化学是实用和创造性的科学课件

化学的今天和明天任课教师任课教师：彭正合：彭正合 教授教授武汉大学化学系武汉大学化学系化学的今天和明天任课教师：彭正合 教授武汉大学化学系1第第3章章 化学是实用和创造性的科学化学是实用和创造性的科学 l3.1化学在住房和家庭陈设品方面的作用化学在住房和家庭陈设品方面的作用l3.2 化学在穿着方面的作用化学在穿着方面的作用l3.3 化学与交通运输方面的关系化学与交通运输方面的关系l3.4 化学与食物方面的关系化学与食物方面的关系l3.5 化学与国防方面的关系化学与国防方面的关系l3.6 化学与执法方面的关系化学与执法方面的关系l3.7 化学生活质量的贡献化学生活质量的贡献l3.8 关于未来关于未来第3章 化学是实用和创造性的科学 3.1化学在住房和家庭陈设2现现现现代代代代生生生生活活活活之之之之所所所所以以以以不不不不同同同同于于于于先先先先前前前前，是是是是因因因因为为为为我我我我们们们们学学学学会会会会了了了了如如如如何何何何取用天然的物质并加以改造，使之更好地为我们服务。取用天然的物质并加以改造，使之更好地为我们服务。取用天然的物质并加以改造，使之更好地为我们服务。取用天然的物质并加以改造，使之更好地为我们服务。l3.1 化学在住房和日用品方面的作用化学在住房和日用品方面的作用l只只有有沙沙、石石、木木材材是是天天然然材材料料，但但它它们们需需要要用用合合成成的的化化学学品品粘粘接接（如如各各种种粘粘接接剂剂）和和保保护护（如如各各种种涂涂料料和和油漆，各种装饰板）。油漆，各种装饰板）。l水水泥泥、玻玻璃璃、陶陶瓷瓷、防防漏漏剂剂、塑塑料料管管材材及及板板材材都都是是化化学品。学品。l胶合板、铝合金材料，金属材料和钉子及其保护层都胶合板、铝合金材料，金属材料和钉子及其保护层都大量化学加工。大量化学加工。l厨房许多设施、餐具、器皿以及饮料瓶都是化学品。厨房许多设施、餐具、器皿以及饮料瓶都是化学品。现代生活之所以不同于先前，是因为我们学会了如何取用天然的物质3l陶瓷、塑料、金属卫生洁具，洗涤剂、洗浴剂、陶瓷、塑料、金属卫生洁具，洗涤剂、洗浴剂、洗发剂等都是化学品。洗发剂等都是化学品。l许多地毯、装饰面料和染料都是化学品。许多地毯、装饰面料和染料都是化学品。l家用电器，如空调、冰箱、冷柜、电视机、家用电器，如空调、冰箱、冷柜、电视机、电脑等骨架材料和功能材料都是化学品。电脑等骨架材料和功能材料都是化学品。l导线及其包皮、照明灯具等绝大多数是化学品。导线及其包皮、照明灯具等绝大多数是化学品。l燃料、燃气是化学品，燃烧和烹饪有化学变化。燃料、燃气是化学品，燃烧和烹饪有化学变化。l进入住宅的自来水也经过了化学处理。进入住宅的自来水也经过了化学处理。l在住房和日用品方面，没有与化学无关的物品。在住房和日用品方面，没有与化学无关的物品。陶瓷、塑料、金属卫生洁具，洗涤剂、洗浴剂、43.2 化学在穿着方面的作用化学在穿着方面的作用l服饰的材料都含有合成纤维和合成染料。服饰的材料都含有合成纤维和合成染料。l皮革和毛皮经过了化学品鞣制和化学处理。皮革和毛皮经过了化学品鞣制和化学处理。l大量合成皮革和合成橡胶替代了天然品。大量合成皮革和合成橡胶替代了天然品。l棉花、亚麻和羊毛都经过了化学处理和染色。棉花、亚麻和羊毛都经过了化学处理和染色。l在穿着方面，没有与化学无关的物品。在穿着方面，没有与化学无关的物品。3.2 化学在穿着方面的作用服饰的材料都含有合成纤维和合成53.3 化学化学与交通运输方面的关系与交通运输方面的关系l机动车、自行车，以及火车、轮船、飞机中机动车、自行车，以及火车、轮船、飞机中的每件东西都是化学加工业的一种产品。的每件东西都是化学加工业的一种产品。例如例如l金属、塑料、油漆，显然是化学品。金属、塑料、油漆，显然是化学品。l轮胎用的橡胶：天然橡胶必须经过硫化处理轮胎用的橡胶：天然橡胶必须经过硫化处理工艺，才具有坚韧性；大量地采用合成橡胶，工艺，才具有坚韧性；大量地采用合成橡胶，如氯丁橡胶。如氯丁橡胶。3.3 化学与交通运输方面的关系机动车、自行车，以及火车、63.4 化学与食物方面的关系化学与食物方面的关系l人们要了解饮食的化学本性，就必须学些化学知识，人们要了解饮食的化学本性，就必须学些化学知识，以便了解哪些化学品应归入有益于健康的饮食。以便了解哪些化学品应归入有益于健康的饮食。l化学的作用始于食物供应之初的农业。化学的作用始于食物供应之初的农业。l化学肥料为农作物提供了氮、磷、钾，以及其他化化学肥料为农作物提供了氮、磷、钾，以及其他化学元素。学元素。l如果没有化肥，就不能为众多的人口提供足够的食如果没有化肥，就不能为众多的人口提供足够的食物，也不能为牲畜提供足够的食物。物，也不能为牲畜提供足够的食物。