第一節(jié)壓電材料

1880年，P.居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)：當(dāng)對石英晶體在某些特定方向上加力時，在垂直于作用力的平面上出現(xiàn)正、負束縛電荷，即發(fā)生電極化。由此發(fā)現(xiàn)材料的壓電性。一、壓電效應(yīng)

1、正壓電效應(yīng)當(dāng)外加應(yīng)力T作用于某些單晶或多晶介電體并使它們發(fā)生應(yīng)變S時，介電體內(nèi)的正負電荷中心會產(chǎn)生相對位移，并在某兩個相對的表面產(chǎn)生異號束縛電荷。這種由應(yīng)力作用使材料發(fā)生電極化(即帶電)或電極化的變化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。

2、逆壓電效應(yīng)

與正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過程相反，當(dāng)對這類介電體施加外電場并使其中的正負電荷中心產(chǎn)生位移時，該介電體要隨之發(fā)生變形。這種由電場作用使材料產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第1頁/共62頁XY＋＋＋＋＋－－－－－T1T1＋＋＋＋＋－－－－－T2T2石英晶體切片的正壓電效應(yīng)第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第2頁/共62頁

壓電效應(yīng)的機理：－－－+++(a)晶體不受外力作用：①正負電荷的重心重合②晶體的總電矩為零③晶體表面的電荷為零晶體受壓縮力或拉伸力作用：①正負電荷的重心不重合②晶體表面產(chǎn)生異號束縛電荷③出現(xiàn)壓電效應(yīng)－－－+++－+－－++(c)+－+－+－－+++－－(b)第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第3頁/共62頁二、壓電材料的主要特性

1.彈性模量

壓電體是彈性體，服從虎克定律。電學(xué)條件不同，彈性模量不同。（1）短路彈性模量在外電路的電阻很小，即相當(dāng)于短路條件下，測得的彈性模量。（2）開路彈性模量在外電路的電阻很大，即相當(dāng)于開路條件下，測得的彈性模量。

2.壓電常數(shù)反映壓電材料中的力學(xué)量和電學(xué)量之間的耦合關(guān)系，表示產(chǎn)生壓電效應(yīng)的大小。

pi＝dijkjk(i,j,k=1,2,3)式中，pi為壓電材料單位面積上的極化電荷；jk為應(yīng)力；dijk即壓電常數(shù)。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第4頁/共62頁

3.介電常數(shù)介電常數(shù)反映了材料的介電性質(zhì)（或極化性質(zhì)）。當(dāng)壓電材料的電行為用電場強度和電位移作變量來描述時，有：

例如：對于壓電陶瓷片，其介電常數(shù)為：

＝Cd/A

式中，C—電容(F)；d—電極距離(m)；A—電極面積(m2)。

4.機電耦合系數(shù)綜合反映壓電體的機械能與電能之間的耦合關(guān)系。

K無量綱，數(shù)值越大，壓電耦合效應(yīng)越強。

＝（逆壓電效應(yīng)）

（正壓電效應(yīng)）

第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第5頁/共62頁三、壓電材料

1.壓電晶體

（1）石英(SiO2)

晶體結(jié)構(gòu)：三方晶系。特點：①壓電效應(yīng)出現(xiàn)在X、Y軸上，在Z軸上無壓電效應(yīng)。

②壓電性能穩(wěn)定，內(nèi)耗小，但K值不是很大。

應(yīng)用：頻率穩(wěn)定器、擴音器、電話、鐘表等。

（2）含氫鐵電晶體晶體結(jié)構(gòu)：三方晶系。特點：應(yīng)變Sx與極化強度Px2呈直線關(guān)系。

典型材料：磷酸二氫銨(NH4H2PO4，ADP)、磷酸二氫鉀(KH2PO4，KDP)、磷酸氫鉛(PbHPO4，LHP)、磷酸氘鉛(PbDPO4，LDP)。

（3）含氧金屬酸化物

典型材料：鈦酸鋇(BaTiO3，鈣鈦礦型結(jié)構(gòu))、鉭酸鋰(LiTaO3，畸變的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu))、鈮酸鋰(LiNbO3，畸變的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu))、鈮酸鍶鋇(BaxSr1-xNbO6，SBN，鎢青銅型結(jié)構(gòu))。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第6頁/共62頁鈣鈦礦（CaTiO3）晶體結(jié)構(gòu)模型第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第7頁/共62頁2.壓電半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)：閃鋅礦或纖鋅礦結(jié)構(gòu)。特點：K值大，并兼有光電導(dǎo)性。應(yīng)用：換能器。水聲換能器：通過發(fā)射聲波或接受聲波(分別對應(yīng)于正、逆壓電效應(yīng))來完成水下觀察、通訊和探測工作。典型材料：①Ⅱ-Ⅵ族化合物：CdS、CdSe、ZnO、ZnS、ZnTe、CdTe。

②Ⅲ-Ⅴ族化合物：GaAs、GaSb、InAs、InSb、AlN。

3.壓電陶瓷

（1）鈦酸鋇(BaTiO3)陶瓷

第一個被發(fā)現(xiàn)可以制成陶瓷的鐵電體。室溫下呈四方結(jié)構(gòu)，120C時轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄?，鐵電性消失。（2）鋯鈦酸鉛（Pb(Zr、Ti)O3，PZT）

