，因此无方向性。（三）非晶态半导体种类非晶态半导体按构造可分为共价键型和离子键型。（四）非晶态半导体应用九、高温半导体目前，一般半导体工作温度<200℃，而航空航天工业要求500~600℃，半导体高温工作时易被热击穿和烧坏。因此，要研制Eg大和耐高温半导体。目前研究有碳化硅和人造金刚石膜。第63页十、半导体材料应用及新进展半导体材料应用非常广泛，主要用途为：①半导体材料在集成电路上应用；②半导体材料在光电子器件、微波器件和电声耦合器上应用。③半导体材料在传感器上应用。半导体材料发展十分迅速，半导体研究对象将从晶态逐渐转向非晶态，从体相转向表面，从天然存在材料转向人工设计材料。近年对半导体物理新发展主要有三个方面：①研究种类繁多半导体新材料；②表面研究蓬勃发展；③半导体构造和表面构造计算。第64页1.4高分子导电材料

高分子导电材料包括构造型高分子导电材料和复合型高分子导电材料两大类。一、构造型高分子导电材料构造型高分子导电材料一般简称导电高分子。它们是高分子本身构造或掺杂后，就能够导电。迄今，导电高分子已有研究有：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、共轭高聚物导电机理纯共轭髙聚物电导率大都处于绝缘体水平，只有掺杂共轭髙聚物电导率才能达成半导体，甚至导体水平。第65页掺杂共轭聚合物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。在本来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组成DADADADA······型复合物，起初D和A都是低分子有机物，后来发觉了高分子传荷复合物。第66页

1、传荷复合物导电机理传荷复合物中，电子由给体D转移到受体A，由于电荷转移互相作用产生库仑力和范德华力而形成稳定复合物。根据电荷转移量δ大小，不一样D与A组合能够得到从非离子型复合物到离子型化合物。δ主要取决于给体电离能及受体电子亲和能之差。电荷转移比较小非离子型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有机化合物及髙氯酸盐组成。第67页（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，成为带金属原子髙聚物分子链，称这种髙聚物为金属髙聚物。1、金属髙聚物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：金属引入非共轭髙聚物上。第68页2、金属髙聚物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一样金属价态之间跃迁以传导电子而导电。

（五）非碳髙聚物（六）构造型导电高分子发展趋势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、兼光或磁多功能导电高分子7、导电生物高分子

第69页二、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，是由高分子材料和多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。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导电机理：①导电通道学说；②隧道效应学说；③场发射学说。三、高分子导电材料应用

第70页1.5离子导电材料

一般具有离子构造材料都有离子电导现象存在，但大部分材料离子电导率都很低，达不到导电要求。离子电导材料一般指是电导率≥10-4S/m，且其电子电导对总电导率奉献可忽视不计材料，又称快离子导体。