l除草剂和杀虫剂都是化学品。除草剂能使农作物茂除草剂和杀虫剂都是化学品。除草剂能使农作物茂盛，杀虫剂则能保护农作物。盛，杀虫剂则能保护农作物。3.4 化学与食物方面的关系人们要了解饮食的化学本性，就必须73.4 化学与食物方面的关系化学与食物方面的关系(续）续）l化化学学的的另另一一贡贡献献，是是开开发发安安全全的的食食品品防防腐腐剂剂和和符符合合卫生标准的包装方法。卫生标准的包装方法。l食品冷藏法，建立在合成冷冻剂的基础之上。食品冷藏法，建立在合成冷冻剂的基础之上。l利用氯气或臭氧的水处理方法，保障了洁净水供应。利用氯气或臭氧的水处理方法，保障了洁净水供应。l药物化学家开发了兽药，保障了家畜的健康。药物化学家开发了兽药，保障了家畜的健康。l各各种种加加工工食食品品的的添添加加剂剂、发发酵酵粉粉都都是是化化学学品品，加加工工过程都有化学变化。过程都有化学变化。l各种饮料和酒类，都有化学家的贡献。各种饮料和酒类，都有化学家的贡献。l我我们们不不可可能能从从食食物物中中除除去去“化化学学品品”，但但是是我我们们必必须保证所用化学品是安全和有效的。须保证所用化学品是安全和有效的。3.4 化学与食物方面的关系(续）化学的另一贡献，是开发安全83.5 化学与国防方面的关系化学与国防方面的关系l战争决不是一种有价值的的人类活动，然而一战争决不是一种有价值的的人类活动，然而一旦战争爆发，人人都希望取得胜利。旦战争爆发，人人都希望取得胜利。l各国政府总是号召科学家们制造出更有效的武各国政府总是号召科学家们制造出更有效的武器或更好的防御物，化学在武器和防御物这种器或更好的防御物，化学在武器和防御物这种“矛和盾矛和盾”两方面都发挥着极其重要的作用。两方面都发挥着极其重要的作用。l有古代中国发明的黑火药，彻底改变了交战状有古代中国发明的黑火药，彻底改变了交战状况。现代弹药和炸药只是黑火药的更新而已。况。现代弹药和炸药只是黑火药的更新而已。3.5 化学与国防方面的关系战争决不是一种有价值的的人类活动9l黑火药、现代弹药和炸药，都是化学药品机器混黑火药、现代弹药和炸药，都是化学药品机器混合物。它们的爆炸过程实际上是个化学反应过程，合物。它们的爆炸过程实际上是个化学反应过程，反应释放出大量热能和气体，如反应释放出大量热能和气体，如N2和和CO2等，热等，热气体急剧膨胀而产生爆炸。气体急剧膨胀而产生爆炸。l核武器的爆炸，是原子核发生热核反应（核化学核武器的爆炸，是原子核发生热核反应（核化学过程）的结果，反应产生大量的放射线、冲击波过程）的结果，反应产生大量的放射线、冲击波和热能，并使空气急剧膨胀。和热能，并使空气急剧膨胀。l非化学武器及其防御物本身的各个部件都离不开非化学武器及其防御物本身的各个部件都离不开化学，存储和运载它们的工具同样离不开化学。化学，存储和运载它们的工具同样离不开化学。黑火药、现代弹药和炸药，都是化学药品机器混合物。它们的爆炸过10l化学武器及其防御物本身更是化学家的杰作。化学武器及其防御物本身更是化学家的杰作。l生生物物武武器器及及其其防防御御物物，至至少少是是利利用用了了微微生生物物释释放放的化学毒剂。的化学毒剂。l隐隐身身技技术术靠靠化化学学家家设设计计的的隐隐身身材材料料：吸吸收收雷雷达达波波、吸收红外光的材料。吸收红外光的材料。l侦侦察察、探探测测技技术术，导导弹弹制制导导技技术术，都都离离不不开开专专门门的功能材料，如特种电子材料。的功能材料，如特种电子材料。化学武器及其防御物本身更是化学家的杰作。113.6 化学与执法方面的关系化学与执法方面的关系l海海洛洛因因、可可卡卡因因、摇摇头头丸丸等等毒毒品品和和违违禁禁药药，是是不不法法化化学学家家的的作作品品，禁禁毒毒和和执执法法工工作作正正式式真真正正化化学学家的工作之一。家的工作之一。l化化学学家家所所用用到到的的分分析析、检检测测方方法法，几几乎乎都都用用于于执执法法。例例如如法法医医学学家家的的各各种种鉴鉴定定方方法法，包包括括通通过过DNA鉴定来识别罪犯。鉴定来识别罪犯。l警警察察的的装装备备，像像军军人人的的装装备备一一样样离离不不开开化化学学品品，包括催泪性毒气、麻醉性子弹。包括催泪性毒气、麻醉性子弹。3.6 化学与执法方面的关系海洛因、可卡因、摇头丸等毒品和违123.7 化学生活质量的贡献化学生活质量的贡献l教育、文化、艺术、体育、健身、医疗卫生，教育、文化、艺术、体育、健身、医疗卫生，信息、娱乐等用品，无不有化学的贡献。信息、娱乐等用品，无不有化学的贡献。3.7 化学生活质量的贡献教育、文化、艺术、体育、健身、医疗133.8 关于未来关于未来 新型新型电电功能材料功能材料l材料的电学及电子学性能材料的电学及电子学性能l导电性：以电荷迁移为特征，取决于导电性：以电荷迁移为特征，取决于载流子载流子（电子、空穴、离子）（电子、空穴、离子）浓度浓度、电荷迁移率电荷迁移率。