PbTiO3與PbZrO3形成的固溶體，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，應(yīng)用廣泛。組成鋯鈦酸鉛的PbTiO3、PbZrO3也是常用的陶瓷壓電材料。

第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第8頁/共62頁閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)模型纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)模型第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第9頁/共62頁四、壓電材料的應(yīng)用

1、微聲技術(shù)應(yīng)用

水聲發(fā)射和接受裝置——“聲納”。

1916年朗之萬利用石英晶體制造出“聲納”，用于探測水中物體，至今仍在海軍中有重要應(yīng)用。

2、超聲技術(shù)應(yīng)用

超聲清洗、超聲乳化、超聲焊接、超聲粉碎等裝置上的機電換能器。

利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，在高驅(qū)動電場下產(chǎn)生高強度超聲波，并以此作為動力的應(yīng)用。

3、機械能－電能轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用

壓電點火器、引燃引爆裝置、壓電開關(guān)等。利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將機械能轉(zhuǎn)換成電能，從而產(chǎn)生高電壓。

4、信息技術(shù)應(yīng)用壓電材料最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第10頁/共62頁應(yīng)用類型代表性器件信號發(fā)生電信號發(fā)生壓電振蕩器聲信號發(fā)生送受話器，拾音器，揚聲器，蜂鳴器，水聲換能器，超聲換能器信號發(fā)射與接收聲納，超聲測聲器，超聲探測儀，超聲厚度計，拾音器，揚聲器，傳聲器信號處理濾波器，鑒頻器，放大器，衰減器，延遲線，混頻器，卷積器，光調(diào)制器，光偏轉(zhuǎn)器，光開關(guān)，光倍頻器，光混頻器信號存儲與顯示鐵電存儲器(FRAM，DRAM)，光鐵電存儲顯示器，光折變?nèi)⒋鎯ζ餍盘枡z測與控制傳感器微音器，應(yīng)變儀，聲納，壓電陀螺，壓電加速度表，位移器，壓電機械手，助聽器，振動器探測器紅外探測器，高溫計，計數(shù)器，防盜報警器，濕敏探測器，氣敏探測器計測與控制壓電加速度表，壓電陀螺，微位移器，壓力計，流量計，流速計，風(fēng)速計，聲速計高壓弱流電源壓電打火機，壓電引信，壓電變壓器，壓電電源壓電材料在信息技術(shù)及其他技術(shù)中的主要應(yīng)用第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第11頁/共62頁

壓電材料的研究近況：

弛豫型鐵電單晶：鈮鎂酸鉛－鈦酸鉛：(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3－xPbTiO3，PMN-PT。鈮鋅酸鉛－鈦酸鉛：(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3－xPbTiO3，PZN-PT。弛豫型鐵電體具有很高的介電常數(shù)和較大的電致伸縮系數(shù)。

1996年和1997年，Park和Shrout報道了利用熔鹽法生長PZN-PT單晶的技術(shù)工藝和晶體各種切向晶片的介電、壓電和電致伸縮特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)切向為(001)時，晶體具有最佳的性能。例如，組分為0.92PZN-0.08PT的晶體，當(dāng)按(010)切向時，壓電性能：

d33＝2500pC·N-1，為鋯鈦酸鉛(PZT)材料的3～6倍；

K33＝0.94，為現(xiàn)有壓電材料中最高的。世界著名雜志《Science》的評論：這類鐵電單晶將是新一代超聲換能器和高性能微位移和微驅(qū)動器的理想材料。我國也在研制PMN-PT、PZN-PT弛豫鐵電單晶，取得重要進展。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.1壓電材料第12頁/共62頁第二節(jié)熱釋電材料一、熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)是晶體因溫度變化而引起電極化的變化，即晶體表面產(chǎn)生等量異號電荷的現(xiàn)象。

熱釋電效應(yīng)反映了晶體的電量與溫度之間的關(guān)系：⊿Ps＝p⊿T

式中，Ps—自發(fā)極化強度；p—熱釋電系數(shù)；T—溫度。熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的前提條件晶體具有自發(fā)極化現(xiàn)象，即在晶體結(jié)構(gòu)的某些方向存在固有電矩。熱釋電材料與壓電材料的比較壓電晶體不一定有熱釋電效應(yīng)，但熱釋電晶體一定有壓電效應(yīng)。鐵電體都具有熱釋電效應(yīng)鐵電體：一類具有自發(fā)極化，且這種自發(fā)極化可以在外電場作用下改變方向的電介質(zhì)。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.2熱釋電材料第13頁/共62頁鐵電材料的極化特性曲線電介質(zhì)壓電體熱釋電體鐵電體電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體和鐵電體的關(guān)系第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.2熱釋電材料第14頁/共62頁二、熱釋電材料的主要特性

1.熱釋電系數(shù)熱釋電系數(shù)表示熱釋電材料受到熱輻射后產(chǎn)生自發(fā)極化強度隨溫度變化的大小。p

越大越好。

2.優(yōu)值指數(shù)優(yōu)值指數(shù)是熱釋電材料應(yīng)用于探測器方面的重要參數(shù)。①電流響應(yīng)優(yōu)值Fi

—熱釋電材料單位體積的熱容。Fi=p/常用熱釋電材料的約為2.5×106J·m-3·K-1。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.2熱釋電材料第15頁/共62頁②電壓響應(yīng)優(yōu)值Fv

