功能材料及其应用复习资料.docx
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功能材料及其应用复习资料
绪论
功能材料的定义：
具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料
结合键：
原子（离子或分子）间的作用力。
结合键分类：
化学键：
离子键、共价键、金属键物理键：
分子键、氢键。
晶胞的定义：
在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的小平行六面体，反映晶格特征的最小几何单元。
整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。
晶胞三条棱边的边长a、b、c及晶轴之间的夹角a、B、丫称为晶胞参数
晶系：
根据晶胞的外形，即棱边长度之间的关系和晶轴夹角的情况，将晶体分
为七大晶系。
1848年，法国晶体学家布拉菲（A.Bravais）用数学方法证明只能有14种空间点阵。
a.简单晶胞：
7个只有在每个角上含有阵点
b.复合晶胞：
7个除了每个角外，晶胞内部或面上还含有阵点
第一章导电材料复习
导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大
类。
电子导电材料的导电起源于电子的运动。
电子导电材料包括导_
体、超导体和半导体。
导体的电导率》105S/m,超导体的电导率为无限大（在温度小于临界温度时）,半导体的电导率为10-7-
104S/m。
当材料的电导率<10-7S/m时，就认为该材料基本上不能导电，而称为绝缘体。
离子导电材料的导电机理则主要是起源于离子的运动，由于离
子的运动速度远小于电子的运动速度，因此其电导率也远小于电子导电材料的电导率，目前最高不超过102S/m,大多都在100S/m以下。
导体的能带结构所示有三种结构：
（a）类有未充满的能带，能
带间相互重叠，无禁带；（b）类价电子充满下面的能带，上面紧接着另一个空能带，无禁带；（c）类有未充满的能带，该能带与上面的空带间有禁带。
但是不论何种结构，导体中均存在电子运动的通
道即导带。
（a）类的导带由未满带、重带和空带构成，（b）类的导
带由空带构成，（c）类的导带由未满带构成。
电子进入导带运动均不需能带间跃迁。
导体中的散射中心有两类：
一类是晶格原子的热振动,与温度
T有关；另一类是晶格缺陷,无相变时，一般与温度无关。
不论何
种温度，电阻率P均随温度升高而升高。
相反，电导率。
随温度升高而降低，这也是导体的一个特征。
1911年OnnesHK在研究极低温度下金属导电性时发现，当温度降到4.20K时，汞的电阻率突然降到接近于零。
这种现象称为汞的超导现象。
某些金属，金属化合物及合金，当温度低到一定程度时，电阻突然消失，把这种处于零电阻的状态叫做超导态，
有超导态存在的导体叫做超导体。
超导体从正常态（电阻态）过渡到超导态（零电阻态）的转变叫做正常-超导转变，转变时的温度Tc称为这种超导体的临界温度。
揭示出超导电性的微观本质的理论是由巴丁、库柏和施里弗三
人建立的BCS理论（Bardeen、Cooper和Schrieffer）。
BCS理论认为，在绝对零度下，对于超导态、低能量的电子（在费米球内部深处的电子）仍与在正常态中的一样。
但在费米面附近的电子，
则在吸引力的作用下，按相反的动量和自旋全部两两结合成库柏
对、这些库柏对可以理解为凝聚的超导电子。
从动量角度看，在超
导基态中，各库柏对单个电子的动量可以不同，但每个库柏对总是
涉及各个总动量为零的对态，因此，所有库柏对都凝聚在零动量上。
当正常的金属载流时，将会出现电阻，因为电子会受到散射而改变动量，使载流子沿电场方向的自由加速受到阻碍。
而在超导体情况下，组成库柏对的电子虽然会受到不断地散射，但是，由于
在散射过程中，库柏对的总动量维持不变，所以电流没有变化，
呈无阻状态
本征半导体能带结构：
下面是价带，由于纯半导体的原子在绝
对零度时，其价带是充满电子的，因此是一个满价带。
上面是导带，
而导带是空的。
满价带和空导带之间是禁带
由于它的价电子和原
子结合得不太紧，其禁带宽度Eg比较窄，
般在1eV左右。
价
带中的电子受能量激发后，如果激发能大于
Eg,电子可从价带跃
迁到导带上，同时在价带中留下一个空穴，
空穴能量等于激发前电
子的冃匕量。
半导体价带中的电子受激发后从满价带跃迁到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子的负电荷。