l介电性：以电荷偏离（电极化）为特征，取决介电性：以电荷偏离（电极化）为特征，取决于于电极化率电极化率。3.8 关于未来 新型电功能材料材料的电学及电子学性能141.导电性相关的材料导电性相关的材料（按电导率（按电导率 划分）划分）l良导体：良导体：10 6 Scm 1;(S 1)l半导体：半导体：10 6 Scm 1 10 6 Scm1;l绝缘体：绝缘体：152.介电性相关的材料介电性相关的材料l强介电体：无外场下存在由电荷分布而产生的强介电体：无外场下存在由电荷分布而产生的电极化。电极化。l反强介电体：无外场下存在由正负离子位置变反强介电体：无外场下存在由正负离子位置变化而产生的电极化。化而产生的电极化。l铁氧介电体：无外场下存在由偶极子（或正负铁氧介电体：无外场下存在由偶极子（或正负离子）自取向而产生的电极化。离子）自取向而产生的电极化。l（通）常介电体：外电场下发生电极化。（通）常介电体：外电场下发生电极化。2.介电性相关的材料强介电体：无外场下存在由电荷分布而产生163.超导材料超导材料 超导现象超导现象l1911年年,氦液化器发明人氦液化器发明人-荷兰科学家荷兰科学家Onnes 偶然发现，在液氦温度偶然发现，在液氦温度(4.2 K)下，汞的电阻突下，汞的电阻突然消失了。这种电阻率为零现象被物理学家称为然消失了。这种电阻率为零现象被物理学家称为超导现象超导现象。l超导现象仅当物质处于超导现象仅当物质处于 临界温度临界温度 TC、临界磁场临界磁场强度强度 HC 和和 临界电流密度临界电流密度 JC 以下的条件下，才以下的条件下，才能发生。能发生。3.超导材料 超导现象1911年,氦液化器发明人-17超导超导状状态态l T-H-J三维图三维图 J JC（临界电流密度）临界电流密度）l T-H-J 临界面临界面l l Hl TC HCl （临界磁临界磁场强度场强度）l T 临界温度临界温度 TC超导状态 T-H-J三维图 J JC（临界电18高温超导材料高温超导材料l直至直至1986年上半年，人类所发现的最好超导材料年上半年，人类所发现的最好超导材料仍然是仍然是1973年获得的年获得的Nb3Ge (TC=23.2 K)，只能只能在液氦温度下使用。在液氦温度下使用。l氦气稀少、液化困难，液氦保温和使用不便、价氦气稀少、液化困难，液氦保温和使用不便、价格昂贵；格昂贵；l氮气丰富、液化容易，液氮保温和使用较方便、氮气丰富、液化容易，液氮保温和使用较方便、价格可以接受（价格仅为液氦的价格可以接受（价格仅为液氦的1/1000）。）。l寻求至少能在液氮温度下使用的超导材料。寻求至少能在液氮温度下使用的超导材料。高温超导材料直至1986年上半年，人类所发现的最好超导材料仍19一个热门研究领域一个热门研究领域l高温超导材料：临界温度高温超导材料：临界温度 T TC C 高于液氮温度（高于液氮温度（77 K）的超导材料的简称。）的超导材料的简称。l1986年年1月，瑞士科学家月，瑞士科学家 Mller 等发现：等发现：BaxLa5xCu5O6(3-y)氧化物陶瓷在氧化物陶瓷在30K时出现超导时出现超导性转变，到性转变，到13K时电阻为零。时电阻为零。l同年底，美国、日本科学家宣布：重复了同年底，美国、日本科学家宣布：重复了Mller 等人的实验结果，等人的实验结果，引发了全世界的引发了全世界的高温超导高温超导研究研究热。热。理想理想：实现室温超导实现室温超导。一个热门研究领域高温超导材料：临界温度 TC 高于液氮温度（20中国高温超导研究独领风骚中国高温超导研究独领风骚l不久，中科院公布了北大赵忠贤等人的结果：不久，中科院公布了北大赵忠贤等人的结果：一种镱一种镱-钡钡-铜铜-氧（氧（YBCO）系陶瓷，系陶瓷，TC=93 Kl中国科大的铋中国科大的铋-铅铅-铜铜-氧系陶瓷，氧系陶瓷，TC=132 Kl已证实，各种已证实，各种 YBCO 系超导陶瓷中，实际产系超导陶瓷中，实际产生超导作用的是生超导作用的是 Y1Ba2Cu3O7 8 相（相（A相）。相）。l中科院上海硅酸盐所确定了中科院上海硅酸盐所确定了 Y1Ba2Cu3O7 8 相相的晶体结构，对称性的晶体结构，对称性 C2v.中国高温超导研究独领风骚不久，中科院公布了北大赵忠贤等人的结21超导材料的应用前景超导材料的应用前景l尽管超导的理论研究落后，但其实验成果喜人、尽管超导的理论研究落后，但其实验成果喜人、应用前景诱人。应用前景诱人。