1、 第八章 功能轉(zhuǎn)換材料 利用能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)制造具有特殊功能元器件的材料叫功能轉(zhuǎn)換材料。該類材料能實(shí)現(xiàn)不同形式的能量轉(zhuǎn)換，在測量技術(shù)、傳感器技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。 8-1 壓電材料+- 一、壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)晶體在機(jī)械外力作用下發(fā)生形變時(shí)，電極化強(qiáng)度發(fā)生變化，因而在某些對(duì)應(yīng)表面產(chǎn)生異號(hào)電荷。 這種沒有電場作用而只由于形變使晶體電極化狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)，即因形變產(chǎn)生的電效應(yīng)。 也稱為正壓電效應(yīng)。 反之，在壓電晶體上加電場，晶體會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力而使晶體形變。該效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)，也叫電致伸縮效應(yīng)。（加交變電場，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)） 壓電效應(yīng)使機(jī)械能和電能發(fā)生轉(zhuǎn)化。二、壓電機(jī)制1、非鐵電晶體（如石英） 不

2、受外力作用時(shí)，晶體內(nèi)正負(fù)電荷中心重合，總電距為0，晶體表面無電荷。當(dāng)受到外力作用時(shí)，晶格變形，正負(fù)電荷中心不重合，出現(xiàn)電極化，表面呈現(xiàn)束縛電荷。2、鐵電晶體 當(dāng)加電場后再撤去，鐵電體有剩余極化強(qiáng)度，處于極化狀態(tài)，在表面上有異號(hào)極化電荷。極化電荷吸附空氣中的自由電荷而中和（空氣中總存在微量正負(fù)離子和電子），鐵電體不呈電性。當(dāng)鐵電體作機(jī)械變形時(shí)，極化強(qiáng)度（包括極化電荷）隨之變化。導(dǎo)致表面吸附的自由電荷隨之而變。變化著的自由電荷便從一個(gè)極移至另一極形成電流。從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)變即壓電效應(yīng)。 鐵電晶體一定有壓電效應(yīng)，但有壓電效應(yīng)的晶體不一定是鐵電體。 鐵電體中有許多自發(fā)極化小區(qū)域，稱為電疇。電疇取

3、向混亂，總電矩為0。經(jīng)電場處理后的鐵電體可以成為壓電材料。電極電極電極電極電源 反之，接入電源，電極上呈現(xiàn)電壓，壓電體就會(huì)變形（壓縮或伸長）。加交變電源，壓電體交替出現(xiàn)伸縮即發(fā)生振動(dòng)。三、壓電材料工作參數(shù)1、機(jī)械品質(zhì)因數(shù) 當(dāng)輸入電信號(hào)時(shí)，壓電晶片產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)耗（發(fā)熱），造成機(jī)械能損耗。反映損耗程度的參數(shù)稱為機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。2、機(jī)電耦合系數(shù)四、壓電材料種類 1、非鐵電壓電晶體 石英（SiO2）、酒石酸鉀鈉（NaKC4H64H2O)、鍺酸鉍（Bi12Ge20）等 壓電半導(dǎo)體CdS、ZnO、ZnS等 2、鐵電晶體（壓電陶瓷） 鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛Pb（ZrxTi1-x）O3即PZT、

4、鈦酸鉛PbTiO3等。3、壓電聚合物 幾乎所有聚合物都有壓電性，但有實(shí)用價(jià)值的不多。 1940年，俄羅斯人發(fā)現(xiàn)木材壓電性后，相繼發(fā)現(xiàn)苧麻、絲竹、動(dòng)物某些生物組織有壓電性。1960年，人工合成了聚合物有壓電性。 1969年，日本河合平司發(fā)現(xiàn)聚偏四氟乙烯（極化處理后）有強(qiáng)壓電性，使壓電聚合物逐步進(jìn)入實(shí)用化。 與壓電陶瓷相比：柔性、耐沖擊、能制成大面積薄膜傳感材料。兩類：（1）固有壓電性聚合物 一些結(jié)晶聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，有極性基團(tuán)。未拉伸時(shí)，微晶取向隨機(jī)，總極化強(qiáng)度為0。 拉伸時(shí)，晶粒有壓電響應(yīng)，不經(jīng)極化也有壓電性。稱為固有壓電聚合物。（2）駐極體聚合物 如木材、絲竹、動(dòng)物骨骼、肌肉、皮、頭發(fā)等

