電性與功能材料探索材料科學(xué)前沿，了解功能材料如何改變未來(lái)科技發(fā)展課程概述課程目標(biāo)掌握電性功能材料基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)內(nèi)容電導(dǎo)、磁性、光電等功能材料考核方式平時(shí)作業(yè)30%，期末考試70%功能材料的定義功能材料的概念利用物理、化學(xué)效應(yīng)提供特定功能的材料與結(jié)構(gòu)材料的區(qū)別注重功能性能而非力學(xué)性能功能材料的重要性現(xiàn)代科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)功能材料的分類(lèi)按功能分類(lèi)電性、磁性、光學(xué)、熱學(xué)等按材料類(lèi)型分類(lèi)金屬、陶瓷、高分子、復(fù)合材料按應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)電子、通信、能源、醫(yī)療等電性功能材料簡(jiǎn)介定義與特點(diǎn)具有特定電學(xué)性能的功能材料主要類(lèi)別導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體、超導(dǎo)體等應(yīng)用領(lǐng)域電子器件、傳感器、能源轉(zhuǎn)換等電導(dǎo)功能材料導(dǎo)體材料電阻率極低，易于導(dǎo)電半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能可控，廣泛應(yīng)用于電子領(lǐng)域絕緣材料電阻率極高，阻止電荷流動(dòng)導(dǎo)體材料金屬導(dǎo)體銅、鋁、銀、金等自由電子多，電阻率低合金導(dǎo)體銅鎳、銅鉻鋯等兼顧導(dǎo)電性和力學(xué)性能導(dǎo)電高分子聚吡咯、聚苯胺等輕質(zhì)柔性，可加工性好半導(dǎo)體材料1本征半導(dǎo)體無(wú)雜質(zhì)的純半導(dǎo)體，如硅、鍺2摻雜半導(dǎo)體N型和P型半導(dǎo)體，載流子控制3化合物半導(dǎo)體GaAs、GaN等，特殊光電性能絕緣材料有機(jī)絕緣材料聚乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂等無(wú)機(jī)絕緣材料陶瓷、玻璃、云母等復(fù)合絕緣材料環(huán)氧玻璃鋼、絕緣紙板等超導(dǎo)材料超導(dǎo)現(xiàn)象零電阻，邁斯納效應(yīng)超導(dǎo)體類(lèi)型低溫、高溫超導(dǎo)體應(yīng)用前景無(wú)損輸電，強(qiáng)磁場(chǎng)裝置壓電材料壓電效應(yīng)機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電能，反之亦然壓電材料種類(lèi)石英、鋯鈦酸鉛、鈮酸鋰等應(yīng)用實(shí)例傳感器、換能器、微機(jī)電系統(tǒng)鐵電材料鐵電效應(yīng)自發(fā)極化，電滯回線(xiàn)典型鐵電材料鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛，鈮酸鋰應(yīng)用領(lǐng)域電容器，存儲(chǔ)器，壓電器件介電材料102~10?介電常數(shù)范圍不同材料介電常數(shù)差異大3種極化機(jī)制電子、離子、取向極化1000+應(yīng)用產(chǎn)品種類(lèi)電容器、絕緣層、基板材料電致發(fā)光材料電流通過(guò)時(shí)發(fā)光的材料，有機(jī)類(lèi)如PPV，無(wú)機(jī)類(lèi)如GaAs，量子點(diǎn)如CdSe光電功能材料光電效應(yīng)光能轉(zhuǎn)化為電能的物理過(guò)程光電材料分類(lèi)光生伏特材料、光導(dǎo)材料應(yīng)用領(lǐng)域太陽(yáng)能電池、光傳感器、攝像頭太陽(yáng)能電池材料硅基太陽(yáng)能電池單晶、多晶、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池CdTe、CIGS、非晶硅薄膜新型太陽(yáng)能電池材料鈣鈦礦、染料敏化、有機(jī)太陽(yáng)能電池光纖材料材料類(lèi)型組成成分特點(diǎn)多模光纖石英、摻雜SiO?傳輸容量大單模光纖高純SiO?