—

熱釋電材料的介電常數(shù)。

③探測優(yōu)值Fd

tan

—

熱釋電材料的電學(xué)損耗因子。

3.吸熱流量

代表單位時間吸熱的多少。一般要求熱釋電材料具有大的吸熱流量。

4.居里點或矯頑場

熱釋電材料有一大類是鐵電體，要求有大的矯頑場或高的居里點。

F=p/Fd＝p/

(tan第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.2熱釋電材料第16頁/共62頁三、熱釋電材料材料p(10-4Cm-2K-1)r(1kHz)tan(1kHz)(106Jm-3K-1)Fv(m2C-1)Fd(10-5Pa-1/2)TGS(35C)DTGS(40C)ATGSAs(25C)ATGSP(25C)LiTaO3SBN-50①PZ-FN陶瓷②PT陶瓷③PVDF5.55.57.06.22.35.53.83.80.275543323147100290220120.0250.0200.010.010.0050.0030.0030.0110.0152.62.43.22.342.52.52.430.430.600.990.980.170.070.060.080.106.18.316.616.84.97.25.83.30.88一些代表性熱釋電材料的性能注：①SBN-50是Sr0.5Ba0.5NbO6；②PZ-FN陶瓷是改性的PbZrO3-PbFe1/3Nb2/3O3；③PT陶瓷是改性的PbTiO3。

第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.2熱釋電材料第17頁/共62頁1.熱釋電晶體

特點：①p

值高，性能穩(wěn)定。

②自發(fā)極化在外電場作用下不發(fā)生轉(zhuǎn)向。典型材料：

電氣石、CaS、CaSe、Li2SO4·H2O、ZnO等。

2.鐵電晶體

特點：①p

值高，性能穩(wěn)定。

②自發(fā)極化在外電場作用下會改變方向。典型材料：（1）硫酸三甘肽(TGS)及其改性材料硫酸三甘肽(TGS)、氘化的TGS(DTGS)、摻丙氨酸并以砷酸根取代部分硫酸根的TGS(ATGSAs)和摻丙氨酸并以磷酸根取代部分硫酸根的TGS(ATGSP)。（2）含氧金屬酸化物

LiTaO3、LiNiO3、PbTiO3、Pb(Zr、Ti)O3、BaTiO3等。

第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.2熱釋電材料第18頁/共62頁3.熱釋電陶瓷

特點：制備容易，成本低，同時具有良好的熱釋電性能。典型材料：（1）鈦酸鉛(PbTiO3)陶瓷居里溫度高，p

值隨溫度變化很小，是一種較好的紅外探測器材料。（2）鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷用量很大，性能優(yōu)良。添加Bi2O3的Pb0.96Bi0.04Zr0.92Ti0.08O3陶瓷在室溫附近具有較大的p值。（3）鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)陶瓷居里點高，在常溫下使用不退化，熱釋電性能良好。

4.有機高聚物晶體典型材料：聚偏二氟乙烯(PVDF)。特點：①易于制得大面積的薄膜(6m以下)，且工序少，成本低。②p

值較小，電壓響應(yīng)優(yōu)值較高，介電損耗大，探測優(yōu)值低。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.2熱釋電材料第19頁/共62頁四、熱釋電材料的應(yīng)用

1、熱釋電探測器

重要應(yīng)用：制作室溫紅外探測器與列陣。原理：當(dāng)熱釋電元件受到調(diào)制輻射加熱后，晶片溫度將發(fā)生微小變化，由此引起晶體極化狀態(tài)的改變，從而使垂直于自發(fā)極化軸方向的晶體單位表面上的電荷(即Ps值)發(fā)生改變。應(yīng)用領(lǐng)域：防火、防盜、醫(yī)療、遙測及軍事等方面。

2、紅外成像系統(tǒng)

重要應(yīng)用：

“夜視”裝置。原理：物體在黑暗環(huán)境中隨其溫度的變化會發(fā)射具有不同強度和波長的紅外線。紅外攝像機能夠接收到來自物體不同部位的不同強度和波長的紅外線，從而產(chǎn)生不同強度的電信號，最后被還原成可視圖像。

第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.2熱釋電材料第20頁/共62頁(a)熱釋電紅外成像焦平面的局部放大，第一像素的面積為19m×16m；(b)用熱釋電紅外成像系統(tǒng)攝取的紅外光圖像。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.2熱釋電材料第21頁/共62頁第三節(jié)光電材料一、光電導(dǎo)材料光電導(dǎo)材料是指具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料，又稱內(nèi)光電效應(yīng)材料、光敏材料。光電導(dǎo)材料是制造光電導(dǎo)探測器的重要材料。光電導(dǎo)材料的主要特性

1.積分靈敏度S

光電導(dǎo)材料的積分靈敏度代表了光電導(dǎo)產(chǎn)生的靈敏度，即單位光入射通量產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化的大?。骸妼?dǎo)率；—光入射通量。

積分靈敏度代表了光電導(dǎo)產(chǎn)生的靈敏度。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.3光電材料第22頁/共62頁2.“紅限”或長波限產(chǎn)生光電導(dǎo)的波長上限。并非任何波長的光照射在某種材料上時都會導(dǎo)致其電導(dǎo)率的變化，只有當(dāng)入射光子的能量（與波長或頻率有關(guān)）足夠大時，才能把材料價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光生載流子。