一、离子导电材料导电机理

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1－12所示。图1－12离子晶体中缺陷第71页离子晶体中热缺陷主要有四种：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。设电场方向为正。这个电场方向是从左指向右，相反方向为负。则电场对多种缺陷作用力方向，多种缺陷运动方向，以及它们产生电流方向列于下表。缺陷种类电荷外力方向运动方向电流方向正填隙离子+e+e++正空格点-e+e-+负填隙离子-e-e-+负空格点+e-e++第72页由表可见，离子晶体中四种缺陷所产生电流方向都是正，即电场方向。在无电场情况下，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，因而不给出净电荷流动。而多种缺陷扩散也是无序，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概率大大增加，如表所示，因而产生沿电场方向离子电流。据此机理可导出其电导率σ公式：式中n——单位体积离子数目；z——离子价数；e——电子电荷；k——玻耳兹曼常数；T——绝对温度；D——扩散系数。第73页二、离子导电材料特性值1、电导率要求σ≥10-4S/cm，且σe/σ≈0（为电子电导率）。2、活化能用离子电导率公式为Arrhenius式：式中σ0——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，σ越大，离子导电材料Ea一般不大于0.5eV。第74页三、离子导电材料种类一般按离子种类分，主要有下列几个。（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：β-Al2O3。（三）锂离子导体：β-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：萤石构造和氟铈矿构造型。（七）高分子离子导体：①主链型聚醚；②聚酯型；③聚亚胺型；④聚醚网络型；⑤侧链型聚醚。第75页四、离子导体应用和发展趋势离子导体主要应用于下列几方面：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屏电解质快离子导体发展趋势是：（1）研究更高离子电导率快离子导体，目标是使室温电导率达成102~103S/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。第76页本章小结1、导体能带构造和导电机理？导体能带构造有三类：未满带+重带+空带；满带+空带；未满带+禁带+空带。导体导电机理典型理论是自由电子理论，以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。事实上，无论是金属，还是非金属导体中电子运动是在以导体空间点阵为周期势场中运动，电子势能是个周期函数，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，导体中电子可看作准自由电子，其运动规律可视为和自由电子相同。第77页2、超导体特性值、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，把这种处于零电阻状态叫做超导态。有超导态存在导体叫超导体。根据电阻率ρ、外加磁场强度H、导体电流密度J、磁感应强度B与温度T关系，超导体特性值为临界温度Tc、临界磁场强度Hc、临界电流密度Jc、完全抗磁性。无论是否有外加磁场使样品从正常态变为超导态，只要T<Tc，本来穿过样品磁通量完全被排除到样品外，同步样品外磁通密度增加，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特性称为完全抗磁性。这种完全抗磁性即Meissner效应。第78页超导机理有二流体模型和BCS理论。二流体模型以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，它运动是不受阻，导体中假如有电流则完全是超导电子造成。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，因此没有电阻效应。BCS理论以为，T<Tc，对于超导态、低能量电子仍与正常态中同样。但在费米面附近电子，则在吸引力作用下，按相反动量和自旋所有两两结合成库柏对，这些库柏对能够理解为凝聚超导电子。温度愈高，结成正确电子数量愈少，结合程度愈差。达成临界温度时，库柏对所有拆散成正常电子，此时超导态即转变为正常态。第79页3、半导体、本征半导体和杂质半导体能带构造和导电机理？（本征）半导体能带构造是满（价）带+禁带+空（导）带，0<Eg≦2eV。半导体价带中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，传导电子负电荷。满带中留下空穴按电子运动相反方向运动传导正电荷。半导体导电起源于电子和空穴运动，电子和空穴都是半导体中导电载流子。半导体中满带上电子借助于热、电、磁等方式激发到导带叫本征激发。满足本征激发半导体叫本征半导体。本征半导体导电载流子是由本征激发所形成空带中电子和满带中空穴。通过载流子运动来实现导电。第80页n型杂质半导体能带构造是满带+禁带+施主能级+空带，逾量电子处于施主能级，Ed远不大于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，传导电子负电荷。n型半导体导电主要起源于从施主能级激发到空带上杂质电子运动，电子是n型半导体中导电主要载流子。p型杂质半导体能带构造是满带+禁带+受主能级+空带，逾量空穴处于受主能级，Ea远不大于Eg。满带上电子很容易激发到受主能级上，满带上留下空穴按电子运动相反方向运动传导正电荷。p型半导体导电主要起源于激发到受主能级上电子在满带上所留下空穴运动，空穴是p型半导体中导电主要载流子。第81页4、离子导电材料导电机理和特性值？离子导电主要发生在离子固体中，离子在固体中通过晶格缺陷进入穴位而发生导电。离子晶体中热缺陷主要有四种：带电荷+e正填隙离子、带电荷-e正空格点、带电荷-e负填隙离子和带电荷+e负空格点。在无电场情况下，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概率大大增加，离子晶体中四种缺陷所产生电流方向都是正，即产生沿电场方向离子电流。离子导电材料特性值：①电导率σ≥10-4S/cm，且σe/σ≈0（为电子电导率）；②活化能Ea越小，σ越大，离子导电材料Ea一般不大于0.5eV。第82页作业11、功能材料及其主要特性？2、功能材料化学成份分类和物理性质分类？3、电子导电材料中超导体、导体、半导体和绝缘体区分？4、超导材料及其特性值？5、离子导电材料及其特性值？

第83页作业1答：导体、超导体、半导体和绝缘体区分在于电导率、能带构造和导电机理三方面。（1）电导率：导体电导率≥105S/m；超导体电导率为无限大；半导体电导率为10-7~104S/m；绝缘体电导率≤10-7S/m。（2）能带构造：导体和超导体能带构造有三类：未满带+重带+空带；满带+空带；未满带+禁带+空带。半导体和绝缘体能带构造是满（价）带+禁带+空（导）带，半导体禁带宽度为0<Eg≦2eV，而绝缘体禁带宽度大于2eV。（3）导电机理：导体是通过自由电子运动而导电，导体中均存在电子运动通道即导带，电子进入导带运动均不需能带间跃迁。超导体导电是由于超导电子存在，它运动是不受阻。半导体价带中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，传导电子负电荷，满带中留下空穴按电子运动相反方向运动传导正电荷；半导体导电起源于电子和空穴运动，电子和空穴都是半导体中导电载流子。绝缘体不导电。

