1、第七章第七章 新型功能材料新型功能材料第一節 光學功能材料第二節 電功能材料第三節 功能轉換材料7.1 光學光學功能材料功能材料7.1.1 激光材料激光材料 自第一臺激光器誕生后，激光技術便成為一門新興科學發展起來，并且激光的出現又大大促進了光學材料的發展。1、激光的產生及特點、激光的產生及特點 當激光工作物質的粒子(原子或分子)吸收了外來的能量后，就要從基態躍遷到不穩定的高能態，很快無輻射躍遷到一個亞穩態能級。當亞穩態粒子數大于基態粒子數時，即實現粒子數反轉分布，粒子就要跌落到基態并放出新的光子。這樣便起到了放大作用。如果光的放大在一個光諧腔內反復作用，便構成光振蕩，并發出強大的激光。激光具

2、有下列特點：激光具有下列特點： (1)相干性好，所有發射的光具有相同的相位。 (2)單色性好：因為光學共振腔被調諧到某一特定頻率后，其它頻率的光受到相消干涉。 (3)方向性好：光腔中不調制的偏離軸向的輻射經過幾次反射后被逸散掉。 (4)亮度高：激光脈沖有巨大的亮度，激光焦點處的輻射亮度比普通光強108 1010倍。2、常用激光材料、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。(1)激光晶體材料激光晶體材料 激光晶體材料按晶體的組成分類可分為摻雜型激光晶體和自激活激光晶體兩類。 摻雜型激光晶體摻雜型激光晶體 摻雜型激光晶體由激活離子和基質晶體兩部分組成。激活離子激活離子：現有的激

3、活離子主要有四類，分別是過渡族金屬離子、三價稀土離子、二價稀土離子和錒系離子，常用的主要為前兩類?；|晶體：基質晶體：它們是氧化物和復合氧化物、含氧金屬酸化合物及氟化物和復合氟化物三大類。 當激活離子成為基質的一種組分時，就形成了所謂的自激自激活晶體?；罹w。(2)激光玻璃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，并得到了迅速的發展。激活離子激活離子在激光玻璃中激活離子是以Nd3+離子為代表的三價稀土離子。基質玻璃基質玻璃玻璃中最早的激光輸出是由在摻釹、鋇的玻璃中實現的。7.1.2 紅外材料紅外材料 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。1、紅外輻射材料

4、、紅外輻射材料 紅外輻射材料可分為熱型、“發光”型和熱“發光”混合型三類。紅外加熱技術主要采用熱型紅外輻射材料。(1)紅外輻射材料的輻射特性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射率。根據不同的情況，發射率可分為以下幾種： 材料本身結構對其發射率的影響材料本身結構對其發射率的影響 一般說金屬導電體的值較小，電介質材料的值較高。這往往與材料的晶體結構有關。材料的發射率隨輻射波長的變化材料的發射率隨輻射波長的變化 多數紅外輻射材料其發射紅外線的性能，在短波主要與電子在價帶至導帶間的躍遷有關；在長波段主要與晶格振動有關。晶格振動頻率取決于晶體結構、組成晶體的元素的原子量及

5、化學鍵特性。 原材料預處理工藝對發射率的影響原材料預處理工藝對發射率的影響 同一種原材料因預處理工藝不同而有不同的發射率值。經700空氣氣氛處理與1400煤氣氣氛處理的氧化鈦的常溫發射率分別為0.81和0.86。 發射率與溫度的關系發射率與溫度的關系 溫度影響材料的發射率。電介質材料的發射率較金屬大的多，有些隨溫度升高而降低，有些隨溫度的升高而有復雜的變化。 發射率受材料表面狀態的影響發射率受材料表面狀態的影響 一般來說，材料表面愈粗糙，其發射率愈大。紅外線在金屬表面上的反射性能與紅外線波長對表面不平整度的相對大小有關，與金屬表面上的化學特征和物理特征無關。 材料的體因素對發射率的影響材料的體

6、因素對發射率的影響 材料的體因素包括材料的厚度、填料的粒徑和含量等等。對某些材料，如紅外線透明材料或半透明的材料，其發射率值還與其體因素有關，原因是紅外線能量在傳播過程中被材料吸收所致。 材料的發射率隨工作時間而變化材料的發射率隨工作時間而變化 在工作條件下，由于與環境介質發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，將使材料的發射率改變。(2)紅外輻射紅外輻射材料的應用材料的應用紅外輻射材料在熱能利用方面可用作紅外加熱、耐火材料等。紅外加熱與干燥是指利用熱輻射所發射出來的紅外線，照射到物體上并被吸收后轉換成熱能，從而達到加熱、干燥的目的。高發射率紅外輻射涂層屬于不定形耐火材料中的

