3电功能材料-武汉大学

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,化学的今天和明天,任课教师,：彭正合 教授,武汉大学化学系,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品方面的作用,3.2,化学在穿着方面的作用,3.3,化学与交通运输方面的关系,3.4,化学与食物方面的关系,3.5,化学与国防方面的关系,3.6,化学与执法方面的关系,3.7,化学生活质量的贡献,3.8,关于未来,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并加以改造，使之更好地为我们服务。,3.1,化学在住房和日用品方面的作用,只有沙、石、木材是天然材料，但它们需要用合成的化学品粘接（如各种粘接剂）和保护（如各种涂料和油漆，各种装饰板）。,水泥、玻璃、陶瓷、防漏剂、塑料管材及板材都是化学品。,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。,厨房许多设施、餐具、器皿以及饮料瓶都是化学品。,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。,许多地毯、装饰面料和染料都是化学品。,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。,导线及其包皮、照明灯具等绝大多数是化学品。,燃料、燃气是化学品，燃烧和烹饪有化学变化。,进入住宅的自来水也经过了化学处理。,在住房和日用品方面，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染料。,皮革和毛皮经过了化学品鞣制和化学处理。,大量合成皮革和合成橡胶替代了天然品。,棉花、亚麻和羊毛都经过了化学处理和染色。,在穿着方面，没有与化学无关的物品。,3.3,化学,与交通运输方面的关系,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。,例如,金属、塑料、油漆，显然是化学品。,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，如氯丁橡胶。,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。,化学的作用始于食物供应之初的农业。,化学肥料为农作物提供了氮、磷、钾，以及其他化学元素。,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。,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。,3.4,化学与食物方面的关系,(,续）,化学的另一贡献，是开发安全的食品防腐剂和符合卫生标准的包装方法。,食品冷藏法，建立在合成冷冻剂的基础之上。,利用氯气或臭氧的水处理方法，保障了洁净水供应。,药物化学家开发了兽药，保障了家畜的健康。,各种加工食品的添加剂、发酵粉都是化学品，加工过程都有化学变化。,各种饮料和酒类，都有化学家的贡献。,我们不可能从食物中除去“化学品”，但是我们必须保证所用化学品是安全和有效的。,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，然而一旦战争爆发，人人都希望取得胜利。,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“矛和盾”两方面都发挥着极其重要的作用。,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。,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，反应释放出大量热能和气体，如,N,2,和,CO,2,等，热气体急剧膨胀而产生爆炸。,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、冲击波和热能，并使空气急剧膨胀。,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。,化学武器及其防御物本身更是化学家的杰作。,生物武器及其防御物，至少是利用了微生物释放的化学毒剂。,隐身技术靠化学家设计的隐身材料：吸收雷达波、吸收红外光的材料。,侦察、探测技术，导弹制导技术，都离不开专门的功能材料，如特种电子材料。,3.6,化学与执法方面的关系,海洛因、可卡因、摇头丸等毒品和违禁药，是不法化学家的作品，禁毒和执法工作正式真正化学家的工作之一。,化学家所用到的分析、检测方法，几乎都用于执法。例如法医学家的各种鉴定方法，包括通过,DNA,鉴定来识别罪犯。,警察的装备，像军人的装备一样离不开化学品，包括催泪性毒气、麻醉性子弹。,3.7,化学生活质量的贡献,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。,3.8,关于未来,新型,电,功能材料,材料的电学及电子学性能,导电性：以电荷迁移为特征，取决于,载流子,（电子、空穴、离子）,浓度,、,电荷迁移率,。,介电性：以电荷偏离（电极化）为特征，取决于,电极化率,。,1.,导电性相关的材料（按电导率,划分）,良导体：, 10,6,Scm,1,; ( S ,1,),半导体：,10,6,Scm,1,10,6,Scm,1,;,绝缘体：,10,6,Scm,1,与介电性,紧密相关。,超导体,：,无限大、电阻为零，与磁性紧密相关，亦属于磁功能材料。,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的电极化。