重要应用的重要应用的 6 6 个方面个方面：l能量的产生、传输和储存能量的产生、传输和储存 如超导线圈可使发电如超导线圈可使发电机的能量损失减少机的能量损失减少 80%，超导磁体用于核电站，超导磁体用于核电站，超导体导线的电力传输损耗仅为铜线的超导体导线的电力传输损耗仅为铜线的 10%左左右。右。l交通运输交通运输 磁悬浮列车，磁悬浮汽车等。前者如：磁悬浮列车，磁悬浮汽车等。前者如：日本日本1979年（液氦下超导磁体）时速年（液氦下超导磁体）时速 517 km。我国新近在上海又建成了磁悬浮列车线。我国新近在上海又建成了磁悬浮列车线。超导材料的应用前景尽管超导的理论研究落后，但其实验成果喜人、22l电子技术领域电子技术领域 超导电路极少或不发热，可使超导电路极少或不发热，可使芯片小而功能强大，超导开关管可在弱磁场芯片小而功能强大，超导开关管可在弱磁场下获得强电流变化。下获得强电流变化。l分析检测仪器和传感器分析检测仪器和传感器 超导磁体磁共振成相超导磁体磁共振成相仪，用于医疗诊断；超导量子干涉器件可检仪，用于医疗诊断；超导量子干涉器件可检测人体的极微弱磁场。测人体的极微弱磁场。l航天和军事技术领域航天和军事技术领域 超导体磁屏蔽、天线、超导体磁屏蔽、天线、电磁炮。电磁炮。l基础科学基础科学 超导磁体用于加速器等。超导磁体用于加速器等。电子技术领域 超导电路极少或不发热，可使芯片小而功能强大，23 4.生物功能材料生物功能材料生生物物功功能能材材料料：与与生生物物组组织织相相容容性性好好，可可供供植植入入生生物物活活体体内内的的生生物物活活性性或或惰惰性性材材料料。聚聚合合物物、陶陶瓷瓷和和金金属属。医医用用聚聚合合物物：用用于于制制造造人人工工组组织织、人人造造器器官官及及内内植植辅辅助助装装置置，医医药药制制剂剂，医医疗疗器器具具的的聚聚合合物物；通通常常不不计计后者。后者。聚聚四四氟氟乙乙烯烯：人人工工脑脑硬硬膜膜、瓣瓣膜膜、肺肺、喉喉头头、食食道道、胆道、尿道等器官。胆道、尿道等器官。有机硅橡胶：有机硅橡胶：(同上同上)，气管、耳、鼻、关节等器官。，气管、耳、鼻、关节等器官。聚乙烯：同上聚乙烯：同上“逗号逗号”后。后。氨酯橡胶：人工心脏、瓣膜、血管等器官。氨酯橡胶：人工心脏、瓣膜、血管等器官。4.生物功能材料生物功能材料：与生物组织相容性好24医用合金及陶瓷医用合金及陶瓷医用合金：铁铬镍、钴铬、钴镍铬及钛合金等不锈医用合金：铁铬镍、钴铬、钴镍铬及钛合金等不锈钢材料，用于硬组织器官或体内植辅助装置。钢材料，用于硬组织器官或体内植辅助装置。医用陶瓷：比金属、聚合物材料更稳定，组织相容医用陶瓷：比金属、聚合物材料更稳定，组织相容性好，亲水性良好。用于硬组织器官或体内植辅性好，亲水性良好。用于硬组织器官或体内植辅助装置。助装置。刚玉刚玉Al2O3 用于人造牙齿、骨骼、关节等；羟基磷灰用于人造牙齿、骨骼、关节等；羟基磷灰石石Ca5(PO4)3(OH)烧结体、珊瑚礁与骨质成分相似烧结体、珊瑚礁与骨质成分相似而生物相容性好，可替代新生骨。而生物相容性好，可替代新生骨。医用合金及陶瓷医用合金：铁铬镍、钴铬、钴镍铬及钛合金等不锈钢255.功能转换材料功能转换材料 1994年年4月月,法法国国科科学学与与生生活活月月刊刊文文章章“智智能能材料革命材料革命”摘要摘要:局局限限于于计计算算机机软软件件中中的的人人工工智智能能正正在在进进入入一一个个更更加加广广阔阔的的应应用用新新领领域域材材料料领领域域。今今天天，所所有有工工业业大大国都有国都有“智能材料智能材料”研究的重大计划。研究的重大计划。例例如如，一一些些研研究究所所正正在在秘秘密密研研制制“贴贴”在在机机翼翼上上的的“智智能能皮皮”，以以取取代代起起飞飞、转转向向、降降落落所所必必须须的的尾尾翼翼和和各各种种襟襟翼翼。这这些些覆覆盖盖层层可可以以根根据据飞飞行行员员的的指指令改变外形，起到与飞机尾翼和襟翼相同的作用。令改变外形，起到与飞机尾翼和襟翼相同的作用。5.功能转换材料26智智能能材材料料的的基基础础，是是对对自自然然或或诱诱发发的的外外力力、外外场场作出反应，自动适应环境。作出反应，自动适应环境。用用制制成成的的元元、器器件件，还还可可以以接接收收信信息息，按按指指令令行行动。动。化学是实用和创造性的科学课件27三大类智能材料三大类智能材料形形状状记记忆忆材材料料：具具备备形形状状记记忆忆功功能能的的铜铜镍镍基基合合金金，可可以以“学学会会”一一种种形形状状并并且且随随意意复复原原，经经低低温温变变形形后后受热即可恢复原形。受热即可恢复原形。电电致致伸伸缩缩 和和 磁磁致致伸伸缩缩材材料料：由由陶陶瓷瓷或或合合成成材材料料制制成成，具具有有在在电电场场或或磁磁场场作作用用下下变变形形的的能能力力。更更重重要要的的是是，其其变变形形程程度度随随电电场场或或磁磁场场强强度度而而变变化化。这这种种明明确确的的因果关系，具有很大的实用价值。