第84页第二章

介电材料2.1介电材料2.2铁电材料

第85页教学目标及基本要求掌握介电材料特性值，铁电体及其特性。熟悉介电材料和铁电体种类。理解反铁电体基本概念。

第86页教学重点和教学难点（1）介电材料及其特性值（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87页第二章

介电材料

介电材料又叫电介质，是以电极化为特性材料。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现象。电介质极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷现象。极化：介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心分离，从而转变成偶极子。也就是说，在电场作用下，组成质点正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，组成一种偶极子，如图2－1所示。

第88页设正电荷与负电荷位移矢量为l，则定义此偶极子电偶极距图2－1偶极子要求其方向为负电荷指向正电荷，即电偶极距方向与外电场E方向一致。第89页2.1介电材料

一、介电材料特性值1、分子极化率α在电场作用下，介电材料分子产生电偶极矩μ，而分子极化率一般由电子极化率αe、原子（离子）极化率αa和取向极化率α0三部分组成：第90页电子极化率：在外电场作用下，原子外围电子轨道相对于原子核发生位移（如图2－2所示），原子中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2－2电子轨道位移根据玻尔原子模型，典型理论能够计算出电子平均极化率αe。第91页离子极化率：离子在电场作用下偏移平衡位置移动，相称于形成一种感应偶极距。也可理解为离子晶体在电场作用下离子间键合被拉长。图2－3所示是离子位移极化简化模型。根据典型弹性振动理论能够估计出离子位移极化率αa

由于离子质量远高于电子质量，因此极化建立时间也较电子慢，大约为10-12~10-13s。图2－3离子位移极化简化模型第92页取向极化率：沿外场方向取向偶极子数大于与外场反向偶极子数，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α02、极化强度P介电材料极化强度是单位体积内电偶极矩矢量和：第93页3、静态介电常数ε静态介电常数ε和极化强度p关系为从上式中能够看出，介质极化强度P越大，ε也越大。常用相对静态介电常数εr=ε/ε0，ε称为绝对介电常数。

4、动态介电常数ε*电介质分子极化需要一定时间，完成极化时间叫驰豫时间τ，其倒数称驰豫频率f，电子极化f约1015Hz，相称于紫外频率，原子（离子）极化f约1012Hz，处于红外区，取向极化在100~1010Hz之间，处于射频和微波区。第94页在交变电场作用下，由于电场频率不一样，极化对电场变化反应也不一样。f越大，τ越小，极化建立需要τ：电子极化<离子极化<取向极化。当f<100~1010Hz时，三种极化都可建立。当1010<f<1013Hz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1013<f<1015Hz时，取向极化和离子极化均来不及建立，只有电子极化能建立，这叫极化滞后。极化强度与交变电场频率关系如图2－4所示。在交变电场中，由于极化滞后，介电常数要用复数ε*表达，又叫动态介电常数。