,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。,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。,（通）常介电体：外电场下发生电极化。,3.,超导材料 超导现象,1911,年, 氦液化器发明人 - 荷兰科学家,Onnes,偶然发现，在液氦温度(4.2,K,),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,超导现象,。,超导现象仅当物质处于,临界温度,T,C,、,临界磁场强度,H,C,和,临界电流密度,J,C,以下的条件下，才能发生。,超导,状,态,T,-,H,-,J,三维图,J,J,C,（,临界电流密度）,T,-,H,-,J,临界面,H,T,C,H,C,（,临界磁场强度,）,T,临界温度,T,C,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然是1973年获得的,Nb,3,Ge,(,T,C,=23.2 K)，,只能在液氦温度下使用。,氦气稀少、液化困难，液氦保温和使用不便、价格昂贵；,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1/1000）。,寻求至少能在液氮温度下使用的超导材料。,一个热门研究领域,高温超导材料：临界温度,T,C,高于液氮温度（ 77,K,）的超导材料的简称。,1986,年1月，瑞士科学家,Mller,等发现：,Ba,x,La,5x,Cu,5,O,6(3-y),氧化物陶瓷在30,K,时出现超导性转变，到,13,K,时电阻为零。,同年底，美国、日本科学家宣布：重复了,Mller,等人的实验结果，,引发了全世界的,高温超导,研究热。,理想,：,实现室温超导,。,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果：一种镱,-,钡-铜-氧（,YBCO,）,系陶瓷，,T,C,= 93 K,中国科大的铋-铅-铜-氧系陶瓷，,T,C,= 132 K,已证实，各种,YBCO,系超导陶瓷中，实际产生超导作用的是,Y,1,Ba,2,Cu,3,O,7 8,相（,A,相）。,中科院上海硅酸盐所确定了,Y,1,Ba,2,Cu,3,O,7 8,相的晶体结构，对称性,C,2v,.,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、应用前景诱人。,重要应用的 6 个方面,：,能量的产生、传输和储存,如超导线圈可使发电机的能量损失减少 80 %，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 10 % 左右。,交通运输,磁悬浮列车，磁悬浮汽车等。前者如：,日本1979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。,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，超导开关管可在弱磁场下获得强电流变化。,分析检测仪器和传感器,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测人体的极微弱磁场。,航天和军事技术领域,超导体磁屏蔽、天线、电磁炮。,基础科学,超导磁体用于加速器等。,4.,生物功能材料,生物功能材料：与生物组织相容性好，可供植入生物活体内的生物活性或惰性材料。,聚合物,、,陶瓷,和,金属,。,医用聚合物：用于制造,人工组织,、,人造器官,及,内植辅助装置,，,医药制剂,，医疗器具的聚合物；通常不计后者。,聚四氟乙烯：人工脑硬膜、瓣膜、肺、喉头、食道、胆道、尿道等器官。,有机硅橡胶：,(,同上,),，气管、耳、鼻、关节等器官。,聚乙烯：同上“逗号”后。,氨酯橡胶：人工心脏、瓣膜、血管等器官。,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，组织相容性好，亲水性良好。用于硬组织器官或体内植辅助装置。,刚玉,Al,2,O,3,用于人造牙齿、骨骼、关节等；羟基磷灰石,Ca,5,(PO,4,),3,(OH),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。,5.,功能转换材料,1994,年,4,月,法国,科学与生活,月刊文章 “智能材料革命” 摘要,:,局限于计算机软件中的,人工智能,正在进入一个更加广阔的应用新领域,材料领域。今天，所有工业大国都有“智能材料”研究的重大计划。,例如，一些研究所正在秘密研制“贴”在机翼上的“智能皮”，以取代起飞、转向、降落所必须的尾翼和各种襟翼。这些覆盖层可以根据飞行员的指令改变外形，起到与飞机尾翼和襟翼相同的作用。,智能材料,的基础，是对自然或诱发的外力、外场作出反应，自动适应环境。,用制成的元、器件，还可以接收信息，按指令行动。,三大类智能材料,形状记忆材料,：具备形状记忆功能的,铜镍基合金,，可以“学会”一种形状并且随意复原，经低温变形后受热即可恢复原形。,电致伸缩,和,磁致伸缩材料,：由陶瓷或合成材料制成，具有在电场或磁场作用下变形的能力。更重要的是，其变形程度随电场或磁场强度而变化。这种明确的因果关系，具有很大的实用价值。,压电材料,：将是,2000,年的最新冶金材料，具有能与人类神经系统相比的特性和运作方式。它既有条件反射的速度，又有执行大脑指令前的分析能力。