同时，在满价带中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可按电子运动相反的方向
运动而传导正电荷。
因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。
激发既可以是热激发,也可以是非热激发，通过激发，半导体中产生载流子，从而导电。
可分为元素半导体和化合物半导体。
元素半导体又可分为本征半导体和杂质半导体。
化合物半导体又可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种半导体。
按掺杂原子的价电子数分可分为施主型（又叫电子型或n型）和受主型（又叫空穴型或p型）。
前者掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，后者正好相反。
按晶态分可分为结晶、微晶和非晶半导体。
半导体中价带上的电子借助于热、电、磁等方式激发到导带叫本_
征激发。
满足本征激发的半导体叫本征半导体。
本征半导体是高纯度无缺陷的元素半导体，其杂质小于十亿分之一个。
利用将杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂质能级（带）激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发。
这种半导体叫杂质半导体。
杂质半导体本身也都存在本征激发，因此杂质半导体有杂质激
发，又有本征激发。
一般杂质半导体中掺杂杂质的浓度很小，如十
亿分之一即可达到目的
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IVA族元素（C,Si,Ge,Sn）中掺以VA族元素（P,As,Sb,Bi）
后,造成掺杂元素的价电子多于纯元素的价电子，其导电机理是电
子导电占主导，这类半导体是n型半导体。
在VA族元素掺以皿A族元素（如B）时，掺杂元素价电子少于纯元素的价电子，它们的原子间生成共价键以后，还缺一个电子，而在价带中产生逾量空穴。
以空穴导电为主，掺杂元素是电子受主，这类半导体称p型或空穴型或受主型。
杂质半导体的能带结构：
（a）是n型，逾量电子处于施主能级，施主能级与导带底能级之差为Ed,而Ed大大小于禁带宽度Eg。
因此，杂质电子比本征激发更容易激发到导带，而导带在通常温度下，施主能级是解离的，即电子均激发到导带。
Eg与Ed
相差近三个数量级。
例如硅掺十亿分之一As时，其Eg为1.73
x10-19j,Ed为6.4X10-21J。
错掺十亿分之一Sb时,其Eg为1.15x10-19J,Ed为1.6X10-21J。
（b）是p型，其逾量空穴处于受主能级。
由于受主能级与价带顶端的能隙Ea远小于禁带
宽度Eg,价带上的电子很易激发到受主能级上，在价带中形成空穴
导电。
非晶态半导体对杂质的掺入不敏感。
非晶态半导体结构不具有敏感性，掺入杂质的正常化合价都被饱和。
即全部价电子都处在键合状态，例如非晶错或非晶硅中的硼都是三重配位的，因此它在电学
上表现为非激活状态。
非晶态半导体由于它对杂质的不敏感性，因
此几乎所有的非晶态半导体，都具有本征半导体的性质。
非晶态半
导体由于它是非结晶性的，因此无方向性，所以没有结晶方式、提纯、杂质控制等麻烦工艺。
故非晶态半导体便于大量生产，并且价
格低廉。
非晶态半导体多制成薄膜，禁带宽度可在1.2—1.8eV之
间调节，暗电导率较小，易于制成大面积薄膜。
但其载流子寿命较短，迁移率小。
因此，一般不作为电子材料，而作为光电材料，适用于太阳能电池、传感器、光盘和薄膜晶体管等。
广泛使用的半导体硅器件的工作温度不能超过200C,而航空
航天等军事工业要求工作温度为500〜600C。
半导体器件在高温
工作时易被热击穿和烧坏。
另外，由于本征激发产生的载流子浓度增加，造成稳定性恶化。
而本征激发载流子浓度随禁带宽度Eg的
增加而降低。
因此，要研制Eg大和耐高温的半导体。
目前深入研究的主要有碳化硅和人造金刚石膜两种。
一般具有离子结构的材料都有离子电导现象存在，但大部分材
料的离子电导率都很低，达不到导电的要求，故离子电导材料一般
指的是电导率》10-4S/m，且其电子电导对总电导率贡献可忽略不计的材料，又称快离子导体。
氧离子导体有荧石型和钙铁矿型氧离子导体。
以ZrO2为基的固溶体为荧石型结构的氧离子导体，它是1900年最早发现的。
ZrO2基固溶体的导电主要是O2-离子。