第95页式中：ε’为实部，即电容充电放电过程中，没有能量损耗，ε’=ε0ε’r。ε”为虚部，即电流与电压同相位，对应于能量损耗部分，它由复介电常数虚部ε”r描述，故称之为介质相对损耗因子ε”，因ε”=ε0ε”r，则ε”称为介质损耗因子。图2－4极化强度和电场频率关系第96页现定义损耗角正切tanδ表达为取得给定存放电荷要消耗能量大小，能够称之为“利率”。ε”r或者ε’rtanδ有时称为总损耗因子，它是电介质作为绝缘材料使用评价参数。为了减少绝缘材料使用能量损耗，希望材料具有小介电常数和更小损耗角正切。δ为电感和电场相位角。当δ=0时，即非交变电场时，tanδ=0，ε”=0，ε*=ε’=ε即为静介电常数，同样复介电常数ε*r=ε*/ε0，ε’r=ε’/ε0，ε”r=ε”/ε0表达。由于ε随P而变，ε也随f而变。第97页5、介电损耗W在交变电场中，在每秒内，每立方米电介质消耗能量称介电损耗W6、电导率σ一般电介质或多或少有些电导率，其起源为漏电电导率和位移电导率。7、击穿电压电介质承受电压超出一定值后，就丧失了电介质绝缘性，这个电压叫做击穿电压。二、介电材料种类气体、液体和固体。第98页2.2铁电材料一、铁电体定义铁电体指在某温度范围内具有自发极化且极化强度能够因外电场而反向晶体。铁电体一种特点是具有电滞回线（见图2－5）。图2－5铁电体电滞回线第99页铁电体另一种特点是具有许多电畴（见图2－6）。电畴是指在一种电畴范围内永久偶极矩取向都一致，也就是每个区域内部电偶极子沿同一方向，但不一样小区域电偶极子方向不一样，这每个小区域称为电畴。畴之间边界地域称之为畴壁。凡具有电畴和电滞回线介电材料就称为铁电体。图2－6BaTiO3晶体电畴构造示意图第100页当电介质极化强度随外加电场呈线性变化时，称为线性介质。对一般电介质，其极化强度P与外加电场关系为P=NαE，α为常数。当电介质极化强度随外加电场呈非线性变化时，称为非线性介质。铁电体极化强度随外加电场呈非线性变化，形成如图2-5所示形状，称为电滞回线。电滞回线与铁磁体磁滞回线相同。这和一般电介质不一样。二、铁电体特性（1）铁电体有许多电畴，不一样电畴之间永久偶极矩取向不一致。无外电场时，电畴无规则，因此净极化强度为0。当施加外电场时，与电场方向一致电畴长大，而其他电畴变小，因此，极化强度随电场强度变大而变大。

第101页（2）P与E形成电滞回线。对铁电体，当外加电场E增加时，极化强度P按OABC增加，增至C时，电畴变成单一取向电畴（和E取向一致），此时P达成饱和。到E下降时，P按CBD曲线下降，到E=0时，P=Pr，Pr称剩下极化。而P=0时，E=-Ec，Ec称为矫顽电场强度。而D达成饱和。再增加E，P按DC线增加而形成CBD回线，即P和E有滞后效应。C点处切线和P轴交点Ps称为饱和极化强度，是相称于E=0时单畴自发极化强度，PsBC相称于P与E呈线性关系P－E曲线。第102页（3）居里温度Tc是铁电相与顺电相相转变温度，当铁电体温度T>Tc时，铁电现象即消失。当T<Tc时，铁电体处于铁电相。当T>Tc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ε与非铁电体不一样。由于极化非线性，铁电体介电常数不是常数，而是依赖于外加电场。三、铁电体种类按照铁电体极化轴多少，可将铁电体分为两类。一类是只能沿一种晶轴方向极化铁电体，即无序－有序型铁电体（软铁电体）。另一类是能够沿几个晶轴极化铁电体，这些晶轴在非铁电相中都是等价，称为位移型铁电体（硬铁电体）。第103页图2－7反铁电体位移和构造示意图（a）二维反铁电体晶格构造；（b）离子沿对角线反平行位移四、反铁电体反铁电体是某些离子晶体，它相邻行或列上离子沿反平行方向自发极化，最简单如图2－7(a)所示。图2－7(b)则表达离子沿对角线反平行位移一般情形。

第104页最初发觉具有反铁电性晶体为三氧化钨，当温度高于1010K时，它处于反铁电相。X射线衍射试验表白，钨离子沿反平行方向位移。后来发觉锆酸铅也具有反铁电相。对锆酸铅反铁电体研究较多。锆酸铅室温下介电常数ε约为100，可是在230℃时，介电常数出现尖锐峰值；当温度高于230℃时，遵从居里—外斯定律。铁电材料研究目前主要是改善原有品种和开发新品种。利用离子位移和铁电性关系，根据极性空间群多种晶体参数，可预测新铁电体。铁电材料主要用于压电、电光等材料。