因果关系，具有很大的实用价值。压压电电材材料料：将将是是20002000年年的的最最新新冶冶金金材材料料，具具有有能能与与人人类类神神经经系系统统相相比比的的特特性性和和运运作作方方式式。它它既既有有条条件件反反射的速度，又有执行大脑指令前的分析能力。射的速度，又有执行大脑指令前的分析能力。三大类智能材料28功能转换及其材料功能转换及其材料功能转换：指光、电、磁、声、热、力、化学、生物学功能转换：指光、电、磁、声、热、力、化学、生物学等功能之间的转化与变换。例如等功能之间的转化与变换。例如功能转换及其材料29 6.压电与电致伸缩材料压电与电致伸缩材料l压压电电效效应应：在在外外界界压压力力(或或张张力力)作作用用下下，无无对对称称中中心心的的晶晶体体因因弹弹性性形形变变而而沿沿一一定定方方向向产产生生电电极极化化的的现现象。在无外电场存在下，有时称为正压电效应。象。在无外电场存在下，有时称为正压电效应。l电电致致伸伸缩缩效效应应：外外力力为为零零时时，在在外外电电场场作作用用下下晶晶体体线度发生变化的现象，逆压电效应。线度发生变化的现象，逆压电效应。l凯凯迪迪(Cady)法法则则：对对于于同同一一晶晶体体，由由外外力力引引起起的的极极化化强强度度(正正效效应应)，由由外外电电场场引引起起的的(逆逆效效应应)应应变变，二二者的方向一致。者的方向一致。l因此，因此，压电效应压电效应和和电致伸缩效应电致伸缩效应有一致性的表达式有一致性的表达式.6.压电与电致伸缩材料30压电材料压电材料/电致伸缩材料电致伸缩材料 l压压电电与与电电致致伸伸缩缩材材料料：主主要要是是无无机机晶晶体体(单单晶晶)和和陶陶瓷瓷(多多晶晶)，及及具具有有闪闪锌锌矿矿型型、纤纤锌锌矿矿型型结结构构的的半半导导体体，近近年年来来已已发发现现一一些些有有机机聚聚合合物物(如如聚聚氟氟乙乙烯烯)；热释电材料热释电材料 和和 铁电材料铁电材料 都是优良的都是优良的 压电材料。压电材料。l典典型型的的压压电电材材料料：晶晶体体 石石英英、酒酒石石酸酸钾钾钠钠、酒酒石石酸酸二二钾钾、磷磷酸酸二二氢氢钾钾；晶晶体体或或陶陶瓷瓷 钛钛酸酸钡钡、锆锆钛钛酸酸铅铅；LiNbO3,LiCaO3等。等。例子例子lBaTiO3(C2v 或或C4v):陶陶瓷瓷相相 d31=79,d33=191;单单晶晶 d15=392,d31=34.5,d33=85.6(10 12 库库仑仑/牛牛顿顿),Q33=0.41,Q32=0.16,Q66=0.22 (10 16 库仑库仑/牛顿牛顿).压电材料/电致伸缩材料 压电与电致伸缩材料：主要是无机晶体(31压电材料的应用压电材料的应用压电材料的应用32 6.热电与热释电材料热电与热释电材料热电效应及材料热电效应及材料l热电效应：塞贝克热电效应：塞贝克(Seebeck)效应、珀耳帖效应、珀耳帖(Peltier)效应、效应、汤姆逊汤姆逊(Thomson)效应。效应。见教材见教材 p359.l热电合金：合金热电偶材料；热电合金：合金热电偶材料；低温温差发电、制冷材料低温温差发电、制冷材料,如如 Bi2Te3,Bi2Se3,Sb2Te3等合金。等合金。l热电陶瓷：氧热电陶瓷：氧(碳碳,氮氮,硼硼,硅硅)化化 物，可用于热电转换。物，可用于热电转换。l热电聚合物：如热电聚合物：如 聚偏氟乙烯及聚偏氟乙烯及 其共聚物。其共聚物。6.热电与热释电材料热电效应及材料热电效应：33 7.热释电材料热释电材料l热释电效应热释电效应：宏观对称性属于第：宏观对称性属于第类点群的晶体，存类点群的晶体，存在自发电极化在自发电极化 Ps，当有温度变化，当有温度变化 T 时，由时，由 Ps 产生的产生的表面束缚电荷因来不及被大气中的自由电荷所屏蔽，表面束缚电荷因来不及被大气中的自由电荷所屏蔽，致使相对应的二表面显示出电位差致使相对应的二表面显示出电位差 V。Ps=1 T+2 T,V=ARs(dPs/dT)(dT/dt)l 一级一级热释电系数热释电系数：1=dPs/dT，体积变化无关；，体积变化无关；l二级二级热释电系数热释电系数：2，体积变化有关。，体积变化有关。l 2 T：次级次级热释电效应热释电效应，由引起，由引起 热应变热应变 所产生的所产生的电极化，与压电效应类似。电极化，与压电效应类似。lA为电极面积，为电极面积，Rs 为负载电阻，为负载电阻，(dT/dt)为变温速率。为变温速率。7.热释电材料热释电效应：宏观对称性属于第34 热释电材料及其应用热释电材料及其应用l热释电材料：对称性属于第热释电材料：对称性属于第类点群的类点群的压电材料压电材料，而而铁电材料铁电材料都是优良的热释电材料都是优良的热释电材料;主要是单晶主要是单晶和陶瓷，通常被做成和陶瓷，通常被做成10 50 m 厚膜。