3.光譜靈敏度又稱光譜響應(yīng)度，用

-曲線表示，它反映光電導(dǎo)材料對不同波長的光的響應(yīng)。

4.靈敏閾能夠測出光電導(dǎo)材料產(chǎn)生光電導(dǎo)的最小光輻射量。0.81.21.62.010100相對靈敏度，%波長，m鍺的本征光電導(dǎo)的光譜分布第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.3光電材料第23頁/共62頁

光電導(dǎo)材料

1.光電導(dǎo)半導(dǎo)體（1）單晶體：Ge、Si（2）氧化物：ZnO、PbO

（3）鎘化物：CdS、CdSe，CdTe（4）鉛化物：PbS、PbSe、PbTe（5）其他半導(dǎo)體化合物：Sb2S3、InSb2.光電導(dǎo)陶瓷

CdS陶瓷、CdSe陶瓷等。

3.有機高分子光導(dǎo)體

聚氮乙烯基咔唑與2,4,7-三硝基芴酮組成的傳荷絡(luò)合物。光電導(dǎo)材料的應(yīng)用光電導(dǎo)材料的應(yīng)用基于光生載流子產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，常用來作光敏器件：如光電二極管、光敏三極管、光電導(dǎo)探測器等。

第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.3光電材料第24頁/共62頁二、光電動勢材料光電動勢材料是能夠產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的材料，主要指光電池材料。光電池的主要特性

1.開路電壓V0

開路電壓V0表示的是光電池在開路時的電壓，也就是光電池的最大輸出電壓。

2.短路電流I0

短路電流I0表示的是光電池在外電路短路時的電流，也就是光電池的最大電流。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.3光電材料第25頁/共62頁3.轉(zhuǎn)換效率

表示的是光生電動勢轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)，是光電池的最大輸出功率與入射到光電池結(jié)面上的輻射功率之比：

式中，I

—光電流；E

—光電動勢；

—光入射通量；S

—相關(guān)靈敏度。與禁帶寬度有關(guān)，當(dāng)Eg=0.9～1.5eV時，可獲得最高值。溫度、摻雜濃度及分布以及光強度等對也有影響。

4.光譜響應(yīng)曲線

光譜響應(yīng)曲線是表示V0―、I0―、―的關(guān)系曲線，反映了光電池的幾個重要參量與入射光波長的關(guān)系。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.3光電材料第26頁/共62頁半導(dǎo)體禁帶寬度(eV)轉(zhuǎn)換效率(%)轉(zhuǎn)換效率與禁帶寬度的關(guān)系曲線第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.3光電材料第27頁/共62頁

光電池材料

光電池中最活躍的領(lǐng)域是太陽能電池。太陽能電池是一種利用光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的光電轉(zhuǎn)換器件。

1.硅太陽能電池材料

（1）單晶硅太陽能電池材料優(yōu)點：Eg(約1.1eV)大小適宜，轉(zhuǎn)換效率高(

可達18%)，反射損失小，易摻雜。缺點：價格昂貴，使用壽命不長。

（2）多晶硅太陽能電池材料優(yōu)點：制備工藝簡單，易獲得大尺寸材料。缺點：均勻性不易控制，轉(zhuǎn)換效率低(

約為2～8%)。

對多晶硅進行表面改性，在其表面形成理想的織構(gòu)來增強其對光的吸收，可以將多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高至13.4%。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.3光電材料第28頁/共62頁（3）非晶硅太陽能電池材料優(yōu)點：制備工藝簡單，對雜質(zhì)的敏感性小，可制成大尺寸。缺點：轉(zhuǎn)換效率不高(

約在10%左右)，性能不夠穩(wěn)定。將非晶硅與晶體硅相結(jié)合，制備成非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠有效提高其轉(zhuǎn)換效率（轉(zhuǎn)換效率可達20.7%）。2.化合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池材料特點：①光電轉(zhuǎn)化效率高、轉(zhuǎn)換效率提高空間大。

②耗材少。

化合物電池對陽光吸收系數(shù)大，適合制作薄膜電池。

③品種多，應(yīng)用廣泛。

④抗輻射性好。

適用于空間飛行器電源等特殊應(yīng)用。材料光電轉(zhuǎn)化效率CuIn(Ga)Se218.8%CdTe16%InGaP/GaAs30.28%第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.3光電材料第29頁/共62頁3.陶瓷太陽能電池材料優(yōu)點：制備簡單，成本低。缺點：穩(wěn)定性差。典型材料：CdS陶瓷。

4.金屬－氧化物－半導(dǎo)體(MOS)太陽能電池材料優(yōu)點：轉(zhuǎn)換效率高，

可達20%。缺點：制備工藝復(fù)雜。光電動勢材料的應(yīng)用前景太陽每年射向地表的能量達60億億度，一萬倍于全世界的能耗，但密度低，僅有（1kW/m2），且受自然影響大。目前光電轉(zhuǎn)換材料效率較低，太陽能電池仍只局限于單晶硅材料和薄膜材料、非晶硅材料等幾種，因此有待于進一步的發(fā)展。今后的發(fā)展方向是尋求基于新的轉(zhuǎn)換機理的材料。如美國近年來報道的一種新型材料，效率高達60%，具有極好的應(yīng)用前景。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.3光電材料第30頁/共62頁第四節(jié)電光材料一、電光效應(yīng)

電光效應(yīng)是指在外加電場的作用下，介質(zhì)的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象。電光效應(yīng)的類型