7、一種，一般被涂于加熱爐的爐襯耐火磚或耐火纖維氈的表面，也可涂于測溫套管、燒嘴磚等表面，將十分有利于熱能的利用。 在航天領域，航天器用紅外輻射涂層是一種高溫高發射率涂層，涂在航天器蒙皮表面上作為輻射防熱結構。(3) 用于用于軍事目的軍事目的 防紅外偽裝涂層防紅外偽裝涂層 紅外偽裝的最基本原理是降低和消除目標和背景的輻射差別，以降低目標被發現和識別的可能性。 紅外誘鉺器紅外誘鉺器 紅外誘鉺器作為對付紅外制導導彈的一種對抗手段，正受到重視。選擇不同輻射頻率的材料做成的紅外誘鉺器可以模擬各種武器裝備的紅外輻射特征，更好地發揮紅外誘鉺假目標的作用。2. 透透紅外材料紅外材料(1) 透透紅外材料的性質紅外

8、材料的性質 透紅外材料指的是對紅外線透過率高的材料。對透紅外材料的要求，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) 透透紅外材料的種類紅外材料的種類 目前實用的光學材料只有二三十種，可以分為晶體、玻璃、透明陶瓷、塑料等。 單晶體主要有鍺、硅半導體作為紅外光學材料。硅在力學性能和抗熱沖擊性上比鍺好得多，溫度影響也小，但硅的折射率高，使用時需鍍增透膜，以減少反射損失。另一類單晶體是離子晶體-堿或堿土金屬鹵化物。 紅外光學玻璃主要有以下幾種：硅酸鹽玻璃、鋁酸鹽玻璃、鎵酸鹽玻璃、硫屬化合物玻璃。 氧化鋁透明陶瓷不只是透過近紅外，而且還可以透過可見光。稀有金屬氧化物陶瓷是一類耐高溫的紅

9、外光學材料，其中的代表是氧化釔透明陶瓷。 塑料也是紅外光學材料，但近紅外性能不如其他材料，故多被用于遠紅外。(3) 透紅外材料的應用透紅外材料的應用 透紅外材料是用來制造紅外光學儀器透鏡、調制盤、整流罩等不可缺少的材料。7.1.3 發光發光材料材料 發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象。發光材料品種很多，按激發方式或分為：光致發光材料、電致發光材料、陰極射線發光材料、熱致發光材料、等離子發光材料。1、材料的發光機理分立中心發光發光材料的發光中心受激后，激發和發射過程發生在彼此獨立的、個別的發光中心內部的發光就叫做分立中心發光。它是單分子過程。復合發光 發光材料受

10、激發時分離出一對帶異號電荷的粒子，一般為正離子和電子，這兩種粒子在復合時便發光，即復合發光。2.發光材料的發光特征發光材料的發光特征顏色特征：材料的發光光譜可分為三種類型，寬帶(100nm，如CaWO4) ；窄帶(50nm)；線譜(0.1nm)強度特征：發光強度隨激發強度而變，通常我們用發光效率來表征材料的發光本領。發光效率有三種表示方法：量子效率、能量效率及光度效率；(1) 持續時間特征：最初發光分為熒光及磷光兩種。熒光是指在激發時發光，磷光是指激發停止后發出的光。以時間108s區分這兩種光。3.發光材料發光材料 光致發光材料光致發光材料 用紫外光、可見光及紅外光激發發光材料而產生發光的現象

11、稱為光致發光，相應的這種材料便被稱為光致發光材料。一般可分為熒光材料和磷光材料兩種。 熒光材料主要是以苯環為基的芳香族化合物和雜環化合物。 具有缺陷的某些復雜的無機晶體物質，在光激發時和光激發停止后一定時間內能夠發光，這些晶體稱為磷光材料。 光致發光材料主要用于顯示、顯像、照明和日常生活中。如洗滌增白劑、熒光涂料等屬于熒光材料。而一些燈用熒光粉材料都屬于磷光材料。總的來說，磷光材料比熒光材料的應用更為普遍。(2) 電致發光材料電致發光材料電致發光材料是指在直流或交流電場作用下，依靠電流和電場的激發使材料發光的現象。電致發光材料是禁帶寬度比較大的半導體。在這些半導體內場致發光的微觀過程主要是碰撞