虽然它们的导电活化能高达0.65~1.10eV,按离子导电材料的导电活化能v0.5eV这个指标来看，不能称为离子导电材料，但由于它们在高温下有比较高的O2-离子电导，在科研和工业生产上已经得到实际应用。
第二章介电材料
介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的材料。
电极化是在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象。
带电粒子在电场下作微小位移的性质称为介电性。
尤电场
lb）
一般介电陶瓷材料在电场下产生的极化可分为四种，即电子极
化、离子极化、偶极子趋向极化和空间电荷极化。
电子极化是在电场作用下，使原来处于平衡状态的原子正、负电荷重心改变位置，即原子核周围的电子云发生变形而引起电荷重心偏
离，形成电极化。
离子极化是处在电场中多晶陶瓷体内的正、负离
子分别沿电场方向位移，形成电极化。
偶极子趋向极化是非对称结
构的偶极子在电场作用下，沿电场方向趋向与外电场一致的方向而产生电极化。
空间电荷极化是陶瓷多晶体在电场中，空间电荷在晶粒内和电畴中移动，聚集于边界和表面而产生的极化。
通常极化是由
以上四种极化叠加引起的。
在晶体的32种对称点群中，有11种具有对称中心。
晶格上为非
极性原子或分子，在电性上完全中性的，称为各向同性介电体。
另外，有20种点群结构晶体，其结构上无对称中心的，称为压
电晶体。
压电晶体中有10种点群的晶体是极性晶体，具有热释电性，称
为热释电晶体。
热释电晶体中在外电场作用下能够随电场改变电偶极子方向的晶体称为铁电晶体。
电介质分子的极化需要一定的时间，完成极化的时间叫弛豫时间T,其倒数称弛豫频率f。
电子极化的f约1015Hz,相当于紫外频率，原子（离子）极化的f约1012Hz,处于红外区，取向极化的f在10°〜1010Hz之间，处于射频和微波区。
在交变电场作用下，由于电场频率不同，极化对电场变化的反应也不同。
当fV100〜1010Hz时，三种极化都可建立。
当1010HzVfV1013Hz时，取向极化来不及建立。
当1013Hzvfv1015Hz时，离子极化也来不及建立，只有电子极化能建立,
这叫极化的滞后。
因此，极化强度与交变电场的频率有关。
铁电体指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外电
场而反向的晶体。
铁电体具有电滞回线。
铁电体还有一个特点就是它
具有许多电畴。
所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一致。
因此，凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。
晶体的铁电相通常是由自发极化方向不同的区域、按一定规律组
成的。
每一个极化区域称为铁电畴，分隔电畴的间界称为畴壁。
当无外电场时，电畴无规则所以净极化强度为0。
而当施加外电场时，与电场方向一致的电畴长大，而其他电畴变小，因此，极化强度随电场强度变大而变大。
第三章压电材料
没有对称中心的材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引起电极化和电场，其值与应力的大小成比例。
其符号取决于应力的方向。
这种现象称为正压电效应。
逆压电效应则与正压电效应相反，当材料在电场的作用下发生电极化时，则会产生应变，其应变值与所加电场的强度成正比。
其符号取决于电场的方向。
此现象称为逆压电效应。
压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移，当不存在应变时电荷在晶格位置上的分布是对称的，所以其内部电场为零。
但是当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不再保持对称就会出现净极化，并将伴随产生一电场，这个电场就表现为压电效应。
只有那些原胞无对称中心的物质才有可能产生压电效应。
所有铁电晶体在铁电态下也同时具有压电性，即对晶体施加应
力，将改变晶体的电极化。
但是，压电晶体不同时具有铁电性。
石英是压电晶体，但并非铁电体；钛酸钡既是压电晶体又是铁电体。
机电耦合系数k是一个综合反映压电晶体的机械能与电能之间耦合关系的物理量，所以它是衡量压电材料性能的一个很重要参数。
其定义为：
k=转化的机械能/静电场下输入的电能（逆压电效应）或
k=机械能转化的电能/输入的机械能（正压电效应）
机电耦合系数k是一个无量纲的物理量。