第105页本章小结1、介电材料及其特性值？介电材料又叫电介质，是以电极化为特性材料。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现象。介电材料特性值：分子极化率α、极化强度P、静态介电常数ε、动态介电常数ε*、介电损耗W、电导率σ、击穿电压U。2、分子极化、电子极化、原子（离子）极化和取向极化？在电场作用下，介电材料分子产生电偶极矩μ，这种极化称为分子极化。分子极化率一般由电子极化率+原子（离子）极化率+取向极化率组成。第106页在外电场作用下，原子外围电子轨道相对于原子核发生位移，原子中正负电荷重心产生相对位移，这种极化称为电子位移极化。离子在电场作用下偏移平衡位置移动，相称于形成一种感应偶极距。也可理解为离子晶体在电场作用下离子间键合被拉长。沿外场方向取向偶极子数大于与外场反向偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极距，这种极化称为取向极化。3、损耗角正切？损耗角正切tanδ表达为取得给定存放电荷要消耗能量大小。第107页4、电滞回线？对铁电体，当外加电场E增加时，极化强度P按OABC增加，增至C时，电畴变成单一取向电畴（和E取向一致），此时P达成饱和。到E下降时，P按CBD曲线下降，到E=0时，P=Pr，Pr称剩下极化。而P=0时，E=-Ec，Ec称为矫顽电场强度。而D达成饱和。再增加E，P按DC线增加而形成CBD回线，即P和E有滞后效应。C点处切线和P轴交点Ps称为饱和极化强度，是相称于E=0时单畴自发极化强度，PsBC相称于P与E呈线性关系P－E曲线。第108页5、铁电体及其特性？铁电体是指在某温度范围内具有自发极化且极化强度能够因外电场而反向晶体，也就是，凡具有电畴和电滞回线介电材料就称为铁电体。铁电体特性：（1）铁电体有许多电畴，不一样电畴之间永久偶极矩取向不一致；（2）P与E形成电滞回线；（3）居里温度Tc是铁电相与顺电相相转变温度。（4）介电常数ε与非铁电体不一样。第109页（3）居里温度Tc是铁电相与顺电相相转变温度，当铁电体温度T>Tc时，铁电现象即消失。当T<Tc时，铁电体处于铁电相。当T>Tc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ε与非铁电体不一样。由于极化非线性，铁电体介电常数不是常数，而是依赖于外加电场。TPTcABCO第110页三、铁电体种类(1)软铁电体:只能沿一种晶轴方向极化,从顺电相到铁电相过渡是从无序-有序相变,是无序-有序型铁电体.如KH2PO4.(2)硬铁电体:能够沿几个晶轴极化,位移型铁电体.从顺电相到铁电相过渡是两个子晶格之间发生位移.如BaTiO3.

第111页第三章压电材料3.1压电效应机理3.2压电材料特性值3.3压电材料种类和应用

第112页教学目标及基本要求掌握压电效应机理、压电材料特性值。熟悉压电材料种类和应用。

第113页教学重点和教学难点（1）压电效应及其机理（2）压电材料及其特性值（3）机电耦合系数（4）介质损耗第114页第三章

压电材料

没有对称中心材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引发电极化和电场，其值与应力大小成百分比。其符号取决于应力方向。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，当材料在电场作用下发生电极化时，会产生应变，其应变值与所加电场强度成正比。其符号取决于电场方向。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互相转换。利用逆压电效应，还发展了一系列电致伸缩材料。第115页3.1压电效应机理

压电效应产生本源是晶体中离子电荷位移，当不存在应变时电荷在晶格位置上分布是对称，因此其内部电场为零。不过当给晶体施加应力则电荷发生位移，假如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，这个电场就体现为压电效应。例如石英产生压电效应即是如此，如图3－1所示。

图3－1石英压电效应产生本源（晶体无对称心）第116页由图3－1(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。由本来P=0状态，变成有极化强度P状态，体现为产生一电场。假如晶体存在对称中心话，虽然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3－1(a)）。因此，只有那些原胞无对称中心物质才有也许产生压电效应。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，它们也许具有压电效应。不过，无对称中心只是产生压电效应必要条件，而不是充足条件。因此，只有ADP、KDP和α-石英、罗息盐等少数几个晶体才具有压电效应。所有铁电晶体同步具有压电性，但压电晶体不一定具有铁电性。第117页图3－2压电效应机理示意图晶体压电效应本质是由于机械作用（应力与应变）引发了晶体介质极化，从而造成两端表面内出现符号相反束缚电荷。其机理可用图3－2加以解释。图中（a）表达压电晶体中质点在某方向上投影。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。不过当沿某一方向对晶体施加机械力时，晶体由于形变造成正、负电荷重心不重合，即电矩发生变化，从而引发晶体表面荷电；（b）为晶体在压缩时荷电情况；（c）是拉伸时荷电情况。