12、激發或離化雜質中心。電致發光材料主要用途是制造電致發光顯示器件。交流粉末電致發光顯示板除了作照明板使用外，主要用作大面積顯示。 射線致發光材料射線致發光材料射線致發光材料可分為陰極射線致發光材料和放射線致發光材料兩種。陰極射線致發光是由電子束轟擊發光物質而引起的發光現象。放射線致發光是由高能的射線，或光射線轟擊發光物質而引起的發光現象。 等離子發光材料等離子發光材料等離子體是高度電離化的多種粒子存在的空間，其中帶電粒子有電子、正離子、不帶電的粒子有氣體原子、分子、受激原子、亞穩原子等。等離子體發光材料的主要應用是制作等離子體發光顯示屏，是目前顯示技術中很受重視的顯示方式之一。等離子體發光顯示屏

13、又分為交流驅動及直流驅動兩種。其中等離子體具有以下特征：其中等離子體具有以下特征：氣體高度電離。極限情況時所有中性粒子都被電離了。具有很大的帶電粒子濃度，由于帶正電與帶負電的粒子濃度接近相等，等離子體具有良好的導體特性。等離子體具有電振蕩的特性。在帶電粒子穿過等離子體時，能夠產生等離子基元，等離子基元的能量是量子化的。等離子體具有加熱氣體的特性。在高氣壓收縮等離子體內，氣體可被加熱到數萬度。在穩定情況下，氣體放電等離子體中的電場相當弱，并且電子與氣體原子進行著頻繁的碰撞，因此氣體在等離子體中的運動可看作是熱運動。除了上述發光材料外，熱致發光材料的發現和使用最早，目前常用的材料如鎢絲，主要用于白

14、熾燈中，但是隨著對光源亮度、發光效率、顏色等各種性能要求的不斷提高，鎢絲等熱致發光材料逐漸為上述幾種發光材料所取代。7.2 電電功能材料功能材料7.2.1 半導體材料半導體材料1、半導體的導電機理半導體的導電機理 半導體的導電來源于電子和空穴的運動，電子和空穴都是半導體中導電的載流子。激發既可以是熱激發，也可以是非熱激發，通過激發，半導體中產生載流子，從而導電。2. 半導體的分類半導體的分類 按成分可分為元素半導體和化合物半導體。元素半導體又可分為本征半導體和雜質半導體?；衔锇雽w又可分為合金、化合物、陶瓷和有機高分子四種半導體。 按摻雜原子的價電子數可分為施主型和受主型，前者摻雜原子的價電

15、子多于純元素的價電子，后者正好相反。 按晶態分為結晶、微晶和非晶半導體。 此外，還有按半導體能帶結構和電子躍遷狀態來分類的。3. 半導體材料半導體材料 本節我們就晶態半導體，半導體微結構材料，非晶態半導體及半導體陶瓷分別作一下介紹。 晶態半導體晶態半導體從原子間鍵合的觀點看，它們往往是共價鍵合。下面分別介紹元素半導體、化合物半導體和高溫半導體。元素半導體元素半導體一般從下列元素中考察元素半導體：C、Si、Ge、-Sn、P、As、Te、I等。但C (石墨)、Bi、As、Sb與其說是半導體，不如稱之為半金屬，P、S及I稱作絕緣體更合適。 化合物半導體化合物半導體 由于半導體多成共價鍵結合，而周期表

16、中A族和A族元素通常結合成為很強的離子型晶體，為具有NaCl型或者CsCl型晶體結構的絕緣體。A族和A族也較多地形成離子性強的NaCl型化合物，而族A族和A族形成的化合物離子性減小。高溫半導體高溫半導體 目前廣泛使用的半導體硅器件，工作溫度大多不超過200，因此在高溫工作時，產生和耗散的熱量無法達到平衡，在半導體器件內產生了不可恢復的破壞。但軍事工業、飛機發動機和宇航等產業要求研制可在500600溫度范圍內工作的電子器件。因此，高溫半導體的研究便開始了。(2) 半導體微結構材料半導體微結構材料 半導體異質結、超晶格和量子阱材料統稱為半導體微結構材料。由兩種不同半導體材料所組成的結，稱為異質結。