介質(zhì)的折射率與外加電場E之間的關(guān)系：

n＝n0+aE+bE2+…式中，n0—介質(zhì)在E＝0時的折射率；a，b——常數(shù)。

1.一級電光效應(yīng)（泡克耳斯(Pockels)效應(yīng)）

泡克耳斯效應(yīng)是指由一次項aE引起的介質(zhì)折射率變化的現(xiàn)象，即介質(zhì)折射率的變化與外電場強度成正比：n＝n－n0＝aE2.二級電光效應(yīng)（克爾(Kerr)效應(yīng)）克爾效應(yīng)是指由二次項bE2引起的介質(zhì)折射率變化的現(xiàn)象，即介質(zhì)折射率的變化與外電場強度的二次方成正比：n＝n－n0＝bE2

第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.4電光材料第31頁/共62頁入射光異常光(e光)正常光(0光)VP壓電晶體電極電極波克耳斯效應(yīng)入射光異常光(e光)正常光(0光)VP各向同性物質(zhì)電極電極克爾效應(yīng)

電光效應(yīng)的機理介質(zhì)在外電場作用下產(chǎn)生電極化，使其介電常數(shù)發(fā)生變化的結(jié)果。由電學(xué)知識，n2＝/0，因變化導(dǎo)致n的變化，從而出現(xiàn)電光效應(yīng)。

第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.4電光材料第32頁/共62頁二、電光材料的種類電光材料的基本要求①品質(zhì)因子品質(zhì)因子表征電光材料的有效電光效應(yīng)的大小。品質(zhì)因子大，電光材料則具有大的電光系數(shù)和高的折射率。

②光學(xué)均勻性用材料的消光比來衡量器件光學(xué)均勻性。消光比：電光器件關(guān)斷時剩余透過率與打開時最高透過率之比值。好的電光開關(guān)器件要求消光比達80dB以上。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.4電光材料第33頁/共62頁③透明波段電光晶體要求對所用光波透明。為避免雙光子吸收，材料應(yīng)具有低的短波吸收限。吸收常與過渡金屬元素雜質(zhì)以及晶體中的散射顆粒有關(guān)。

④溫度穩(wěn)定性折射率的溫度變化(特別是雙折射率的溫度變化)會造成器件性能的極大變化。

⑤易于獲得大尺寸單晶獲得高光學(xué)質(zhì)量的大尺寸單晶是對材料的重要要求。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.4電光材料第34頁/共62頁

電光材料的種類

1.磷酸二氫鉀(KH2PO4，KDP)型晶體

特點：①光學(xué)均勻性好；

②在0.19～2.58m波段范圍內(nèi)透過率高達95%以上；

③易獲得大尺寸晶體。缺點：易潮解典型晶體：KH2PO4(KDP)、NH4H2PO4(ADP)、KH2AsO4(KDA)。

2.鈣鈦礦ABO3型晶體特點：①具有較強的電光效應(yīng)；

②具有良好的機械性質(zhì)；

③不吸潮。缺點：①不易獲得大尺寸單晶；

②光損傷閾值低。典型晶體：LiNbO3(LN)、LiTaO3(LT)、K(Ta,Nb)O3(KTN)、

BaTiO3(BT)、KTaO3(KT)。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.4電光材料第35頁/共62頁3.閃鋅礦AB型晶體

典型晶體：ZnS、CdS、GaAs、CuCl。特點：①具有較強的電光效應(yīng)；

②兼有壓電和半導(dǎo)體性質(zhì)；如ZnS、CdS、GaAs。

③透過波長范圍寬。如CuCl的透過波長范圍為0.4～20.5m。缺點：難以獲得高質(zhì)量的大尺寸單晶。

4.鎢青銅型晶體特點：光損傷閾值高。缺點：難以生長優(yōu)質(zhì)單晶。典型晶體：Sr0.75Ba0.25Nb2O6(SBN)、K3Li2Nb5O15(KLN)、

Ba2NaNb5O15(BNN)。

第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.4電光材料第36頁/共62頁三、電光材料的應(yīng)用電光調(diào)制器當(dāng)在電光晶體上施加交變調(diào)制信號電壓時，由于電光效應(yīng)，晶體的折射率隨調(diào)制電壓(即信號)而交替變化。此時，若有光波通過晶體，則原來不帶信號的光波則含有了調(diào)制信號的信息。如果是強度受到調(diào)制，稱為電光強度調(diào)制器；如果是位相受到調(diào)制，稱為電光位相調(diào)制器。電光偏轉(zhuǎn)器

電光偏轉(zhuǎn)器是利用晶體的電光效應(yīng)使激光束實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的電光器件。電光偏轉(zhuǎn)器根據(jù)施加電壓形式不同而造成的偏轉(zhuǎn)方式的不同，分為數(shù)字偏轉(zhuǎn)器和連續(xù)偏轉(zhuǎn)器，前者使激光束在特定的間隔位置上離散，后者使光束傳播方向產(chǎn)生連續(xù)偏轉(zhuǎn)而形成光束光點在空間按預(yù)定要求連續(xù)移動。