遠(yuǎn)距離傳輸塑料光纖PMMA、PS柔性好，成本低顯示材料液晶顯示材料各向異性分子，電場(chǎng)下定向排列OLED材料有機(jī)半導(dǎo)體，電流激發(fā)發(fā)光量子點(diǎn)顯示材料納米半導(dǎo)體顆粒，尺寸決定發(fā)光顏色磁性功能材料1磁性基礎(chǔ)磁矩、磁各向異性2軟磁材料低矯頑力，高磁導(dǎo)率3硬磁材料高矯頑力，高剩磁稀土永磁材料磁記錄材料磁記錄原理通過(guò)磁化方向存儲(chǔ)信息讀寫(xiě)頭感應(yīng)磁場(chǎng)變化磁帶材料鐵氧體顆粒、金屬顆粒高密度記錄需小顆粒尺寸硬盤(pán)材料鈷基合金薄膜垂直磁記錄技術(shù)熱電功能材料熱電效應(yīng)塞貝克效應(yīng)：溫差產(chǎn)生電壓帕爾貼效應(yīng)：電流產(chǎn)生溫差熱電材料種類(lèi)Bi?Te?、PbTe、SiGe等優(yōu)良熱電材料需高ZT值應(yīng)用前景廢熱回收利用空間探測(cè)器電源電子制冷無(wú)噪聲形狀記憶材料形狀記憶效應(yīng)材料變形后恢復(fù)原形狀的能力形狀記憶合金鎳鈦合金、銅基合金形狀記憶高分子具熱響應(yīng)性的聚合物智能材料智能材料定義能感知并響應(yīng)外界刺激的材料智能材料分類(lèi)壓電、形狀記憶、磁致伸縮等應(yīng)用實(shí)例智能傳感器、自修復(fù)材料納米功能材料納米效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)納米材料種類(lèi)納米顆粒、納米線(xiàn)、納米管納米材料應(yīng)用催化、生物醫(yī)學(xué)、電子器件生物功能材料生物相容性材料鈦合金、羥基磷灰石、醫(yī)用硅膠生物降解材料聚乳酸、聚羥基脂肪酸酯藥物載體材料介孔二氧化硅、聚合物微球能源存儲(chǔ)材料鋰離子電池材料正極：LiCoO?、磷酸鐵鋰燃料電池材料電解質(zhì)：質(zhì)子交換膜、固體氧化物超級(jí)電容器材料電極：活性炭、過(guò)渡金屬氧化物催化材料催化原理降低活化能，提高反應(yīng)速率均相催化劑溶于反應(yīng)物的絡(luò)合物、酶多相催化劑貴金屬、分子篩、金屬氧化物分離功能材料膜分離材料聚合物膜、陶瓷膜、復(fù)合膜吸附材料活性炭、分子篩、金屬有機(jī)框架離子交換材料陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、陰離子交換樹(shù)脂電子封裝材料103~10?基板導(dǎo)熱系數(shù)范圍W/(m·K)，材料差異大99.99%導(dǎo)電膠銀含量高純度保證良好導(dǎo)電性<50℃結(jié)溫控制目標(biāo)散熱材料關(guān)鍵性能指標(biāo)傳感器材料氣體傳感材料如SnO?，溫度傳感材料如熱敏電阻，壓力傳感材料如壓電陶瓷電磁屏蔽材料屏蔽原理反射和吸收電磁波基于皮膚效應(yīng)和導(dǎo)電特性金屬屏蔽材料銅、鋁、鍍鋅鋼板金屬網(wǎng)、金屬泡沫導(dǎo)電高分子屏蔽材料導(dǎo)電碳填充聚合物金屬纖維復(fù)合材料電波吸收材料吸波原理電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能阻抗匹配減少反射磁性吸波材料鐵氧體、羰基鐵粉磁損耗吸收機(jī)制電介質(zhì)吸波材料碳纖維、碳納米管介電損耗吸收機(jī)制功能涂層材料防腐涂層環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯、富鋅涂層自清潔涂層光催化TiO?、超疏水納米材料隱身涂層雷達(dá)吸波材料、紅外隱身涂料光學(xué)功能材料非線(xiàn)性光學(xué)材料頻率倍增、光參量振蕩光存儲(chǔ)材料相變材料、光致變色材料光開(kāi)關(guān)材料光敏聚合物、光致異構(gòu)材料量子功能材料量子井量子線(xiàn)量子點(diǎn)拓?fù)浣^緣體自組裝材料1自組裝原理系統(tǒng)自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)2分子自組裝分子間相互作用力驅(qū)動(dòng)3納米自組裝納米顆粒組裝成有序陣列仿生功能材料仿荷葉自清潔材料超疏水表面結(jié)構(gòu)仿蝴蝶翅膀結(jié)構(gòu)色材料光子晶體結(jié)構(gòu)仿壁虎腳掌粘附材料微納米纖毛陣列多功能復(fù)合材料1復(fù)合原理多種材料協(xié)同作用2纖維增強(qiáng)復(fù)合材料碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維增強(qiáng)3功能梯度材料成分、結(jié)構(gòu)、功能連續(xù)變化功能