5、，在自然生長條件下，微晶粒已擇優(yōu)取向。 某些合成聚合物拉伸后，也顯示壓電性。 聚乙烯、聚丙烯等，分子中無極性基團(tuán)，在電場中無偶極取向極化。這類材料本身無壓電性。但由于材料在加工過程中存在不對(duì)稱雜質(zhì)電荷或由外界注入的電荷在電場中不對(duì)稱分布而引起壓電性。但壓電常數(shù)低，重復(fù)性差，難于實(shí)用。 8-2 熱釋電材料一、熱釋電效應(yīng) 一些材料由于溫度變化而引起電極化狀態(tài)改變，在某些相對(duì)應(yīng)表面產(chǎn)生異號(hào)電荷。該現(xiàn)象叫熱釋電效應(yīng)。 其逆效應(yīng)為電生熱效應(yīng)外加電場變化，引起材料溫度變化。 最早在電氣石晶體中發(fā)現(xiàn)熱釋電效應(yīng) 重要應(yīng)用：熱敏傳感器（用作溫度計(jì)、紅外探測器等）二、熱釋電機(jī)制與壓電機(jī)制比較電介質(zhì)壓電體熱釋電鐵電

6、體電介質(zhì)壓電體熱釋電鐵電體 1、熱釋電晶體前提是具有自發(fā)極化，但壓電晶體不一定都有自發(fā)極化。 所以，必須有自發(fā)極化即晶體某些方向存在固有電矩。故有對(duì)稱中心的晶體無熱釋電效應(yīng)。 溫度變化引起自發(fā)極化強(qiáng)度變化，而在晶體一定方向上產(chǎn)生表面電荷。 壓電效應(yīng)反映晶體電量與機(jī)械應(yīng)力間的關(guān)系，機(jī)械應(yīng)力有方向，引起正負(fù)電荷相對(duì)位移。 熱釋電效應(yīng)中晶體電荷變化來自于溫度變化。熱膨脹各向同性。只有晶體存在著與其他極軸不同的唯一極化軸，才有可能發(fā)生熱釋電。 2、熱釋電晶體一定存在壓電效應(yīng)，但壓電晶體不一定存在熱釋電效應(yīng)。三、熱釋電材料 1、有自發(fā)極化的非鐵電性晶體 如CaS、CuSe、ZnO、電氣石等 2、有自發(fā)極

7、化的鐵電性晶體 LiNbO3（鈮酸鋰）、LiTaO3、PbTiO3、BaTiO3、PLZT透明鐵電陶瓷。 3、聚合物材料PVDF4、鐵電陶瓷-聚合物復(fù)合材料 如Pb（Zr，Ti）O3-硅橡膠復(fù)合物電介質(zhì)壓電體熱釋電鐵電體npnpnp 則p區(qū)積累正電荷，n區(qū)積累負(fù)電荷，產(chǎn)生光生電動(dòng)勢。接通外電路，由p經(jīng)外電路達(dá)到n區(qū)形成電流。3、光電子發(fā)射（外光電效應(yīng)） 金屬（或半導(dǎo)體）受光照，電子吸收光子被激發(fā)，激發(fā)了的電子有足夠能量越過表面勢壘（逸出功）從表面離開（初動(dòng)能），稱為光電子發(fā)射。二、光電子材料及其應(yīng)用1、光電導(dǎo)材料及應(yīng)用 CdS,CdSe,CdTe,ZnSe,HgSe,HgTe,PbS,PbSe

8、,InP,InAs,InSb,GaAs,GaSb,Ge,Si. 光電探測器（光敏器件），光電導(dǎo)攝像管，固體圖像傳感器。2、結(jié)型光電二極管（1）高速響應(yīng)的光電探測器 對(duì)非結(jié)型光電探測器，光電子在外電路中產(chǎn)生光電流的響應(yīng)慢。光照停止時(shí)，載流子平均壽命內(nèi)仍存在光電子，故有延遲光電流產(chǎn)生。 對(duì)結(jié)型光電二極管，光電子主要產(chǎn)生于結(jié)中吸收區(qū)內(nèi)。 空間電荷層產(chǎn)生的光生載流子在高電場（自建電場）中穿行距離不大于空間電荷層厚度。所以，對(duì)光響應(yīng)快（實(shí)用中盡量使光生載流子產(chǎn)生于結(jié)區(qū)）。 用作高速響應(yīng)光電探測器（2）光電池 也是p-n結(jié)二極管。 對(duì)太陽能電池，要研究Eg小的材料，以充分利用太陽光譜。 Eg在0.91.5