第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.4電光材料第37頁/共62頁

電光快門從光源發(fā)出的自然光通過起偏片變成縱向振動的平面偏振光，如果電光晶體沒有受外電場的作用，這束偏振光通過晶體時將不發(fā)生振動方向的偏轉(zhuǎn)，即仍是縱向振動的平面偏振光。但檢偏片只允許水平振動的偏振光通過，縱向振動的偏振光不能通過，因而此時沒有光輸出，相當(dāng)于快門關(guān)閉。如果在電光晶體上施加一個電壓，由于電光效應(yīng)使光的振動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，于是開始有光輸出。隨著施加電壓大小的改變，光輸出的大小也在變化。當(dāng)所加電壓調(diào)到某一電壓值使光振動方向偏轉(zhuǎn)到水平方向時，光輸出達到最大，相當(dāng)于快門全部打開。這個電壓稱為半波電壓。起偏片檢偏片電光晶體電光快門工作原理第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.4電光材料第38頁/共62頁第五節(jié)磁光材料磁光材料是指在磁場作用下，入射光經(jīng)過材料時會發(fā)生某些性質(zhì)(如旋光性、折射性、偏振性等)的變化的材料。

一、磁光效應(yīng)

光與磁場中的物質(zhì)，或光與具有自發(fā)磁化特性的物質(zhì)之間相互作用所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象統(tǒng)稱為磁光效應(yīng)。

1.法拉第效應(yīng)法拉第1846年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平面偏振光(直線偏振光)通過帶磁性的物體時，其偏振光面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即呈現(xiàn)旋光性。此現(xiàn)象稱磁光法拉第效應(yīng)，又稱磁致旋光效應(yīng)。法拉第偏轉(zhuǎn)角

：偏振光面的偏轉(zhuǎn)角，與帶磁物體的長度l、磁感應(yīng)強度B有如下關(guān)系：＝V

l

B式中，V——維爾德(Verdet)常數(shù)，與物質(zhì)有關(guān)。9.7磁光法拉第效應(yīng)第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.5磁光材料第39頁/共62頁2.克爾效應(yīng)

克爾發(fā)現(xiàn)，照射到強磁性介質(zhì)表面上的直線偏振光在反射時，其偏振面會隨磁場強度變化而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即呈現(xiàn)旋光性，這一現(xiàn)象稱為磁光克爾效應(yīng)。

法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)的比較：法拉第效應(yīng)是透射光呈旋進性，克爾效應(yīng)是反射光呈旋進性。前者適用于有較好穿透性的物質(zhì)，后者則只能用于入射光不能穿透的物質(zhì)上。9.8磁光克爾效應(yīng)9.9法拉第效應(yīng)與克爾效應(yīng)的比較第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.5磁光材料第40頁/共62頁

3.科頓－蒙頓效應(yīng)在強磁場作用下，一些各向同性的透明磁介質(zhì)會呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，即在與入射光垂直的方向上加上外磁場，則該磁介質(zhì)中的一束入射光會變成兩束出射光——正常光(0光)和異常光

(e光)，這種現(xiàn)象稱為科頓－蒙頓效應(yīng)，又稱磁致雙折射效應(yīng)?？祁D－蒙頓效應(yīng)所產(chǎn)生的雙折射率與磁場強度H的平方成正比，即：

n＝ne－n0＝KH

2

式中，K

——科頓－蒙頓常數(shù)科頓－蒙頓效應(yīng)僅在少數(shù)純液體(如硝基苯)中表現(xiàn)得較明顯，而在一般固體中則不明顯。9.10科頓－蒙頓效應(yīng)第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.5磁光材料第41頁/共62頁二、磁光材料的種類

磁光晶體

1.稀土石榴石分子式：RE3Fe5O12。晶體結(jié)構(gòu)：體心立方晶系。典型材料：釔鐵石榴石(Y3Fe5O12，YIG)。

YIG具有法拉第旋轉(zhuǎn)角

較大、對近中紅外波段透明、物化性能優(yōu)良等特點。在YIG晶體中以Bi3+或Pr3+替代稀土(Y)的位置，能顯著增加

角。

2.釓鎵石榴石

分子式：Gd3Ga5O12，GGG。

GGG不僅是一種重要的磁光晶體，同時還具有激光、超低溫磁致冷性質(zhì)，并可作人造寶石。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.5磁光材料第42頁/共62頁

3.磁光單晶膜實用的磁光單晶膜是在GGG襯底上外延生長的石榴石型鐵氧體單晶膜，具有很大的法拉第旋轉(zhuǎn)角。典型磁光單晶膜：在GGG襯底上外延生長的Y3Fe5O12(YIG)、Bi3Fe5O12、Gd0.2Y2.8Fe5O12、

(BiGd)3Fe5O12、(YLa)3Fe5O12等。

磁光單晶膜是制造小型緊固的光隔離器、磁光存儲器和磁光顯示器的重要材料。

4.其他磁光晶體正尖晶石晶體結(jié)構(gòu)的鐵磁性硫?qū)倩衔顲dCr2S4、CoCrS4：適宜制作1～

10m紅外波段的磁光器件。只能用于液氮溫度以下，應(yīng)用上受限。氟化銪(EuF2)晶體：對可見光透明，是較好的可見光磁光晶體。稀釋的磁性半導(dǎo)體Cd1-xMnxTe：具有很大的維爾德常數(shù)。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.5磁光材料第43頁/共62頁

