介電和鐵電材料第1頁，課件共34頁，創作于2023年2月第六節壓電材料-1正壓電效應：材料受到應力作用而處于應變狀態時，材料內部會引起電極化和電場，表面出現感應電荷。逆壓電效應：材料受到電場力作用產生電極化時，材料會產生應變。一、正壓電效應和逆壓電效應二、壓電效應的機制無對稱中心的晶體中正負離子的位移引起壓電效應具有反演對稱中心的晶體無壓電效應無反演對稱中心的石英晶體有壓電效應第2頁，課件共34頁，創作于2023年2月第六節壓電材料-2壓電體必須是離子晶體或離子團組成的分子+第3頁，課件共34頁，創作于2023年2月第六節壓電材料-3三、壓電材料主要工程參數1、機械品質因素壓電振子：具有一定取向和形狀的壓電晶片具有固有的機械諧振頻率。當外電場的頻率與其一致時，由于逆壓電效應會產生機械諧振。這種晶片稱壓電振子。壓電振子在諧振子時，會產生內耗，造成機械能損失，反映這種機械能損耗程度的參數為機械品質因數Qm，定義為：Wm為每振動周期內單位體積存貯的機械能；△W為每振動周期內單位體積損耗的機械能Qm與振動模式有關，如壓電振子的形狀、振動的晶體學方向、振動頻率等第4頁，課件共34頁，創作于2023年2月第六節壓電材料-4四、壓電材料種類2、機電耦合系數或科研和工程中最重要的參數，有的材料可達70%以上材料羅息鹽鈦酸鋇PZT水晶介電常數350170012004.5機電耦合系數/%73213010晶體：石英、鈮酸鋰(LiNbO3)、碘酸鋰等半導體：CdS,CdSe,ZnO,ZnS,ZnTe,ZdTe,GaAs,GaSb等壓電陶瓷：BaTiO3,PbTiO3第5頁，課件共34頁，創作于2023年2月第六節壓電材料-5五、壓電材料的應用舉例1、水聲換能器水中聲納=空中雷達2、壓電超聲換能器利用逆壓電效應，在高強度電場下產生高強度超聲波，用于超聲清洗、超聲乳化、超聲粉碎、超聲治療等實現水中電能與聲能的相互轉化3、壓電點火器壓電晶體受到外力作用后，在電極面上會感應出電荷，電荷聚集形成高電。利用高壓可產生火花放電。這種電火花可用于點燃煤氣、炮彈，及用于壓電高壓發生器。4、石英電子表其他：拾音器、蜂鳴器、流量計、計數器等第6頁，課件共34頁，創作于2023年2月第七節熱釋電材料-1一、熱釋電效應晶體因溫度變化而引起晶體表面電荷的現象稱為熱釋電效應二、熱釋電效應機制電氣石中發現：硫磺粉末（黃色）和氧化鉛粉末（紅色）混合，用絲質篩子篩灑加熱后的電氣石，它們將分別覆蓋于電氣石沿三次軸方向的兩端。溫度引起的自發極化的改變。自發極化的改變來自于離子的位移電氣石是一種具有固有極化的晶體具有自發極化，即晶體結構的某些方向正負電荷重心不重合。不存在對稱中心，且存在與其他極化軸不同的唯一極化軸石英晶體不產生熱釋電效應示意圖晶體中存在熱釋電效應的前提第7頁，課件共34頁，創作于2023年2月第七節熱釋電材料-2三、熱釋電材料1、晶體2、有機高聚物晶體熱釋電晶體：CaS,CaSe,Li2SO4·H2O,ZnO鐵電晶體：LiNbO3,LiTaO3,PhTiO3,Pb(ZnTi)O3,BaTiO3等特點：自發極化不能為外電場轉向特點：自發極化能為外電場轉向例：聚偏二氟乙烯PVDF，大面積制作，工藝簡單，一般用薄膜四、熱釋電材料的應用1938年首先用于紅外探測器030923第8頁，課件共34頁，創作于2023年2月第七節熱釋電材料-3紅外探測器原理：Q表示晶體表面的電荷面密度，P為自發極化強度，T為溫度，則設兩極板面積為A，負載電阻為R，則熱釋電電壓為：Pi為晶體的熱釋電系數。一般材料為10-4~10-6C/(cm2·K)通過測量訊號電壓的變化實現了對遠距離熱輻射目標溫度變化的測量。熱釋電紅外探測器原理盡你所能，想出或查出檢測極化電荷分布的方式第9頁，課件共34頁，創作于2023年2月第八節熱電材料-1一、熱電效應兩種不同的導體構成閉合回路，若使其結點出現溫度差，則閉合回路中就會有電流流動，此現象為熱電效應，相應的電勢稱為熱電勢。熱電材料：把熱能轉變為電能的材料1、塞貝克（Seebeck）效應T0第10頁，課件共34頁，創作于2023年2月第八節熱電材料-2即，若T1＜T2時，電流由a點流向b點，稱A的電勢φA大于B的電勢φB。