,功能转换及其材料,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,6.,压电与电致伸缩材料,压电效应：在外界压力,(,或张力,),作用下，无对称中心的晶体因弹性形变而沿一定方向产生电极化的现象。在无外电场存在下，有时称为正压电效应。,电致伸缩效应：外力为零时，在外电场作用下晶体线度发生变化的现象，逆压电效应。,凯迪,(Cady),法则,：对于同一晶体，由外力引起的极化强度,(,正效应,),，由外电场引起的,(,逆效应,),应变，二者的方向一致。,因此，,压电效应,和,电致伸缩效应,有一致性的表达式,.,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,(,单晶,),和,陶瓷,(,多晶,),，及具有闪锌矿型、纤锌矿型结构的,半导体,，近年来已发现一些有机聚合物,(,如聚氟乙烯,),；热释电材料 和 铁电材料 都是优良的 压电材料。,典型的压电材料,：晶体 石英、酒石酸钾钠、酒石酸二钾、磷酸二氢钾；晶体或陶瓷 钛酸钡、锆钛酸铅；,LiNbO,3, LiCaO,3,等。,例子,BaTiO,3,(,C,2v,或,C,4v,):,陶瓷相,d,31,=, 79,d,33,= 191;,单晶,d,15,= 392,d,31,=, 34.5,d,33,= 85.6 ( 10,12,库仑,/,牛顿,),Q,33,= 0.41,Q,32,= 0.16,Q,66,= 0.22 ( 10,16,库仑,/,牛顿,).,压电材料的应用,6.,热电与热释电材料,热电效应及材料,热电效应：塞贝克,(Seebeck),效应、珀耳帖,(Peltier),效应、汤姆逊,(Thomson),效应。 见教材,p359.,热电合金：合金热电偶材料；,低温温差发电、制冷材料,如,Bi,2,Te,3, Bi,2,Se,3, Sb,2,Te,3,等合金。,热电陶瓷：氧,(,碳,氮,硼,硅,),化,物，可用于热电转换。,热电聚合物：如 聚偏氟乙烯及,其共聚物。,7.,热释电材料,热释电效应,：宏观对称性属于第,类点群的晶体，存在自发电极化,P,s,，当有温度变化,T,时，由,P,s,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，致使相对应的二表面显示出电位差,V,。,P,s,=,1,T,+,2,T,V,=,AR,s,(,d,P,s,/d,T,)(d,T,/d,t,),一级,热释电系数,：,1,= d,P,s,/d,T,，体积变化无关；,二级,热释电系数,：,2,，体积变化有关。,2,T,：,次级,热释电效应,，由引起 热应变 所产生的电极化，与压电效应类似。,A,为电极面积，,R,s,为负载电阻，,(d,T,/d,t,),为变温速率。,热释电材料及其应用,热释电材料：对称性属于第,类点群的,压电材料,，而,铁电材料,都是优良的热释电材料,;,主要是单晶和陶瓷，通常被做成,10 50,m,厚膜。例如,热释电晶体 铌酸钡锶,(Sr,Ba)Nb,2,O,6,厚膜，,La,3+,:(Sr,Ba)Nb,2,O,6,，钽酸锂,LiTaO,3,等。,有机晶体，如 聚偏二氟乙烯等。,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。,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。,8.,铁电材料（体）,铁电效应：晶体内电偶极子,可随外电场方向改变而转向，,并有滞后的现象。,P,r,:,剩余极化强度。,E,c,:,矫顽电场强度。,居里温度,：材料,从非铁电相转变为,铁电相的温度。,铁电效应的电滞回线图,9.,铁磁,(,体,),材料,铁磁效应,：,晶体内,磁偶极子可随外电,场方向改变而转向，,并有滞后的现象。,B,:,磁感应强度,B,r,:,剩余磁化强度。,H,c,:,矫顽磁场强度。,居里温度,：材料,从非铁磁相转变为,铁磁相的温度。,铁磁效应的磁滞回线图,重要结论,非热释电体,(,类点群,),压电体,非铁电体,(,P,s,不随,E,转向,),热释电体,(,类点群,),铁电体,(,P,s,随,E,转向,滞后,),铁电体 必为 热释电体 和压电体，,热释电体 必为 压电体。反之不成立。,对称性属于第,类点群的材料，功能优异。,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导致物质中的电子吸收光子能量而被,激发,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。,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、离子中的束缚电子和晶体中的电子才能实现,光电效应,。,光电效应（续）,外,光电效应，内光电效应，光生伏特效应,外光电效应,(,光电发射,),：,凝聚体,(,固体、液体,),吸收光子能量后,逸出,(,发射,),电子,(,光电子,),的现象。,利用,光电发射,的器件：,真空光电管、真空光电池、光电倍增管、光电摄像管。,内光电效应,(,光电导,),：,在光照射下介质,(,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。,光子能量,h,0,纯物质的,电导活化能,(,能隙,),W,a,，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穴。,0,称为光导红限。,光电效应（续）,内光电效应，光生伏特效应,内光电效应,(,光电导,),的特性,：,n,-,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。,物质的光电导与入射的单色光光强呈正比。 