例如厚膜。例如l热释电晶体热释电晶体 铌酸钡锶铌酸钡锶(Sr,Ba)Nb2O6 厚膜，厚膜，La3+:(Sr,Ba)Nb2O6，钽酸锂，钽酸锂 LiTaO3等。等。l有机晶体，如有机晶体，如 聚偏二氟乙烯等。聚偏二氟乙烯等。l热释电器件通常用光调制，故对热释电材料的电热释电器件通常用光调制，故对热释电材料的电性能、光性能的具体要求因器件及其应用而异。性能、光性能的具体要求因器件及其应用而异。l主要用于热释电探测器：检测红外激光，非接触主要用于热释电探测器：检测红外激光，非接触测温，火车轴测温，森林放火，无损探伤等。测温，火车轴测温，森林放火，无损探伤等。热释电材料及其应用热释电材料：对称性属于第类35 8.铁电材料（体）铁电材料（体）l铁电效应：晶体内电偶极子铁电效应：晶体内电偶极子 可随外电场方向改变而转向，可随外电场方向改变而转向，并有滞后的现象。并有滞后的现象。lPr:剩余极化强度。剩余极化强度。lEc:矫顽电场强度。矫顽电场强度。l居里温度居里温度 ：材料：材料 从非铁电相转变为从非铁电相转变为 铁电相的温度。铁电相的温度。铁电效应的电滞回线图铁电效应的电滞回线图 8.铁电材料（体）369.铁磁(体)材料l铁磁效应铁磁效应：晶体内晶体内 磁偶极子可随外电磁偶极子可随外电 场方向改变而转向，场方向改变而转向，并有滞后的现象。并有滞后的现象。lB:磁感应强度磁感应强度lBr:剩余磁化强度。剩余磁化强度。lHc:矫顽磁场强度。矫顽磁场强度。l居里温度居里温度 ：材料：材料 从非铁磁相转变为从非铁磁相转变为 铁磁相的温度。铁磁相的温度。铁磁效应的磁滞回线图铁磁效应的磁滞回线图9.铁磁(体)材料37重要结论重要结论 非热释电体非热释电体(类点群类点群)压电体压电体 非铁电体非铁电体(Ps不随不随E转转向向)热释电体热释电体(类点群类点群)铁电体铁电体(Ps随随E转向转向,滞后滞后)铁电体铁电体 必为必为 热释电体热释电体 和压电体，和压电体，热释电体热释电体 必为必为 压电体。反之不成立。压电体。反之不成立。对称性属于第对称性属于第类点群的材料，功能优异。类点群的材料，功能优异。重要结论 389.光电转换材料光电转换材料光电效应光电效应l l光电效应光电效应光电效应光电效应：电磁辐射与物质相互作用导致物质中的电：电磁辐射与物质相互作用导致物质中的电子吸收光子能量而被子吸收光子能量而被激发激发的过程，亦即在光照射下介的过程，亦即在光照射下介质产生光电子、电动势或光电导的现象。质产生光电子、电动势或光电导的现象。l从能量守恒定律和动量守恒定律可知：从能量守恒定律和动量守恒定律可知：自由电子不可能吸收光子，只有原子、分子、离子中自由电子不可能吸收光子，只有原子、分子、离子中的束缚电子和晶体中的电子才能实现的束缚电子和晶体中的电子才能实现光电效应光电效应。9.光电转换材料光电效应光电效应：电磁辐射与物质相互作用39光电效应（续）光电效应（续）外外外外光电效应，内光电效应，光生伏特效应光电效应，内光电效应，光生伏特效应光电效应，内光电效应，光生伏特效应光电效应，内光电效应，光生伏特效应l l外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应(光电发射光电发射光电发射光电发射)：凝聚体凝聚体(固体、液体固体、液体)吸收光吸收光子能量后子能量后逸出逸出(发射发射)电子电子(光电子光电子)的现象。的现象。利用利用光电发射光电发射的器件：的器件：真空光电管、真空光电池、光电倍增管、光电摄像管。真空光电管、真空光电池、光电倍增管、光电摄像管。l l内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应(光电导光电导光电导光电导)：在光照射下介质在光照射下介质(半导体和电介质半导体和电介质)的载流子（电子、空穴）浓度增大而电阻减小的现象。的载流子（电子、空穴）浓度增大而电阻减小的现象。光子能量光子能量 h 0 纯物质的纯物质的电导活化能电导活化能 (能隙能隙)Wa，电子，电子吸收能量后从价带跃迁到导带，从而产生传导电子和空吸收能量后从价带跃迁到导带，从而产生传导电子和空穴。穴。0 称为光导红限。称为光导红限。光电效应（续）外光电效应，内光电效应，光生伏特效应外光电效40光电效应（续）光电效应（续）内光电效应，光生伏特效应内光电效应，光生伏特效应内光电效应，光生伏特效应内光电效应，光生伏特效应 内光电效应内光电效应(光电导光电导)的特性的特性：n-型半导体的光电导具有纯电子性，型半导体的光电导具有纯电子性，p-型半导体的光电导具有纯空穴性。型半导体的光电导具有纯空穴性。物质的光电导与入射的单色光光强呈正比。