17、兩種或兩種以上不同材料的薄層周期性地交替生長，構成超晶格。當兩個同樣的異質結背對背接起來，構成一個量子阱。 非晶態半導體非晶態半導體 非晶態半導體根據其結構可分為共價鍵非晶半導體和離子鍵非晶半導體。 共價鍵非晶半導體有3種類型：四面體非晶半導體，如Si、SiC等；“鏈狀”非晶半導體，如S、Se、As2S3等；交鏈網絡非晶半導體，它們是由上述兩類非晶半導體結合而成的，后丙類都含有S,Se或Te，所以被稱為硫系化合物。離子鍵非晶半導體主要是氧化物玻璃。(4) 半導體陶瓷半導體陶瓷 半導體陶瓷是指導電性介于導電陶瓷和絕緣介質陶瓷之間的一類材料，其電阻率介于10-410-7之間。一般是由一種或數種金屬

18、氧化物。彩陶瓷制備工藝制成的多晶半導體材料。這種材料的基本特征是具有半導體性質。且多半用于敏感元件，因此也稱半導體陶瓷為第三陶瓷。 目前實用的半導體陶瓷可分為以下三種： 主要利用晶體本身性質：主要利用晶體本身性質：負溫度系數熱敏電阻、高溫熱敏電阻、氧化傳感器。主要利用晶界和晶粒析出相性質的：主要利用晶界和晶粒析出相性質的：正溫度系數熱敏電阻、ZnO系壓敏電阻。 主要利用表面性質的：主要利用表面性質的：各種氧化傳感器、溫度傳感器。7.2.2 超導性和超導材料超導性和超導材料 1911年荷蘭物理學家翁奈在研究水銀低溫電阻時首先發現了超導現象。后來又陸續發現了一些金屬、合金和化合物在低溫時電阻也變為

19、零，即具有超導現象。物質在超低溫下，失去電阻的性質稱為超導電性；相應的具有這種性質的物質就稱這超導體。超導體在電阻消失前的狀態稱為常導狀態；電阻消失后狀態稱為超導狀態。1.超導體的基本物理性質超導體的基本物理性質 零電阻現象零電阻現象超導體的零電阻現象與常導體零電阻在實質上截然不同。常導體的零電阻是指在理想的金屬晶體中，由于電子運動暢通無阻，因此沒有電阻；而超導體零電阻是指當溫度降至某一數值Tc或以下時，其電阻突然變為零。電阻率與溫度T的關系見圖(2) 完全抗磁性完全抗磁性 1933年邁斯納和奧爾德首次發現了超導體具有完全抗磁性的特點。把錫單晶球超導體在磁場(HHc)中冷卻，在達到臨界溫度Tc

20、以下時，超導體內的磁通線一下子被排斥出去；或者先把超導體冷卻至Tc以下，再通以磁場，這時磁通線也被排斥出動；如圖所示。即在超導狀態下，超導體內磁感應強度B=0.這就是邁斯納效應。2. 超導體的臨界參數超導體的臨界參數 超導體有三個基本的臨界參數，即臨界溫度Tc，臨界Hc、臨界電流Ac。(1)臨界溫度臨界溫度Tc 超導體從常導態轉變為超導態的溫度就叫做臨界溫度，以Tc表示。 臨界磁場臨界磁場Hc 使超導態的物質由超導態轉變為常導態時所需的最小磁場強度，叫做臨界磁場，以Hc。臨界電流臨界電流Ic 破壞超導電性所需的最小極限電流就是臨界電流，以Ic表示。三個臨界參數的關系三個臨界參數的關系 三個臨界

21、值的關系可用圖中的曲面表示。在臨界面以下的狀態為超導態，其余均為常導態3. 超導超導機理機理 當前在闡明超導機理的幾種理論中，二流體模型是較有說服力的，較為流行的一種。二流體模型認為：超導體處于超導態時，傳導電子分為兩部分，一部分叫常導電子，另一部分叫超流電子，兩種電子占據同一體積，彼此獨立運動，在空間上互相滲透；常導電子的導電規律與常規導體一樣，受晶格振動而散射，因而產生電阻，對熱力學熵有貢獻；超流電子處于某種凝聚狀態，不受晶格振動而散射，對熵無貢獻，其電阻為零，它在晶格中無阻地流動。這兩種電子的相對數目與溫度有關，TTc時，沒有凝聚；T=Tc時，開始凝聚；T=0時，超流電子成分占100%。

