第七章功能材料第1頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月本章內容7.1光學功能材料7.2電功能材料7.3功能轉換材料第2頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1光學功能材料

7.1.1激光材料1.激光的產生和特點：基態(tài)不穩(wěn)定高能態(tài)亞穩(wěn)態(tài)（壽命長、粒子累積）無輻射躍遷工作物質（原子或分子）泵浦過程（使粒子數(shù)反轉分布）某些粒子跌落于基態(tài)，并激發(fā)其他粒子跌落，一起放出的光在光諧振腔里放大則發(fā)出激光吸收外來能量激光產生的原理第3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的特點：

相干性好發(fā)射的光具有相同相位

單色性純在諧振腔調諧為特定頻率

方向性好偏離調諧軸向的輻射經反射逸散

高亮度光子被同時釋放，具有巨大亮度

激光焦點亮度比普通光高108-1010倍第4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.常用激光材料

激光工作物質分為固體、液體和氣體激光工作物質。固體激光物質最為重要，分為晶體和玻璃兩種。

第5頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）激光玻璃

激光玻璃與激光晶體一起構成了固體激光材料的兩大類，并得到迅速發(fā)展。激光玻璃由激活離子和基質玻璃組成。

激活離子：在激光玻璃中激活離子是以Nd3+為代表的三價稀土離子?；|玻璃：在基質玻璃中，最早的激光輸出是在摻釹鋇冕玻璃中實現(xiàn)的。

第6頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.2紅外材料

紅外材料是指與紅外線的輻射、吸收、透射和探測等相關的一些材料。本節(jié)主要介紹紅外透射和輻射材料。

1.紅外輻射材料：

紅外輻射又稱熱輻射。紅外輻射材料可分為熱型、“發(fā)光型”和熱-“發(fā)光”混合型三類。紅外加熱技術主要采用熱型紅外輻射。第7頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）紅外輻射材料的輻射特性

紅外輻射材料的輻射特性決定于材料的溫度和發(fā)射率。而發(fā)射率是紅外輻射材料的重要特征值。透過反射紅外輻射吸收

其中:

吸收率+反射率+透過率=

1

根據Kirchoff定律:

輻射體的輻射出射度/吸收率=黑體輻射出射度

則吸收率α

=輻射體的輻射出射度/黑體輻射出射度=

ε第8頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月材料發(fā)出輻射是因組成材料的原子、分子或離子體系在不同能量狀態(tài)間躍遷產生的。短波段與其電子躍遷有關，長波段則與其晶格振動特性有關。紅外輻射體的輻射機制是由于分子轉動或振動而伴隨著電偶極矩的變化而產生的輻射。因此，組成材料的元素、化學鍵形式、晶體結構以及晶體中存在缺陷等因素都將對材料的發(fā)射率發(fā)生影響。（a）材料本身結構對其發(fā)射率的影響

一般來說金屬導電體的發(fā)射率值較小，電介質材料的發(fā)射率較高。第9頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（b）材料的發(fā)射率隨輻射波長的變化

多數(shù)紅外輻射材料，在短波段與其電子躍遷有關，長波段則與其晶格振動特性有關。第10頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（c）原材料預處理工藝對發(fā)射率的影響

同一種原材料因預處理工藝條件不同而有不同的發(fā)射串值。例如氧化鈦在空氣700oC和煤氣氛1400oC，其常溫發(fā)射率分別為0.81和0.86。（d）發(fā)射率與溫度的關系

對電介質來說，有些隨溫度升高而升高，有些則降低。（e）發(fā)射率受材料表面狀態(tài)影響一般來說，表面越粗糙，其發(fā)射率值越大。第11頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（f）材料的體因素對發(fā)射率的影響

材料的體因素包括材料的厚度、填料的粒徑和含量等等。對透紅外材料，其發(fā)射率值受到與材料體因素有關的紅外吸收影響。（d）材料的發(fā)射率隨工作時間而變化

在工作條件下，由于與環(huán)境介質發(fā)生相互作用或其他物理化學變化，從而引起成分及結構的變化，使材料的發(fā)射率改變。

第12頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）紅外輻射材料的應用第13頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.透紅外材料：

（1）透紅外材料的性質

透紅外材料是指對紅外線透過率高的材料。對其材料的要求是紅外光譜透過率要高，透過的短波限要低，透過的頻帶要寬。

（2）透紅外材料的種類目前實用的光學材料有二三十種，可以分為晶體、玻璃、透明陶瓷、塑料等。鍺、硅半導體的單晶和堿金屬、堿土金屬鹵化物離子晶體是常用的單晶透紅外材料。紅外光學玻璃主要有：硅酸鹽、鋁酸鹽、鎵酸鹽、硫屬化合物玻璃等。第15頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月

氧化鋁透明陶瓷不只是透過紅外線，也可以透過可見光。稀有金屬氧化物（如氧化釔）陶瓷是一類具有耐高溫性能的透紅外光學材料。

塑料也是紅外光學材料，但近紅外性能不如其他材料，多用于遠紅外。

（3）透紅外光學材料應用透紅外光學材料是用來制造紅外光學透鏡、棱鏡、調整盤、整流罩等不可或缺的材料。第16頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.3發(fā)光材料