第118页石英压电效应机理135246135246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α-石英单晶正压电效应第119页晶片沿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展现电荷横向压电效应α-石英单晶正压电效应246351135246石英压电效应机理第120页晶片沿z方向压缩135246无压电效应正压电效应本质：外力变化了晶体中离子本来相对位置、在特定方向上产生束缚电荷、出现净电偶极矩.压电晶体：构造上必须是无对称中心,中心对称晶体受力时不会变化其中心对称性、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.石英压电效应机理第121页一、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压电材料特性值

第122页一、弹性模量压电晶体是弹性体，服从于虎克定律：在弹性程度内，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）等不一样晶系有不一样弹性模量。压电晶体具有压电效应，因此，在不一样电学条件下有不一样弹性模量。在外电路电阻很小时，即相称于短路条件下测得，称为短路弹性模量。在外电路电阻很大时，即相称于开路条件下测得，称为开路弹性模量。第123页二、压电常数压电常数：极化强度和应变之间关系常数。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和应变之间关系可用压电（应力）常数与沿x、y、z轴应变和切应变方程来表达，其中18个系数eik被称为压电（应力）常数。其极化强度和应力关系可用压电（应变）常数与沿x、y、z轴应力和切应力方程来表达表达，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都是压电效应主要特性值。第124页逆压电效应与电致伸缩效应不一样。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性质。而逆压电效应只存在于不具有对称中心点群晶体中。另外，电致伸缩效应形变与电场方向无关，与电场强度平方成正比，而逆压电效应形变是随电场反向而反号，与电场强度一次方成正比。对于国际单位制有ε0为真空介电常数；D为压电体中电位移。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，则上述各压电常数体现式中P均可换为D。第125页三、机电耦合系数机电耦合系数是一种综合反应压电晶体机械能与电能之间耦合关系物理量，是衡量压电材料性能一种很主要参数。通过测量机电耦合常数能够确定弹性、介电、压电等参量，虽然介电常数和弹性常数有很大差异压电材料，它们机电耦合常数也可直接比较。机电耦合系数定义为：k=机械能转变电能/输入机械能（正压电效应）k=电能转变机械能/输入电能（逆压电效应）机电耦合系数k是一种无量纲物理量，是压电材料机械能和电能互相转换能力量度。它并不代表转换效率，由于它没有考虑能量损失，是在抱负情况下，以弹性能或介电能存放方式进行转换能量大小。

第126页四、介电常数介电常数反应了材料介电性质（或极化性质），一般用ε表达，单位是F/m。当压电材料电行为用电场强度E和电位移D作变量来描述时，则有：D=εE或ε=D/E有时也使用相对介电常数εr（反应电介质极化能力），它与介电常数关系为ε/ε0，ε0为8.85×10-12F/m，相对介电常数是无量纲物理量。对于压电陶瓷片，可用下式计算介电常数：ε=Cd/A式中：C为电容（F）；d为电极距离（m）；A为电极面积（m2）。第127页五、介质损耗电介质在恒定电场作用下所损耗能量与通过其内部电流有关。加上电场后通过介质所有电流包括：①由样品几何电容充电所造成电流；②由多种介质极化建立所造成电流；③由介质电导（漏电）造成电流。第一种电流简称电容电流，不损耗电流；第二种电流引发损耗称为极化损耗；第三种电流引发损耗称为电导损耗。

极化损耗主要与极化驰豫（松弛）过程有关。第128页介质在交变电场中一般发生驰豫现象。在一种实际介质样品上突然加上一电场，所产生极化过程不是瞬时，见图3－3。P0代表瞬时建立极化（位移极化），P1代表松弛极化，P1(t)渐渐达成一稳定值。这一滞后一般是由偶极子极化和空间电荷极化所致。在外电场施加或移去后，系统逐渐达成平衡状态过程叫介质驰豫。

图3－3介质驰豫过程

第129页图3－4交流电路中电流电压矢量图

在交变电场下，压电材料所积累电荷有两种分量：一种为有功部分（同相），即由电导过程引发，即电导损耗（IC）；另一种为无功部分（异相），即由介质驰豫过程引发，即极化损耗（IR）。介质损耗为异相分量与同相分量比值，一般用tanδ表达，如图3－4所示。tanδ=IR/IC=1/ωCR式中：ω为交变电场角频率；C为介质电容；R为损耗电阻。tanδ与压电材料中能量损耗成正比，因此也往往就把tanδ叫做损耗因子，或直接叫做介质损耗。第130页3.3压电材料种类和应用

一、压电材料种类