22、 上面即為二流體模型的理論觀點。它很好的解釋了超導體在超導狀態時零電阻現象。4. 超導材料的種類超導材料的種類 按成分分為：元素超導體、合金和化合物超導體，有機高分子超導體三類。按Meissner效應分為：(1) 第一類超導體第一類超導體 超導體在磁場中有一同的規律，如圖a所示：當HHc 時，B=H，即在超導態內能完全排除外磁場，且只有一個值。除釩、鈮、釕外，元素超導體都是第一類超導體。(2) 第二類超導體第二類超導體 如圖b所示，第二類超導體的特點是：當HHc1時，B=0，排斥外磁場。當Hc1H0而BHc2時，B= H ，磁場完全穿透。也就是在超導態和正常態之間有一種混合態存在，Hc有兩個值

23、Hc1和Hc2 。釩、鈮、釕及大多數合金或化合物超導體都是屬于第二類導體。5. 超導材料的性能超導材料的性能 超導材料的種類很多，大致可分為低溫超導體、高溫超導體、非晶超導材料、復合超導材料、重費米超導體、有機超導材料。(1)低溫超導材料：低溫超導材料：這種材料的超導轉變溫度較低，大約在30K以下。具體又可分為元素超導體、合金超導體、化合物超導體三種。(2)高溫超導材料：高溫超導材料：這種材料大多具有較高的臨界轉變溫度，超過了77K，可在液氮的溫度下工作。它們大多為氧化物陶瓷，首先開發的氧化物超導體是釔系氧化物YBa2Cu3O7-(YBCuO)超導體，隨后開發的是鉍系氧化物超導體和鉈系氧化物超

24、導體。少數的非氧化物高溫超導體主要是C60化合物。(3)非晶超導材料：非晶超導材料：非晶態超導體的研究始于20世紀50年代。非晶超導材料主要包括非晶態簡單金屬及其合金和非晶態過渡金屬及其合金。(4) 復合超導材料：復合超導材料：由許多超導線(或帶)與良導體復合可得復合超導材料。它的優點是：可承載更大的電流，減少退化效應，增加超導的穩定性，提高機械強度和超導性能。(5)重費米子超導體：重費米子超導體：重費米子超導體是20世紀70年代發現的，這類超導體的比熱測量顯示其低溫電子比熱系數非常大，是普通金屬的幾百甚至幾千倍，由此被稱為重費米子超導體。(6)有機超導材料：有機超導材料：有機材料與無機材料相

25、比，其最大的優點是質量輕，且十分容易進行分子水平上的剪裁與設計。這些優越條件使得有機超導體具有重要的應用價值。7.超導材料的應用超導材料的應用 在超導材料應用中，一般分為低溫超導材料和高溫超導材料應用兩大方面。(1)低溫超導材料的應用低溫超導材料的應用 低溫超導材料的應用分為：強電應用，主要包括超導在強磁場中的應用和大電流輸送；弱電應用，主要包括超導電性在微電子學和精密測量等方面的應用。(2)高溫超導體材料的應用與進展高溫超導體材料的應用與進展 目前高溫超導材料大量應用在磁體、電子器件、電力等方面。但仍有許多材料和技術方面的問題需要解決。在材料方面，主要是要求超導體應有較高的臨界溫度和臨界電流

26、。7.2.3 熱電材料熱電材料w熱電效應熱電效應w賽貝克賽貝克(seebeck)效應效應w 當兩種不同金屬接觸時，它們之間會產生接觸電位差。如果兩種不同金屬形成一個回路時，兩個接頭的溫度不同，則由于該接頭的接觸電位不同，電路中會存在一個電動勢，因而有電流通過。電流與熱流之間有交互作用存在，其溫度梯度不但可以產生熱流，還可以產生電流，這是一種熱電效應，稱為賽貝克效應，其所形成的電動勢，稱為賽貝克電動勢。(2) 珀耳帖珀耳帖(Peltier)效應效應 在賽貝克效應發現后不久，珀耳帖發現賽貝克效應的逆效應，即當兩種金屬通過兩個接點組成一回路并通以電流時，會使得一個接頭發熱而使另一個接頭致冷，這就是珀