在所有高分子压电材料中，聚偏二氟乙烯（PVDF）具有特殊的地位，它不仅具有优良压电性、热电性和铁电性，而且还有优良的机械性能。
第四章热电材料
所谓热电材料就是把热转变为电的材料。
热电材料分为温差电动势材料，热电导材料和热释电材料。
由两种不同的导体（或半导体）A、B组成的闭合回路，当两接点保持在不同温度T1,T2时，回路中将有电流I通过，此回路称热电回路。
回路中出现的电流称为热电流。
回路中出现的电动势Eab称为塞贝克电动势。
此效应称为塞贝克效应。
在热电回路中，正与两接点间的温度差而引起的塞贝克电动势相反，通电时，在回路中会引起两种热效应，珀尔帖和汤姆逊热效应。
前者出现在电极的两个接头处；后者发生在两个电极上。
珀尔帖热效应：
在热电回路的两个接头处，当电流I流过时将发生可逆的热效应，即有△Qw的吸收或释放（依电流的方向而定）,其大小与电流I和流通的时间△t成正比，即
△Qii二IIabI△
式中的比例系数HAB称为珀尔帖系数，其大小等于接点处通过单位电荷时吸收（或释放）的热量。
这种可逆的温差电热效应由珀尔帖（Peltier）在1834年发现
的。
由于珀尔帖效应，会使回路中一个接头发热，一个接头致冷。
实质上是塞贝克效应的逆效应。
汤姆逊热效应：
在热电回路中，流过电流I时，在存在温度梯度dT/dx的导体上也将出现可逆的热效应，是放热还是吸热，依温度梯度和电流的方向而定，热效应的大小厶QT与电流I、温度梯度dT/dx和通电流的时间虫成正比，这种可逆的温差电热效应是由汤姆逊（Thomson）
从理论上预言的
温差电动势材料常用的有铜—康铜，金—金铁。
热释电材料实质为温敏材料，温度变化电导率变化较大。
热释电材料是指当某些晶体受温度变化影响时，由于自发极化的变化而在晶体特定方向上产生表面电荷。
第五章光电材料光能转变为电能的一类能量转换功能材料。
常用三种光电功能材料：
（1）光电子发射材料
（2）光电导材料
（3）光电动势材料
光电子发射现象：
当光照射到材料上，光被材料吸收产生发射电子的现象。
光电子发射材料：
具有光电子发射现象的材料。
对于半导体,价电子逸出体外的条件是价电子吸收光子的能量以后,从价带跃迁到导带,然后再向表面扩散。
负电子亲和势材料的发射效率比正电子亲和势材料的发射效率高得多。
（或绝
受光照射电导急剧上升的现象被称为光电导现象。
具有此现象的材料叫光电导材料。
又称作内光电效应材料或称为光敏材料。
光照到半导体是两种载流子,它们都参与导电。
由于光的作用产生的附加电导称之为光电导
按光电导原理也可以反过来了解禁带宽度。
当光的能量增加到一
定值时，光电导急剧上升，此时的光频V与禁带宽度的关系为
Eg=hu。
式中Eg为禁带宽度;h为普朗克常数；u为光电导急剧增加时的光频。
在光照下，半导体p-n纟吉的两端产生电位差的现象称为光生伏特效应。
具有此效应的材料叫光生伏特材料又称光电动势材料。
光电动势的原理，简言之是光照下，在光电动势材料上形成阻挡层,
两面可以产生电动势。
太阳能电池和光生伏特检测器都是光电动势
材料的重要应用。
（一）半导体p-n结的电子-空穴情况
一个n型半导体与一个p型半导体接触，将会在结的p侧存在自由空穴以及相等浓度的（-）电离受主杂质原子，这样才能保持电中性。
在结的n侧存在自由电子以及相等数目的（+）电离施主杂质原子。
载流子与受主和施主杂质原子处于热平衡，因此在晶
体各处空穴浓度与电子浓度之和为常值，符合质量作用定律。
空穴恤度
-*
\电于谶度
亠卜
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十
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・JI
1
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—-T
（a）⑻
图5-5p-n結的載流子诳度3）和结区的内建电场（b）图
在每侧都存在低浓度的少数型载流子（图中夸大地表示法）,与多数载流子处于热平衡。
聚集在p侧的空穴倾向于通过扩散均匀地分布满整个晶体,电子倾向于从n侧扩散出去。
但是扩散会破坏电中性。
一旦发生载流子扩散就必将引起少量电荷转移,因而在p侧留下过量（-）电离受主原子,而在n侧留下过量地（+）电离施主原子,如图5-5（b）所示。
由此产生的电荷偶极层就会出现一个自n区指向p区的电场,它阻止继续扩散,维持两种载流子类型的分离。
这种在p-n结区附近由受主（-）离子与施主（+）离子产生的静电势梯度阻止扩散。
这种p-n结区电场称为内建电场。
由于存在这种偶极层,晶体内的静电势在p-n结区就出现一个突变。