9、eV內(nèi)最好。Si是最理想材料。 還有：硫化鎘，鍗化鎘，砷化鎵3、光電子發(fā)射應(yīng)用 光電管是利用光電子發(fā)射（外光電效應(yīng)）制成。用于光控繼電器（自動(dòng)報(bào)警器等）、光電光度計(jì)（光電流反應(yīng)入射光強(qiáng)度） 光電倍增管（非常弱的光照，產(chǎn)生很大電流），在工程、天文、軍事上有重要應(yīng)用。 電視攝像管原因：棒ab存在電動(dòng)勢（湯姆遜電動(dòng)勢） 溫度高處（a）電子動(dòng)能較大，向低溫處擴(kuò)散，形成電動(dòng)勢。非靜電力（擴(kuò)散力）做負(fù)功，吸熱；電流反向時(shí)，非靜電力做正功，放熱。 金屬棒中，兩端溫度不同，電子擴(kuò)散形成的電動(dòng)勢即湯姆遜電動(dòng)勢。發(fā)生在同種金屬兩端之間。回路總電動(dòng)勢： 所以，只有不同金屬構(gòu)成回路，總電動(dòng)勢才不為0.二、熱電材料及其

10、應(yīng)用1、用于測溫恒溫裝置電位差計(jì) 熱電偶：通過測電動(dòng)勢來測溫。把熱學(xué)量變?yōu)殡妼W(xué)量測量。 非電量電測法2、用做溫差電源3、用于制冷 利用半導(dǎo)體帕爾貼效應(yīng)（比金屬強(qiáng)得多），實(shí)現(xiàn)熱、電能轉(zhuǎn)換，制成半導(dǎo)體制冷機(jī)（電流流過時(shí)，低溫端吸熱，高溫端放熱） 優(yōu)點(diǎn)：壽命長，可靠，小型化，無空氣污染4、材料 熱電偶：銅-康銅（60%Cu，40%Ni），200-4000C；鎳鉻（90%Ni，10%Cr）-鎳鋁（95%Ni，5%Al），010000C；鉑-銠，達(dá)15000C；金-鐵，低溫、超低溫測量。 制冷和低溫溫差電源：鍗化鉍，硒化鉍，鍗化銻。 最多的應(yīng)用是溫差發(fā)電，但效率低，成本高。然而在一些場合其它能源無法使用

11、時(shí)，便成為獨(dú)一無二的發(fā)電方式，如南極、高山、空間及月球工作的大功率電源必須采用它。 8-5 電光材料一、電光效應(yīng) 電光效應(yīng)物質(zhì)光學(xué)特性受電場影響而發(fā)生改變的現(xiàn)象。 研究證實(shí)：折射率受電場影響 右邊第一項(xiàng)：線性電光效應(yīng)（壓電晶體）（波克爾效應(yīng)） 右邊第二項(xiàng)：二次電光效應(yīng)（各向同性物質(zhì)）（克爾效應(yīng)） 對(duì)上述兩種效應(yīng)：在與入射光垂直的方向上加電壓，物質(zhì)發(fā)生雙折射。電極異常光正常光壓電晶體入射光電極電極異常光正常光各向同性物質(zhì)入射光電極波克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)不同材料表現(xiàn)不同效應(yīng)： 波克爾效應(yīng)只存在于無對(duì)稱中心的晶體中，所有壓電晶體。 克爾效應(yīng)存在于各向同性物質(zhì)（固體、液體、氣體）中，強(qiáng)電場下，在壓電晶體中

12、較波克爾效應(yīng)弱得多，忽略不計(jì)。還有電旋光效應(yīng)： 線性偏振光通過外加電場的壓電晶體時(shí)，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。二、電光材料大部分為晶體 KH2PO4, NH4H2PO4,BaTiO3,SrTiO3, LiTiO3, ZnS,GaAs等三、應(yīng)用1、電場測定 因?yàn)殡妶龃笮∮绊戨p折射程度。2、電光器件（1）電光開關(guān)（快門） 基本思想：利用脈沖電信號(hào)控制光信號(hào)（通信和微波技術(shù)，Q開關(guān)）V晶體光源00900調(diào)制光兩偏振片正交 不加電壓：無光輸出（關(guān)） 加電壓：電光效應(yīng)使偏振方向旋轉(zhuǎn)，有光輸出。改變電壓，輸出光強(qiáng)變化?？梢宰C明：VT 理想情況下，開關(guān)頻率可達(dá)1010次/秒。任何機(jī)械快門難于達(dá)到。電極異常光正常光各向