設△VAB=φA-φB；△T=T2-T1，則實驗證明，△T不太大時，有△VAB與∝△T均質導體定律：要確定熱電勢的大小必須保證A、B兩種材料的化學成分和物理狀態完全均勻，否則將要難以獲得確定的熱電勢中間導體定律：如果在回路中引入第三種金屬導體，那么只要第三種金屬接入的兩端溫度相同，則對原回路年產生的熱電勢不發生影響中間溫度定律：只要兩種材料廠均質，兩端溫度恒定，即使回路中某一部分處于任何其他溫度，原回路產生的熱電勢不變基本規律：定量描述：規定：冷端電流流出的材料的電勢相對于流入的材料的電勢為正。第11頁，課件共34頁，創作于2023年2月第八節熱電材料-3一些元素的熱電勢排序（前者熱電勢相對于后者為正）：Si,Sb,Fe,Mo,Cd,W,Au,Ag,Zn,Rh,Ir,Tl,Cs,Ta,Sn,Pb,Mg,Al,Hg,Pt,Nd,Pd,K,Ni,Co,Bi例：若T1>T2,電流逆時針流動；反之，順時針流動稱SA和SB分別為材料A和B的塞貝克系數定義相對塞貝克系數SAB=SA-SB：則：△VAB=SAB·△T若溫度差較大，一般有：第12頁，課件共34頁，創作于2023年2月第八節熱電材料-42、珀爾貼（Peltier）效應兩種材料的接觸點通以電流時，會產生吸熱或放熱現象。基本規律：電流反向時，吸熱或放熱特性也改變；單位時間內產生的熱量與通過的電流成正比：珀爾貼熱QP與焦耳熱QJ的區分：QP+QJ（QP+QJ）-（-QP+QJ）=2QP-QP+QJ（QP+QJ）+（-QP+QJ）=2QJ第13頁，課件共34頁，創作于2023年2月第八節熱電材料-53、湯姆遜（Thomson）效應具有溫度梯度的一段均勻導體通過電流時，會產生吸熱和放熱現象單位時間內單位長度導體所吸收或放出的熱量與通過的電流I成正比，與導體中的溫度梯度dT/dx成正比電流方向改變時，吸放熱特性也改變說明：湯姆遜效應發生在同一導體上；也是一種可逆的熱效應，容易與焦耳熱區分開。基本特征：第14頁，課件共34頁，創作于2023年2月第八節熱電材料-6二、熱電效應的產生機理：1、溫度引起熱電子由熱端向冷瑞遷移，建立內電場，從而形成溫差電動勢------------+++++-----熱冷熱電子流定義熱電勢系數S：dV為溫差為dT時導體兩端建立的電位差S與材料性質、微結構及其溫度有關塞貝克系數S本質上就是熱電勢系數2、不同金屬的溫差電動勢的疊加構成閉合回路的凈的熱電動勢第15頁，課件共34頁，創作于2023年2月第八節熱電材料-7一般半導體的熱電勢系數最大鉑和鉑銠合金的熱電勢系數溫度參考點是273K，0.1MPa第16頁，課件共34頁，創作于2023年2月第17頁，課件共34頁，創作于2023年2月第八節熱電材料-8三、熱電材料的應用1、測溫:熱電偶接觸電動勢和溫差電動勢共同構成兩種材料構成的閉合回路的電動勢第18頁，課件共34頁，創作于2023年2月第八節熱電材料-103、致冷：利用珀爾貼效應2、溫差發電：塞貝克效應高山、太空、月球等用電第19頁，課件共34頁，創作于2023年2月第二章光學材料第20頁，課件共34頁，創作于2023年2月第一節光與固體的相互作用-1一、光的本質光的波粒二象性：真空中：介質中：電磁波譜：二、光與固體的作用作用的本質：光是一種電磁波，光與固體的作用就是固體中的帶電粒子或磁性粒子在電磁場作用的表現出來的行為。實際上主要表現為與電子的相互作用可見光：390nm~770nm第21頁，課件共34頁，創作于2023年2月第一節光與固體的相互作用-2電子的兩種響應行為：電子極化：電磁波對電子運動產生微擾電子能態躍遷：電子吸收整個光子能量，使得狀態顯著改變1、金屬材料由于自由電子的存在，金屬對所有的低頻電磁波（從無線電波到紫外光）者是不透明的，只有對高頻電磁波X射線和γ射線才透明（為什么？）金屬吸收光子后能態的變化第22頁，課件共34頁，創作于2023年2月第一節光與固體的相互作用-3金屬的高反射率的應用：反光鏡能量的釋放形式：反射光和熱能金屬的顏色不是由吸收光的波長決定，而是由反射光的波長決定金屬的色澤：金為黃色：光譜紅端吸收和反射都最強，紫端透射最多。