磁光玻璃優(yōu)點：成本低，易于獲得尺寸大、形狀不同的器件。缺點：磁光系數(shù)較低，對可見光損耗大。

典型材料：

重原子鉛的氧化物玻璃：在可見光和近紅外有低的吸收系數(shù)，其法拉第效應(yīng)品質(zhì)因子較高，是可見光和近紅外波段重要的磁致旋光材料。

砷的三硫化物玻璃：具有半導(dǎo)體特性，可見光波段吸收系數(shù)大，但在紅外波段則有高的品質(zhì)因子，是紅外波段重要的磁致旋光材料。

重原子鋱的硼酸鹽和磷酸鹽玻璃稀土和過渡金屬的非晶態(tài)金屬玻璃薄膜(磁光型存儲介質(zhì)

)

液體材料特點：主要呈現(xiàn)科頓－蒙頓效應(yīng)典型材料：水、丙酮、氯仿、苯。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.5磁光材料第44頁/共62頁三、磁光材料的應(yīng)用

磁光材料應(yīng)用最多的是利用其法拉第旋轉(zhuǎn)，在激光系統(tǒng)中用作快速光開關(guān)、調(diào)制器、循環(huán)器、隔離器等，也是磁光存儲介質(zhì)的重要材料?，F(xiàn)今磁光材料應(yīng)用最實際、最廣泛的是制作光隔離器和磁光光盤。

光隔離器的工作原理：激光束通過起偏鏡成為直線偏振光，經(jīng)磁光晶體后偏振面旋轉(zhuǎn)一角度(如

45)，則可通過與其偏振方向相同的檢偏鏡P2。若此光被反射回來，則再次通過P2和磁光晶體后，又一次旋轉(zhuǎn)45，兩次共旋轉(zhuǎn)90，因此不可能通過P1，從而達到將反射光與激光器隔離開的目的。激光束磁光晶體反射P1P2光隔離器原理圖第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.5磁光材料第45頁/共62頁第六節(jié)熱電材料熱電材料是將熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷墓δ苻D(zhuǎn)換材料，這種熱－電之間的轉(zhuǎn)變基于熱電材料中出現(xiàn)的熱電效應(yīng)、熱電導(dǎo)效應(yīng)等。一、熱電效應(yīng)與熱電材料

熱電效應(yīng)在用不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合電路中，若使其結(jié)合部出現(xiàn)溫度差，則在此閉合電路中將有熱電流流過，或產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。

1.塞貝克效應(yīng)

1812年塞貝克發(fā)現(xiàn)，由a、b兩種導(dǎo)體構(gòu)成電路開路時，如果接點1、2分別保持在不同的溫度T1(低溫)、T2(高溫)

下，則回路內(nèi)將產(chǎn)生電動勢(熱電勢)，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。其熱電勢V正比于接點溫度T1和T2之差：

V＝a(T)·T(T＝T2－T1)

式中，a(T)—塞貝克系數(shù)。塞貝克效應(yīng)第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.6熱電材料第46頁/共62頁2.珀爾帖效應(yīng)

1834年珀爾帖發(fā)現(xiàn)，在熱電回路中，與塞貝克效應(yīng)相反，當(dāng)通電時，在回路中則會在接點1處產(chǎn)生熱量W，而在接點

2處吸收熱量W，產(chǎn)生的熱量正比于流過回路的電流：

W＝abI

式中，ab—珀爾帖系數(shù)，大小取決于兩種導(dǎo)體的種類和環(huán)境溫度。珀爾帖效應(yīng)實質(zhì)上是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)，且塞貝克系數(shù)與珀爾帖系數(shù)有如下關(guān)系：

ab＝a(T)·T

3.湯姆遜效應(yīng)

1856年湯姆遜發(fā)現(xiàn)，在由一種導(dǎo)體構(gòu)成的回路中，如果存在溫度梯度T/x，則當(dāng)通過電流I時，導(dǎo)體中也將出現(xiàn)可逆的熱效應(yīng)，即產(chǎn)生熱的現(xiàn)象，此即湯姆遜效應(yīng)，其熱效應(yīng)由下式?jīng)Q定：Q/x＝(T)·I·(T/x)·t

式中，(T)—湯姆遜系數(shù)，t—通電流的時間。珀爾帖效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.6熱電材料第47頁/共62頁

熱電材料的種類及應(yīng)用熱電材料是指利用其熱電效應(yīng)的材料，有金屬及半導(dǎo)體兩大類：金屬熱電材料：利用塞貝克效應(yīng)制作熱電偶的重要材料。半導(dǎo)體熱電材料：利用塞貝克效應(yīng)、珀爾帖效應(yīng)及湯姆遜效應(yīng)制作熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿霓D(zhuǎn)換器以及反之用電能來作加熱器和制冷器的重要材料。

1.金屬及合金熱電材料①銅－康銅(60%Cu，40%Ni)：適于－200～400C。②鎳鉻(90%Ni，10%Cr)－鎳鋁(95%Ni，5%Al)：適于0～1000C。③鉑(Pt)－鉑銠(13%Rh，87%Pt)：適于0～1500C。④金(Au)－金鐵(0.03%Fe，99.7%Au)：適于＜10K使用。

2.半導(dǎo)體熱電材料

①Bi2Te3：使用溫度200C左右。②PbTe(包括GeTe、AsSbTe2、SnTe)：使用溫度500C左右。③FeSi2、GeSi：使用溫度1000C左右使用。半導(dǎo)體熱電材料的重要應(yīng)用：半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置。

第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.6熱電材料第48頁/共62頁二、熱電導(dǎo)效應(yīng)與熱電導(dǎo)材料