材料的制備方法化學(xué)合成法溶膠-凝膠法、水熱合成法物理氣相沉積磁控濺射、電子束蒸發(fā)化學(xué)氣相沉積熱CVD、等離子體增強(qiáng)CVD功能材料的表征技術(shù)結(jié)構(gòu)表征X射線(xiàn)衍射、中子衍射形貌表征電鏡、原子力顯微鏡性能表征電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)性能測(cè)試電子顯微鏡技術(shù)掃描電鏡表面形貌觀察分辨率：1-10nm透射電鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察分辨率：0.1-0.2nm原子力顯微鏡三維表面形貌垂直分辨率達(dá)0.01nmX射線(xiàn)分析技術(shù)X射線(xiàn)衍射晶體結(jié)構(gòu)分析X射線(xiàn)熒光分析元素組成分析X射線(xiàn)光電子能譜表面化學(xué)狀態(tài)分析光譜分析技術(shù)紅外光譜分子振動(dòng)信息，官能團(tuán)鑒定拉曼光譜分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵信息紫外-可見(jiàn)光譜電子躍遷，能帶結(jié)構(gòu)分析熱分析技術(shù)熱重分析測(cè)量材料質(zhì)量隨溫度變化差熱分析熱效應(yīng)過(guò)程，相變研究熱機(jī)械分析尺寸變化與熱膨脹系數(shù)電學(xué)性能測(cè)試測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試方法應(yīng)用材料電阻率測(cè)試四探針?lè)▽?dǎo)體、半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)測(cè)試范德堡法半導(dǎo)體介電性能測(cè)試阻抗分析絕緣體、介電材料磁學(xué)性能測(cè)試磁化曲線(xiàn)測(cè)試振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量磁滯回線(xiàn)居里溫度測(cè)定熱磁分析儀磁-順磁轉(zhuǎn)變溫度磁疇觀察磁力顯微鏡克爾效應(yīng)顯微鏡光學(xué)性能測(cè)試400-700nm可見(jiàn)光范圍透射率測(cè)試關(guān)鍵波段0.1%測(cè)試精度高精度光學(xué)測(cè)量設(shè)備5種常用測(cè)試方法透射、反射、光致發(fā)光等機(jī)械性能測(cè)試硬度測(cè)試維氏、洛氏、布氏硬度彈性模量測(cè)試?yán)?、壓縮、彎曲測(cè)試斷裂韌性測(cè)試裂紋擴(kuò)展阻力測(cè)定功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域電子信息能源環(huán)境生物醫(yī)療航空航天功能材料在電子器件中的應(yīng)用1集成電路半導(dǎo)體、導(dǎo)體、絕緣體多層集成2傳感器壓電、熱電、磁電等敏感材料3顯示器液晶、OLED、量子點(diǎn)材料功能材料在能源轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用太陽(yáng)能電池材料、燃料電池材料、熱電器件材料及風(fēng)能轉(zhuǎn)換材料功能材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用污染物吸附活性炭、分子篩、MOFs材料光催化降解TiO?、ZnO、復(fù)合光催化劑水處理膜反滲透膜、納濾膜功能材料在生物醫(yī)療中的應(yīng)用藥物傳遞系統(tǒng)納米載體、智能釋藥材料生物傳感器酶電極、免疫傳感器人工器官材料人工骨、心血管支架功能材料的發(fā)展趨勢(shì)多功能化單一材料實(shí)現(xiàn)多種功能集成智能化具有刺激響應(yīng)能力的材料系統(tǒng)綠色環(huán)保低碳、無(wú)毒、可回收材料設(shè)計(jì)新興功能材料石墨烯材料二維碳材料，超高導(dǎo)電性金屬有機(jī)框架材料高孔隙度，可調(diào)結(jié)構(gòu)拓?fù)浣^緣體材料內(nèi)部絕緣，表面導(dǎo)電功能材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化計(jì)算材料學(xué)第一性原理計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)模擬人工智能輔助設(shè)