27、耳帖效應。由此效應而產生的熱稱為珀耳帖熱，其數值大小既取決于兩種材料的性質，也與通過的電流成正比，即QAB=ABI，式中為材料A和B間的相對珀耳帖系數。通常規定，電流由A流向B時有熱吸收的，珀耳帖系數為正；反之為負。(3)湯姆遜湯姆遜(Thomson)效應效應 湯姆遜效應是基于賽貝克效應和珀耳帖效應而發現的第三個熱電效應。湯姆遜發現，只考慮兩個接頭處發生的效應是不完全的，還必需同時考慮沿單根金屬線由于其兩端溫度差而產生的時勢。2.熱電材料及其應用熱電材料及其應用 合金熱電材料是最重要的熱電材料之一，根據賽貝克效應的原理，被廣泛地應用在測量溫度方面，這便是我們熟知的熱電偶。此外，熱電效應還被廣泛

28、地應用于加熱(熱泵)、制冷和發電等方面。7.2.4 壓電材料w壓電效應與逆壓電效應 壓電材料是實現機械能與電能相互轉變的工作物質。這是一類具有很大潛力的功能材料。當壓電材料受到機械應力時，會引起電極化，其極化值與機械應力成正比，其符號則取決于力的方向，這種現象稱為正壓電效應；反過來，材料在電場作用下，產生一個在數量上與電場強度成正比的應變，這種現象稱為逆壓電效應。2. 壓電壓電材料及其應用材料及其應用 常用的壓電材料有石英(SiO2)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鈮酸鋰(LiNbO3)等單晶和鈣鈦礦型的壓電陶瓷，這種陶瓷是鈦酸鋇、鈦酸鉛(PbTiO3)、鋯鈦酸鉛(Pb(ZrxTi1-x)O3，簡寫

29、為PZT等的多晶材料，其成分可根據應用的要求進行配料。 壓電材料的應用很廣，首先是利用它的換能特性，即將電能轉變為機械能或將機械能轉變為電能 ；其次是壓電晶體的諧振特性。 壓電效應除了利用換能作用外，還有另一類重要的應用，即利用壓電晶體的諧振特性。例如石英晶體存在一個固有的諧振頻率，當給壓電晶體輸入一個電信號時，如果電信號的頻率與壓電晶體的諧振頻率相等，壓電晶體會產生強的機械振動，這種機械振動又使壓電晶體輸出強的電信號。由于石英晶體的諧振頻率極為穩定，可用以設計制造報時準確的石英電子表。7.2.5 鐵電材料鐵電材料1. 鐵電材料的結構和性質鐵電材料的結構和性質一般的電介質只有在電場作用下才能電

30、極化，但有一類電介質具有自發極化，而且它的自發極化方向能隨電場的作用而轉向， 這一類電介質稱為鐵電體。 晶體自發極化的性質起源于晶體中原子的有序排列，出現正負電荷的重心沿某一方向發生相對位移，整個晶體在該方向上呈現極性，一端為正，一端為負，使晶體自發地出現極化現象。自發極化晶體的極化狀態，將隨溫度的改變而變化，這種性質稱為熱電性。熱電性是所有呈現自發極化的晶體的共性。具有熱電性的晶體稱為熱電體。 鐵電材料對電信號表現出高介電常數，對溫度改變表現出大的熱釋電響應，在應力或聲波作用下，具有強的壓電效應和聲光效應。在強電場作用下，具有顯著的電光效應。另外鐵電材料在強光輻射下，電子被激發引起自發極化的

31、變化，從而出現許多新的現象，如光折變效應等。鐵電材料具有的這些性質，已為它的應用開辟了廣闊的前景。7.3 功能功能轉換材料轉換材料7.3.1 光電轉換材料光電轉換材料1.物質由于受到光照而引發其某些電性質變化的這一現象稱為光電效應。光電效應主要有光電導效應、光生伏特效應和光電子發射效應三種。 光電導效應 光電效應 光生伏特效應 光電子發射效應-外光電效應(發生于金屬中)內光電效應(發生于半導體中)(1) 光電導效應光電導效應 物質在受到光照射作用時，電導率發生變體的現象，稱為光電導效應。產生這種效應的原因在于材料吸收光子后，其中的載流子濃度發生了改變。(2) (2) 光生伏特效光生伏特效應應