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子浓度，因此光的强吸收使半导体的电导率减小。,光生伏特效应,(,阻挡层光电效应,),：,金属与半导体接触面附近由,内光电效应,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流子贫化。 典型接触,p,-,n,结,.,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内载流子的均衡分布，使接触电位差偏离平衡值，即产生,光电动势,。,阻挡层光电效应的 红限 取决于,能隙,W,a,。单色光引起的光电动势与光强成比例。,太阳光,(,能,),电池,：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 光电转换效率 取决于材料,对入射光的吸收率,和,光能,-,电能转换率,。禁带宽度,(,能,隙,),W,a,是关键。,W,a,在,0.9 1.5 eV,范围内的半导体太阳光电池，,光能,-,电能转换率,可达,50%,。,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，实际应用的是单晶体材和薄膜，其中单晶硅,(,W,a,= 1.07 eV),占第一位。目前研究较多的是,GaAs, InP, CdTe, GaAsP,等化合物半导体。多晶硅、非晶硅、硫化镉陶瓷，以及超晶格半导体等材料受到重视。有机、金属有机化合物半导体的研究工作很活跃。,二维聚金属四氮杂卟啉优化,CdS,的例子,电光效应与电光材料,电光效应：在外电场作用下，介质的折射率发生变化的现象。实质：在强电场作用下，介质内部发生电极化而引起折射率变化，并出现,双折射,现象,(,电致双折射,),。,有效电致双折射,(,率,),的公式：,式中， 为垂直于电场强度,E,方向的折射率；第一项,(,线性部分,),为一级电光效应,(Pockels,效应,),c,为一次电光系数；第二项,(,非线性部分,),为二级电光效应,(Kerr,效应,),，,R,为二次电光系数。,透明铁电体，随组成和外加电场的不同，可呈现出一次电光效应、二次电光效应和电光记忆效应。,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，光吸收率小,(,透明度高,),和散射率小，折射率大但受温度影响小，介电损耗角小，电光系数大，电阻率大。,典型的透明铁电陶瓷：锆钛酸镧铅，组成为,Pb,1,x,La,x,(Zr,y,Ti,1,y,),1,(x /4),O,3,。例如,对于入射光波长,546 nm,，,PLZT(7/62/38):,一次电光系数,c,= 4.43,10, 10,m,/ V,.,PLZT(9/65/35):,二次电光系数,R,= 9.116,10, 16,m,2,/ V,2,.,压电晶体可能具有一次电光效应，铁电晶体可能具有一次和二次电光效应。,欲在可见光范围内使用，必须视觉透明。,10.,半导体材料,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。,半导体的导电特征,：载流子是电子（,n,型半导体）、空穴（,p,型半导体）、离子，电导率,随温度升高而增大、随压力增大而增大。,良导体（金属）的导电特征,：载流子是电子、离子，电导率,随温度升高而减小。,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。总电导率,0,是当,T,趋近于无限大时的,电导率。,杂质导电：由杂质中心产生的导电行为。,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、裂缝等）。 施主(供电子) 、受主 (供空穴)原子。,半导体的种类,单质半导体,：,单晶和非晶态,Si, Ge (,本征，,n,型),Se (,本征，,p,型,);,Si (P,As), Ge(As) (,杂质，,n,型),Si(B,Al), Ge(Ga) (,杂质，,p,型)。,化合物半导体,：,ZnO, TiO,2, GaAs, GaAsP, InP, CdS (,本征，,n,型),Cu,2,O, NiO,(,本征，,p,型,),LiBr,CsF(,离子型,)；掺杂后得,杂质,型。,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等。,11.,快离子导体,快离子导体,(,fast-ion conductor),又称为,超离子导体,(,Super-ion cond.),：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，其淌度与水溶液中的离子淌度相近。,必要,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。,基质主要是离子型无机氧化物、有机聚合物。,近十多年对快离子导体材料的研究极为重视。,主要应用领域,高温化学电池,如,ZrO,2,-CaO,作为快离子导体的电池，亦为氧浓度测定器；锂离子电池等。,化学传感器,如,Pt(s),O,2,(g) /,ZrO,2,-CaO,/ O,2,(g),Pt(s),（,参比电极）, 既是电池又是氧传感器。,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示。如暗黄色,WO,3,中掺杂,Na,后因生成,Na,x,WO,3,黄而呈深蓝色，快而可逆。,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料的热释电、压电、铁电、磁致伸缩陶瓷，热敏、气敏等陶瓷。,