13、同性物質(zhì)入射光電極克爾效應(yīng) 光軸沿電場方向 電壓 變化，光程差 變化，透過 光強(qiáng)變化。因此可以通過電壓對(duì)偏振光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。克爾效應(yīng)產(chǎn)生和消失時(shí)間極短（10-9s），隨著電場的產(chǎn)生和消失迅速開和關(guān)。 應(yīng)用：用于高速攝影、激光通信、光速測量及電影、電視，更多地用作脈沖激光器的Q開關(guān)等。 原因：線偏振光通過磁性物體時(shí)，分解成左旋和右旋圓偏振光。因磁場作用，兩者傳播速度不同，出射合成的光偏振面發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。 偏轉(zhuǎn)角 與磁場強(qiáng)度 、通過介質(zhì)的長度 關(guān)系為：2、磁克爾效應(yīng) 光照到強(qiáng)磁體表面反射后，偏振面轉(zhuǎn)一角度。偏轉(zhuǎn)方向與磁場強(qiáng)弱有關(guān)。3、振蕩磁光效應(yīng) 在與入射光垂直的方向上，對(duì)有冷卻氣體吹過的的物體加上磁

14、場，物體對(duì)光的吸收系數(shù)隨光的頻率呈振蕩變化的現(xiàn)象，叫振蕩磁光效應(yīng)冷氣入射光透射光吸收系數(shù)波長波長吸收系數(shù)4、科頓蒙頓效應(yīng)、磁致雙折射 芳香族化合物在外磁場中具有雙折射性質(zhì)叫科頓蒙頓效應(yīng)。光波垂直磁化強(qiáng)度方向通過磁光晶體時(shí)，產(chǎn)生雙折射。二、磁光材料種類亞鐵磁石榴石：稀土過渡金屬膜：Cd-Co，Ho-Co，Cd-Fe尖晶石型鐵磁材料：CdCr2S4，CoCrS4等半導(dǎo)體材料：鍺、硅、硫化鉛等三、應(yīng)用 目前最多的是利用法拉第旋轉(zhuǎn)。用于激光器件：Q開關(guān)、調(diào)制器、隔離器、環(huán)形器等。還可以用于高密度存儲(chǔ)器（磁光存儲(chǔ)介質(zhì)）。也可以用于激光雷達(dá)、測距、光通信、紅外探測等P1P2激光反射 磁光晶體以光隔離器為例

15、說明應(yīng)用： 激光通過P1，再通過晶體偏振面轉(zhuǎn)一角度（如450），然后過同偏振方向的P2。光反射，通過P2和晶體，再轉(zhuǎn)450.兩次共轉(zhuǎn)900，則不通過P1。達(dá)到了反射光與激光隔離的目的。 8-7 聲光材料一、聲光效應(yīng) 聲光效應(yīng)聲波作用于物質(zhì)使其光學(xué)特性發(fā)生改變的現(xiàn)象。超聲波引起的效應(yīng)尤其顯著。 超聲波可以引起物質(zhì)密度周期性變化，形成超聲光柵，引起光的衍射（聲光衍射效應(yīng)）。兩類衍射形式： 一是類似于普通光柵衍射的拉曼-納斯衍射； 二是類似于晶體x射線衍射即布拉格衍射。1、拉曼-納斯衍射 物質(zhì)內(nèi)形成的疏密波相當(dāng)于光柵，光柵常數(shù)即聲波波長超聲振子超聲波2、布拉格衍射光在介質(zhì)中波長滿足該式，強(qiáng)反射。超聲振子超聲波二、聲光材料（兩大類）1、聲光玻璃 常用材料：熔融石英玻璃，Te玻璃等 優(yōu)點(diǎn)：易生產(chǎn)加工，退火后光學(xué)均勻性好，損耗小，價(jià)廉。 缺點(diǎn)：可見光區(qū)，難獲得折射率2.1的玻璃2、聲光晶體 主要是氧化物晶體，其中重要的是：二氧化碲（TeO2）、鉬酸鉛（PbMoO4）、鍺酸鉍（Bi12GeO20） 氧化物晶體一般具有長波吸收帶，很難用于紅外，特別是10.6微米波段。（紅外吸波）三、應(yīng)用1、聲光調(diào)制器 衍射效率與超聲功率有關(guān)。采用強(qiáng)