熱電導(dǎo)效應(yīng)

當(dāng)溫度升高時，材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為熱電導(dǎo)效應(yīng)。

1.熱電導(dǎo)材料的主要特性

①電導(dǎo)率溫度系數(shù)

式中，—電導(dǎo)率溫度系數(shù)；

—電導(dǎo)率。

②電阻率溫度系數(shù)式中，—電阻率溫度系數(shù)；

—電阻率。與的關(guān)系：

＝－第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.6熱電材料第49頁/共62頁

③耗散系數(shù)

式中，P—熱電導(dǎo)材料中功率耗散的變化量；Tt

—熱電導(dǎo)材料的溫度；

T0—周圍介質(zhì)的溫度。

的物理意義：熱電導(dǎo)材料中功率耗散的變化量與其溫度變化量之比。耗散系數(shù)表征熱電導(dǎo)材料與周圍媒介進行熱交換的能力。

④功率靈敏度

式中，—電阻率溫度系數(shù)；C—材料的熱容。的物理意義：降低熱電導(dǎo)材料的電阻率的1/100所需的功(率)值。

⑤靈敏閾值

可測出電阻變化的最小(熱值)功，其數(shù)量級在10－9W左右。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.6熱電材料第50頁/共62頁

熱電導(dǎo)材料的種類及應(yīng)用

熱電導(dǎo)材料最重要的應(yīng)用是制造熱敏電阻，因此又稱熱敏材料或溫敏材料。熱電導(dǎo)材料是重要的傳感器材料。

1.正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻材料

PTC－PositiveTemperatureCoefficient典型材料：

摻雜BaTiO3陶瓷特點：①BaTiO3的PTC效應(yīng)與其鐵電性相關(guān)，其電阻率突變與居里溫度Tc相對應(yīng)。②單晶BaTiO3不具有PTC效應(yīng)。僅晶粒充分半導(dǎo)化、晶界具有適當(dāng)絕緣性的BaTiO3陶瓷才具有PTC效應(yīng)。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.6熱電材料第51頁/共62頁改性措施：①加入Nb2O5，可獲得高電導(dǎo)率的N型半導(dǎo)體。

②加入SrCO3使Tc向低溫移動，加入Pb使Tc向高溫移動。

③添加SiO2、Al2O3、TiO2形成玻璃相，容納有害雜質(zhì)，促進半導(dǎo)化，抑制晶粒長大。④添加MnO2提高電阻率和電阻溫度系數(shù)。⑤添加Sb2O3或Bi2O3細化晶粒。⑥添加Li2CO3加大PTC溫區(qū)內(nèi)的電阻率變化范圍。⑦加入Ca可控制晶粒生長，提高電阻率。應(yīng)用：

溫度控制、液面控制、彩色電視消磁、馬達起動器、等溫發(fā)熱體等。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.6熱電材料第52頁/共62頁

2.負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻材料

典型材料：

尖晶石型過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷①MnO-CoO-O2系陶瓷

含錳量23～60%，主晶相是立方尖晶石MnCo2O4和四方尖晶石CoMn2O4，主要導(dǎo)電相是MnCo2O4。這一系列陶瓷的熱敏電阻常數(shù)和電阻溫度系數(shù)比MnO-CuO-O2和MnO-NiO-O2系高。②MnO-CuO-O2系陶瓷

含錳量60～90%，主晶相和導(dǎo)電相是CuMn2O4。該系陶瓷的電阻值范圍較寬，溫度系數(shù)較穩(wěn)定，但電導(dǎo)率對成分偏離敏感，重復(fù)性差。③MnO-NiO-O2系陶瓷

主晶相是NiMn2O4，電導(dǎo)率和熱敏電阻常數(shù)值較窄，但電導(dǎo)率穩(wěn)定。應(yīng)用：

通訊及線路中的溫度補償、控溫和測溫傳感器等。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.6熱電材料第53頁/共62頁

3、臨界溫度電阻(CTR)材料臨界溫度電阻：電阻在某特定溫度范圍內(nèi)急劇變化。典型材料：

以V2O5為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體陶瓷材料

常用MgO、CaO、SrO、BaO、B2O3、P2O5、SiO2、GeO2、NiO、WO3、MoO3

或La2O3等摻雜來改善性能。通過對V2O5的適當(dāng)處理，可制得四價V4+離子

存在的VO2陶瓷。特點：①VO2基陶瓷在67C左右電阻率突變，降低3～4個數(shù)量級。②VO2的CTR特性同相變有關(guān)。

在67C以上，VO2為四方晶系的金紅石結(jié)構(gòu)，在67C以下，晶格發(fā)生畸變，轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡苯Y(jié)構(gòu)，使原處于金紅石結(jié)構(gòu)中氧八面體中心的V4+離子的晶體場發(fā)生變化，導(dǎo)致V4+的3d層產(chǎn)生分裂，導(dǎo)電性突變。應(yīng)用：

具有開關(guān)特性，用于溫度控制、火災(zāi)報警和過熱保護等。第五章功能轉(zhuǎn)換材料

－§5.6熱電材料第54頁/共62頁第七節(jié)聲光材料一、聲光效應(yīng)聲波作用于某些物質(zhì)之后，使該物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變的現(xiàn)象。聲光效應(yīng)的機理

在各種聲波中，超聲波引起的聲光效應(yīng)尤為顯著。超聲波是機械波，當(dāng)作用在物