發(fā)光是一種物體把吸收的能量，不經過熱的階段，直接轉換為特征輻射的現(xiàn)象。發(fā)光材料種類很多，按激發(fā)方式可分為：光致發(fā)光材料、電致發(fā)光材料、陰極射線致發(fā)光材料、熱致發(fā)光材料、等離子發(fā)光材料。

1.發(fā)光機理（1）分立中心發(fā)光：發(fā)光材料的發(fā)光中心受激后，激發(fā)和發(fā)射過程發(fā)生在彼此獨立的、個別的發(fā)光中心內部的發(fā)光。它是單分子過程，有自發(fā)發(fā)光和受迫發(fā)光兩種。第17頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月自發(fā)發(fā)光：受激發(fā)粒子受內部電場作用從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時的發(fā)光。其特征為，與發(fā)光相應的電子躍遷概率決定于發(fā)射體內部電場，而不受外界影響。受迫發(fā)光：受激發(fā)的電子只有在外界影響下才發(fā)光。其特征是發(fā)射過程分為兩個階段，發(fā)射體存在亞穩(wěn)的受激態(tài)M,其躍遷至基態(tài)是禁阻的，而受迫發(fā)光的第一階段為由熱起伏使電子躍遷到A態(tài)，然后再從A態(tài)躍遷回基態(tài)而發(fā)光。第18頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）復合發(fā)光

發(fā)光材料受激發(fā)時，分離出一對帶異號的電荷的粒子，一般為正離子和電子，這兩種離子在復合時便發(fā)光，既復合發(fā)光。復合發(fā)光過程中存在離子化的帶電粒子的遷移或擴散，構成特征的光電導，也稱為“光電導發(fā)光”。復合發(fā)光過程，可以在一個發(fā)光中心上進行而實現(xiàn)單分子過程，電子在導帶中存在時間很短，是短復合發(fā)光過程；大部分情況是電子脫離原來的發(fā)光中心在其他中心上實現(xiàn)雙分子過程，電子在導帶中時間長，是長復合過程。第19頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.發(fā)光特征第20頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3.發(fā)光材料

（1）光致發(fā)光材料

用紫外線、可見光及紅外線激發(fā)發(fā)光材料而產生發(fā)光的現(xiàn)象稱為光致發(fā)光，相應材料為光致發(fā)光材料。一般分熒光材料和磷光材料兩種。

熒光材料：只有具備共軛鍵系統(tǒng)的分子才能使激發(fā)態(tài)保持相對穩(wěn)定而發(fā)射熒光，因而熒光材料主要是以苯環(huán)為基的芳香族化合物和雜環(huán)化合物。

具有缺陷的某些復雜的無機晶體物質，在光激發(fā)時和光激發(fā)停止后一定時間內能夠發(fā)光，稱為磷光材料。光致發(fā)光主要用于顯示、顯像、照明和日常生活中。第21頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）電致發(fā)光材料第22頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）射線致發(fā)光材料（4）等離子體發(fā)光材料第23頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2電功能材料

7.2.1半導體材料1.半導體的導電機理

半導體價帶中的電子受激發(fā)后從滿價帶躍遷到空導帶中，躍遷電子可以在導帶自由移動，傳導負電荷；同時在滿價帶中留下空穴，在價帶中傳導正電荷。

半導體導電來源于電子和空穴的運動，電子和空穴都是半導體中的載流子。激發(fā)可以是熱激發(fā)，也可以是非熱激發(fā)，通過激發(fā)半導體中產生載流子，從而導電。第24頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導體的分類

按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體。元素半導體又可以分為本征半導體和雜質半導體?；衔锇雽w可分為合金、化合物、陶瓷和有機高分子四種。按照摻雜原子的價電子數(shù)可以分為施主型和受主型，前者摻雜原子的價電子多于純元素價電子，而后者相反。按晶態(tài)分為結晶、微晶、非晶體半導體。第25頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3.半導體材料第26頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.2.2超導材料

1911年荷蘭物理學家Onnes在研究水銀低溫電阻時，首先發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象。

物質在超低溫下，失去電阻的性質為超導電性，相應的物質就稱為超導體。一些金屬、合金和化合物也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其超導現(xiàn)象。因此，超導體存在常導狀態(tài)和超導狀態(tài)。第30頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.超導體的基本物理性質

（1）零電阻現(xiàn)象Tc–臨界溫度超導物質在溫度降低至某一數(shù)值Tc以下，則電阻突然為零。第31頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）完全抗磁性

1933年Meissner和Ochsenfeld首次發(fā)現(xiàn)了超導體具有完全抗磁性的特性。他們將錫單晶球超導體在磁場（H≤Hc）中冷卻，在臨界溫度以下，超導體內的磁通線一下子被排斥出去；先冷卻到臨界溫度以下，再通以磁場，現(xiàn)象一樣。即在超導狀態(tài)下，超導體內磁感應強度B≡0，也就是所謂的Meissner效應。超導態(tài)具有兩大特性：零電阻現(xiàn)象和Meissner效應。第32頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.超導體的臨界參數(shù)第33頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3.超導體的超導機理第35頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月按照材料成分，超導體可分為元素超導體、合金超導體、化合物超導體。按照Meissner效應分為第一類超導體和第二類超導體。4.超導體的種類第36頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.超導體材料的性能第38頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月6.超導體材料的應用第40頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.3熱電材料第41頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.4壓電材料第43頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3功能轉換材料7.3.1光電轉換材料第45頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023