物质的光电导与入射的单色光光强呈正比。但是但是 由于光子加速电子和空穴的复合过程而降低邻区的电由于光子加速电子和空穴的复合过程而降低邻区的电子浓度，因此光的强吸收使半导体的电导率减小。子浓度，因此光的强吸收使半导体的电导率减小。l l光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应(阻挡层光电效应阻挡层光电效应阻挡层光电效应阻挡层光电效应)：金属与半导体接触面金属与半导体接触面附近由附近由内光电效应内光电效应而产生一定方向电动势的现象。该而产生一定方向电动势的现象。该接触呈单向导电性，使得紧靠接触面的半导体层内载接触呈单向导电性，使得紧靠接触面的半导体层内载流子贫化。流子贫化。典型接触典型接触 p-n 结结.光电效应（续）内光电效应，光生伏特效应 内41光电动势与光电池材料光电动势与光电池材料l l光电动势光电动势光电动势光电动势：半导体的内光电效应破坏了接触区内载：半导体的内光电效应破坏了接触区内载流子的均衡分布，使接触电位差偏离平衡值，即产流子的均衡分布，使接触电位差偏离平衡值，即产生生光电动势光电动势。l阻挡层光电效应的阻挡层光电效应的 红限红限 取决于取决于 能隙能隙 Wa。单色光引。单色光引起的光电动势与光强成比例。起的光电动势与光强成比例。l l太阳光太阳光太阳光太阳光(能能能能)电池电池电池电池：理想的光电池光源是太阳光，故：理想的光电池光源是太阳光，故受到普遍重视的是太阳光电池的研究。光电池受到普遍重视的是太阳光电池的研究。光电池 光电光电转换效率转换效率 取决于材料取决于材料 对入射光的吸收率对入射光的吸收率 和和 光能光能-电能转换率电能转换率。禁带宽度。禁带宽度(能能隙隙)Wa 是关键。是关键。Wa 在在 0.9 1.5 eV 范围内的半导体太阳光电池，范围内的半导体太阳光电池，光能光能-电电能转换率能转换率可达可达 50%。光电动势与光电池材料光电动势：半导体的内光电效应破坏了接触区42光电动势与光电池材料光电动势与光电池材料(续续)l l光光光光电电电电池池池池材材材材料料料料：主主要要是是无无机机半半导导体体材材料料，实实际际应应用用的的是是单单晶晶体体材材和和薄薄膜膜，其其中中单单晶晶硅硅(Wa=1.07 eV)占占第第一一位位。目目前前研研究究较较多多的的是是GaAs,InP,CdTe,GaAsP等等化化合合物物半半导导体体。多多晶晶硅硅、非非晶晶硅硅、硫硫化化镉镉陶陶瓷瓷，以以及及超超晶晶格格半半导导体体等等材材料料受受到到重重视视。有机、金属有机化合物半导体的研究工作很活跃。有机、金属有机化合物半导体的研究工作很活跃。光电动势与光电池材料(续)光电池材料：主要是无机半导体材料，43二维聚金属四氮杂卟啉优化二维聚金属四氮杂卟啉优化CdS的例子的例子二维聚金属四氮杂卟啉优化CdS的例子44电光效应与电光材料l电电光光效效应应：在在外外电电场场作作用用下下，介介质质的的折折射射率率发发生生变变化化的的现现象象。实实质质：在在强强电电场场作作用用下下，介介质质内内部部发发生生电电极极化化而而引起折射率变化，并出现引起折射率变化，并出现双折射双折射现象现象(电致双折射电致双折射)。l有效电致双折射有效电致双折射(率率)的公式：的公式：l式式中中，为为垂垂直直于于电电场场强强度度E方方向向的的折折射射率率；第第一一项项(线线性性部部分分)为为一一级级电电光光效效应应(Pockels效效应应),c 为为一一次次电电光光系系数数；第第二二项项(非非线线性性部部分分)为为二二级级电电光光效效应应(Kerr效效应应)，R为二次电光系数。为二次电光系数。l透透明明铁铁电电体体，随随组组成成和和外外加加电电场场的的不不同同，可可呈呈现现出出一一次次电光效应、二次电光效应和电光记忆效应。电光效应、二次电光效应和电光记忆效应。电光效应与电光材料电光效应：在外电场作用下，介质的折射率发生45电光材料及其举例电光材料及其举例l l电电电电光光光光材材材材料料料料的的的的品品品品质质质质要要要要求求求求：在在使使用用波波长长范范围围内内，光光吸吸收收率率小小(透透明明度度高高)和和散散射射率率小小，折折射射率率大大但但受受温温度度影影响响小小，介介电电损损耗耗角小，电光系数大，电阻率大。角小，电光系数大，电阻率大。l典型的透明铁电陶瓷：锆钛酸镧铅，组成为典型的透明铁电陶瓷：锆钛酸镧铅，组成为 Pb1 xLax(ZryTi1 y)1(x/4)O3。例例如如,对对于于入入射射光光波波长长 546 nm，PLZT(7/62/38):一次电光系数一次电光系数 c=4.43 10 10 m /V.lPLZT(9/65/35):二次电光系数二次电光系数 R=9.116 10 16 m 2/V 2.l压压电电晶晶体体可可能能具具有有一一次次电电光光效效应应，铁铁电电晶晶体体可可能能具具有有一一次次和和二次电光效应。