在偶极层中,正电层和负电层中的电子和空穴（即载流子）的数目都是很少的,因此它的电阻很高,这一层称为阻挡层,阻挡层起到阻止电子和空穴扩散的作用。
有了阻挡层才能使扩散达到平衡。
尽管有内建电场存在,但是在整个p-n结中没有剩余的空穴和电子,因此p-n结中并无外场电动势,外电场为零。
（二）光生电动势的产生
对于上述情况,如果光照射到p-n结的接触面时,情况就大不一样,这时p-n结能够吸收光子,由于光激发而使电子和空穴激发。
又由于有内建电场的存在,受到内建电场的作用,空穴将向p区移动而积累,而电子将相反,向n区移动而积累,从而形成净空间电荷。
这些空间电荷不能够越过阻挡层而复合,这样必将有电动势产生。
在这种情况下,p-n结就形成光电池。
二、光电池的特征值
1.开路电压Vo
Vo是表示光电池在开路时的电压，也就是光电池的最大输出电压。
2.短路电流Io
Io是表示光电池在外电路短路时的电流，也就是光电池的最大
电流。
3.转换效率n
转换效率n为光电池的最大输出功率与入射到光电池结面上的辐射功率之比，即
光电池最大输出功率_IE
入射到结面上的辐射功率S
（5-5）
式中I——光电流；
E――光电动势；
S相关灵敏度；
©光入射通量。
n与禁带宽度有关，当禁带宽度Eg=0.9〜1.5eV时，叶最高。
因此，应该尽量选择这样大小的禁带宽度的材料做光电池。
GaAs、AlSb、CdTe为材料制成的太阳能电池都可以达到最高的转换效率。
但是,AlSb易潮解,CdTe不易制成大面积的太阳能电池，而GaAs以及它的固溶体是比较理想的光电池材料。
4.光谱响应曲线
光谱响应曲线是表示Vo-入Io—入，n入的关系曲线。
它可表示在某波长下的开路电压，短路电流以及转换效率，因此这些曲线也是表示光电池特征值的曲线。
单晶硅太阳能电池的优点是其禁带宽度不大，Eg=1.07eV,因此
实际n可达18%。
其光谱响应曲线与太阳的光谱响应曲线接近，因
此转换效率高。
单晶硅形成表面氧化层的折射率在硅与空气之间故反射损失小，其工艺成熟，易掺杂。
其缺点主要是价格昂贵，使用寿命不太长。
非晶硅制造太阳能电池是一种有前途的方法，虽然它的效率还很低，约10%左右，但是自从解决了掺杂工艺，非晶硅太阳能电池发展很快。
其优点是工艺简单，对杂质的敏感性小，并且可以制成大尺寸，价廉。
其缺点是转换效率不高，不够稳定。
第六章磁性材料
抗磁性物质的磁化率为-10-5〜-10-8，顺磁性、反铁磁性、亚铁磁性和铁磁性物质的磁化率分别为10-3〜10-6、10-3〜10-5、1〜
104和1〜105,因此抗磁性物质表现为抗磁，顺磁性和反铁磁性
物质表现为弱磁，亚铁磁性和铁磁性物质表现为强磁。
所谓软磁材料就是矫顽力很低（v0.8KA/m）的磁性材料，
亦即当材料在磁场中被磁化,移出磁场后，获得的磁性便会全部或大部丧失。
软磁材料的主要磁特性是：
①矫顽力和磁滞损耗低；②
电阻率较高，磁通变化时产生的涡流损耗小；③高的磁导率，有时要求在低的磁场下具有恒定的磁导率；④高的饱和磁感应强度；⑤某些材料的磁滞回线呈矩形，要求高的矩形比。
铁损是指铁磁性材料在交变磁场中反复磁化所消耗的功率。
铁损一般由磁滞损耗和涡流损耗和剩余损耗所组成。
通常，铁磁性材料
磁化时，出现磁滞现象，每磁化一周所消耗的能量正比于磁滞回线的面积，这种能量损失称为磁滞损耗。
按照电磁感应定律，铁磁材
料在交变磁场中磁化，材料内磁通量发生变化时，在磁通的周围会产生感应电动势，因铁磁材料是导电物质，感应电动势将在垂直于磁通方向的截面上感应出闭合的涡流电流。
由它所引起的焦耳损失称为涡流损耗。
假定材料的磁导率始终是一常数，涡流损耗可用下式
Pe
1.64f2d2B；
10
10
计算
（W/m3）（6-4）
式中f——频率（Hz）;
d材料厚度（mm）;
Bm――最大磁感应强度（T）;
p电阻率（cm）。
经过换算,Pe的单位可以由W/m3转换成W/kg。
例
如，P1.5/50为2.34W/kg,是指最大磁感应强度为1.5T,频率为5OHz时，每公斤材料的铁损为2.34W。
提高电阻率可降低涡流损耗。
剩余损耗包括弛豫损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗
矫顽力He:
软磁材料在对称周期磁化条件下，磁感应强度B
=0时所相应的磁化场强度称为矫顽力He。
饱和磁感应强度Bs:
在磁化场足够强的情况下，软磁材料可能达到的最大磁感应强度，称为饱和磁感应
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