32、如果光照射到半導體的p-n結上，則在p-n結兩端會出現電勢差，p區為正極，n區為負極。這一電勢差可以用高內阻的電壓表測量出來，這種效應稱為光生伏特效應。 利用光生伏特效應原理不僅可以制作探測光信號的光電轉換元件，還可以制造光電池-太陽能電池。(3) 光電發射效應光電發射效應 當金屬或半導體受到照射時，其表面和體內的電子因吸收光子能量而被激發，如果被激發的電子具有足夠的能量，足以克服表面勢壘而從表面離開，就會產生了光電子發射效應。利用光電發射效應可制成光電發射管。2. 光電材料光電材料w光光電子發射材料電子發射材料w 光電子發射材料又稱之為外光電效應材料。當光照射到材料上，光被材料吸收產生發射電

33、子的現象稱為光電子發射現象。具有這種現象的材料稱為光電子發射材料。光電子發射現象是光電子能量轉換的結果。w 光電子發射材料分為正電子親和勢陰極材料和負電子親和勢熱陰極材料兩類。w 利用光電子發射原理，可以把光電子發射材料做成光電子陰極，這種光電子發射陰極通過電場并配以熒光屏成像就可以制成光電轉換器微光管，光電倍增管，高靈敏度電視攝像管，圖像倍增管等(2) 光電導光電導材料材料 受光照射電導急劇上升的現象被稱為光電導現象。具有此現象的材料稱為光電導材料。 積分靈敏度：光電導材料的積分靈敏度是單位光入射能量產生的電導率的附加值的大小。 “紅限”或長波限：由于光電導不存在明顯的長波限，所以規定光電導

34、數值降到最大值一半的波長為長波限“紅限”。其代表產生光電導的波長上限。 光譜靈敏度：用光譜曲線表示光譜靈敏度。 靈敏度表示能夠測出該材料光電導的最小光輻射量稱為靈敏度。光電導材料分分為三類：光電導材料分分為三類：光電導半導體：光電導半導體：包括單體(Ge,Si)，氧化物(ZnO,PbO)，鎘化物(CdS,CdSe,CdTe)，鉛化物(PbS,PbSe,PbTe)，其它(Sd2S3,InSd)等；光電導陶瓷：光電導陶瓷：CdS陶瓷、CdSe陶瓷等都是光電導陶瓷；有機高分子光導體：有機高分子光導體：如聚氮乙烯咔唑和2，4，7-三硝基芴酮組成的傳荷配合物等屬此類； 除上面分類方法外，還可按用途分為遠

35、紅外區光導體，近紅外區光導體，可見區光導體，X射線光導體和電子射線光導體等。 光電導材料主要是應用光生載流子產生光導效應的原理，它常用作光探測的光敏感器件的材料。如作可見光、紅外光的半導體光電導型光敏元件的材料以及半導體光電二極管材料。(3) 光電動勢光電動勢材料材料 光照時p-n結能夠吸收光子，由于光激發而使電子和空穴激發。又由于存在內電場，因此受其作用，空穴將向p區移動而積累，電子向n區移動而積累。從而產生了電勢。 光電池中最活潑的領域是太陽能電池，所用的材料主要有以下幾種： 硅太陽能電池硅太陽能電池 硅太陽能電池是半導體太陽能電池的一種，可分為單晶硅太陽能電池、多晶太陽能電池和非晶硅太陽

36、能電池三種。 薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池 這種電池的優點是質量輕，可制成大面積膜而且還可以彎曲。缺點是工藝復雜，質量不穩定，轉換效率也不夠高。 陶瓷太陽能電池陶瓷太陽能電池 以硫化鎘為主，它的優點是制備簡單，成本低，缺點是穩定性差。3.電光電光材料材料 具有電光效應的材料稱電光材料，按其特征可分為泡克耳斯材料與克爾材料兩種。 電光材料大部分是晶體，它們最重要的用途是用于制造光調制元件及用于光偏轉、可變諧振濾波和電場的測定等方面。 電光效應是最重要的應用是作電光快門，電子快門在激光技術中的重要應用是作為激光器的Q開關，在激光通信、激光顯示、激光雷達以及高速攝影中，Q開關等都有重要的應用。7.3.2 磁光材料磁光材料1.磁光效應磁光效應 置于磁場中的物體，受磁場影響后其光學特性發生變化的現象稱為磁光效應。磁光效應有磁光法拉第效應、磁光克爾效應等。2.磁磁光材料的特點及種類光材料的特點及種類 磁光材料是在可見和紅外波段有磁光效應的光信息功能材料，它的選擇依賴于用途、所需波長、可利用