二次电光效应。l欲在可见光范围内使用，必须视觉透明。欲在可见光范围内使用，必须视觉透明。电光材料及其举例电光材料的品质要求：在使用波长范围内，光吸收4610.半导体材料半导体材料 l半导体是一大类很重要的功能材料，是信息、半导体是一大类很重要的功能材料，是信息、能源、空间、军事、电子和微电子技术领域的能源、空间、军事、电子和微电子技术领域的关键基础材料，属于生命力强大、发展迅速的关键基础材料，属于生命力强大、发展迅速的科技与产业领域。科技与产业领域。l l半导体的导电特征半导体的导电特征半导体的导电特征半导体的导电特征：载流子是电子（：载流子是电子（n型半导体）、型半导体）、空穴（空穴（p 型半导体）、离子，电导率型半导体）、离子，电导率 随温度升高而随温度升高而增大、随压力增大而增大。增大、随压力增大而增大。l l良导体（金属）的导电特征良导体（金属）的导电特征良导体（金属）的导电特征良导体（金属）的导电特征：载流子是电子、离子，：载流子是电子、离子，电导率电导率 随温度升高而减小。随温度升高而减小。10.半导体材料 半导体是一大类很重要的功能材料，是信息、47半导体的本征导电与杂质导电半导体的本征导电与杂质导电l本征导电：本征导电：化学纯化学纯半导体的导电行为。总电导率半导体的导电行为。总电导率 l 0 是当是当 T 趋近于无限大时的趋近于无限大时的电导率。电导率。l杂质导电：由杂质中心产生的导电行为。杂质导电：由杂质中心产生的导电行为。l杂质中心（即杂质）：基质外来元素的原子、基质杂质中心（即杂质）：基质外来元素的原子、基质某元素过剩的原子，晶格缺陷（空位、位错、裂缝某元素过剩的原子，晶格缺陷（空位、位错、裂缝等）。等）。施主施主(供电子供电子)、受主、受主(供空穴供空穴)原子。原子。半导体的本征导电与杂质导电本征导电：化学纯半导体的导电行为。48半导体的种类半导体的种类l单质半导体单质半导体：单晶和非晶态单晶和非晶态 Si,Ge(本征，本征，n 型型),Se(本征，本征，p 型型);Si(P,As),Ge(As)(杂质，杂质，n 型型),Si(B,Al),Ge(Ga)(杂质，杂质，p型型)。l化合物半导体化合物半导体：ZnO,TiO2,GaAs,GaAsP,InP,CdS(本征，本征，n型型),Cu2O,NiO(本征，本征，p型型),LiBr,CsF(离子型离子型)；掺杂后得；掺杂后得杂质杂质型。型。l金属有机半导体金属有机半导体：电荷转移盐或化合物，金属酞菁、金属四氮杂卟啉的聚合物电荷转移盐或化合物，金属酞菁、金属四氮杂卟啉的聚合物等。等。半导体的种类单质半导体：4911.快离子导体快离子导体l快离子导体快离子导体(fast-ion conductor),又称为又称为超离子导体超离子导体(Super-ion cond.)：属于固体电解质，由体积小的阳离：属于固体电解质，由体积小的阳离子（有时为阴离子）迁移引起导电，其淌度与水溶液中子（有时为阴离子）迁移引起导电，其淌度与水溶液中的离子淌度相近。的离子淌度相近。l 必要必要条件：载流子浓度高，能量等价的空位多，离子条件：载流子浓度高，能量等价的空位多，离子跳跃的活化能小。跳跃的活化能小。l基质主要是离子型无机氧化物、有机聚合物。基质主要是离子型无机氧化物、有机聚合物。l近十多年对快离子导体材料的研究极为重视。近十多年对快离子导体材料的研究极为重视。11.快离子导体快离子导体(fast-ion condu50主要应用领域主要应用领域l l高温化学电池高温化学电池高温化学电池高温化学电池 如如 ZrO2-CaO 作为快离子导体的电池，亦为氧作为快离子导体的电池，亦为氧浓度测定器；锂离子电池等。浓度测定器；锂离子电池等。l化学传感器化学传感器 如如 Pt(s),O2(g)/ZrO2-CaO/O2(g),Pt(s)（参比参比电极）电极）,既是电池又是氧传感器。既是电池又是氧传感器。主要应用领域高温化学电池 51l固体显示器件固体显示器件 以快离子导体作为可逆的电色材料用于信息显以快离子导体作为可逆的电色材料用于信息显示。如暗黄色示。如暗黄色WO3中掺杂中掺杂 Na 后因生成后因生成 NaxWO3黄而呈深蓝色，快而可逆。黄而呈深蓝色，快而可逆。化学是实用和创造性的科学课件525.电子陶瓷电子陶瓷l电子陶瓷：包括各种介电陶瓷，以及属于功能电子陶瓷：包括各种介电陶瓷，以及属于功能转换材料的热释电、压电、铁电、磁致伸缩陶转换材料的热释电、压电、铁电、磁致伸缩陶瓷，热敏、气敏等陶瓷。瓷，热敏、气敏等陶瓷。5.电子陶瓷电子陶瓷：包括各种介电陶瓷，以及属于功能转换材53