金泊的射光呈淡綠色第23頁，課件共34頁，創作于2023年2月第一節光與固體的相互作用-42、非金屬材料非金屬材料對可見光吸收的三種機理電子極化：當光的頻率與電子極化時間的倒數相近時才顯著價帶電子吸收光子進入禁帶中的雜質或缺陷能級價帶電子或禁帶中雜質或缺陷能級上的電子吸收光子而越過禁帶進入導帶非金屬材料的透光性：理想無缺陷的單晶體：可見光光子的能量范圍約為：1.8eV~3.1eV。因此禁帶寬度小于1.8eV的半導體材料是不透明的，大于3.1eV是透明的，在這之間是半透明的有晶界和缺陷的非金屬材料：即使禁帶較寬，也可能不透明能量的釋放形式：光子或聲子形式釋放第24頁，課件共34頁，創作于2023年2月第一節光與固體的相互作用-5第25頁，課件共34頁，創作于2023年2月顏色：人類的視覺系統對特定頻率的可見光的一種感覺顏色的合成：糊涂的視覺系統大多數顏色可以由三種基本顏色以適當比例合成，三種基色可以任意選定。一般選紅、綠、藍三種為基色。例：紅+黃=橙色

紅+藍=紫色類似地，從白色光中去掉特定頻段的光后會呈現特定的顏色。例：白光除去紅色光后呈淡藍色。附：人眼感知的物質顏色思考：把各種不同顏色的顏料混合得到什么顏色？物質的顏色：物體反射或發射特定頻率的可見光

第26頁，課件共34頁，創作于2023年2月第二節 材料發色/光的機理-11、原子激發和分子振動a．原子中電子的激發躍遷。例：當燃燒物質中含Na原子，火焰呈黃色：Na從激發態返回基態時，發出波長為589.6nm、589.0nm的黃光應用：原子發射光譜、焰火一般固體熱輻射的顏色與溫度關系：第27頁，課件共34頁，創作于2023年2月第二節 材料發色/光的機理-2水或冰的振動吸收主峰在紅外區域，近可見光區域也有少量吸收。故純水、冰呈淡藍色。Cl2蒸氣為綠色，I2蒸氣為紫色b．分子振動和轉動在化合物中，過渡金屬離子處于周圍其它離子產生的配位場中。由于配位的幾何形式不同，配位場強弱不同。d軌道或f軌道中能級分離狀況和電子排布不同，電子在能級間躍遷產生的顏色就有差別。即同一元素的原子在不同配位體中產生不同顏色。2、過渡金屬原子的能級在配位場中的變化無機化合物中色彩絢麗的礦石、寶石、涂料，許多都是過渡金屬化合物形成的。第28頁，課件共34頁，創作于2023年2月第29頁，課件共34頁，創作于2023年2月第二節 材料發色/光的機理-4例一：Cr2O3呈綠色，剛玉Al2O3無色把少量Cr2O3摻入Al2O3中，由于結構相似，Cr3+會取代部分Al3+。雖然周圍6個O2-配位不變，但Al3+比Cr3+略小，配位場強弱產生變化，呈紅色。即紅寶石Al2O3:Cr3+有機共軛分子中的離域π鍵：最高占據能級與最低空軌道之間躍遷在可見光區例二：CuSO4·5H2O呈藍色，CuSO4為無色，因為Cu2+的配位場不同3、共軛效應和有機染料有機染料和帶色的有機化合物都是由離域π鍵引起的。應用：服裝、印刷品、食用色素最古老的有機染料-靛藍第30頁，課件共34頁，創作于2023年2月第二節 材料發色/光的機理-5磁鐵礦Fe3O4：Fe2+Fe3+O4；Fe2+、Fe3+的配位環境也不同，記為I、IIFe2+(I)+Fe3+(II)Fe3+(I)+Fe2+(II)價電子的這種電子轉移產生光吸收和發射4、電荷轉移效應和顏料例：Al2O3:Fe2+,Ti4+（藍寶石），約0.1%Al3+被Fe2+和Ti4+置換。晶體結構中相鄰的Fe2+與Ti4+相距265pm，dz2軌道重疊；在白光作用下，電子從一個離子跑到另一個離子：Fe2++Ti4+Fe3++Ti3+；ΔE=E2-E1=2.11eV（右邊能量大于左邊）這種過程稱為光化學的氧化—還原作用。吸收譜譜帶中心位于~~588nm（黃色）。實驗表明，除藍色和藍紫色外，其它顏色的光都被吸收。同素異價離子化合物：同一化合物中，同一元素的離子存在不同價態許多礦物顏色：Fe2+——Si4+的電荷轉移第31頁，課件共34頁，創作于2023年2月第二節 材料發色/光的機理-6金屬低透過率高反射率：能級密集，全吸收；顏色，能態密度不均勻。例，金為黃色；紅寶石玻璃呈紅色金剛石：能隙5.4eV，透明，滲少量N，2.2eV，呈黃色a．光致變色材料1)無機光致變色材料玻璃中含Ag鹽和Cu鹽混合物：Ag+