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α、β、γ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≥105 S/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ρ均随温度升高而升高。相反 , 电导率σ随温
度升高而降低 , 这也是导体的一个特征。
1911 年Onnes HK 在研究极低温度下金属导电性时发现 , 当温度降到4.20 K 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 , 一般在 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能量。
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。
Ⅳ A 族元素(C,Si,Ge,Sn) 中掺以Ⅴ A 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Ⅳ A 族元素掺以Ⅲ 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 × 10-19J,Ed 为 6.4 × 10-21J 。锗掺十亿分之一Sb 时 , 其 Eg 为
1.15 × 10-19J,Ed 为 1.6 × 10-21J 。 (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 , 例如非晶锗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 200℃ , 而航空航天等军事工业要求工作温度为 500～600℃。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ZrO 2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。ZrO 2基固溶
体的导电主要是O 2-离子。虽然它们的导电活化能高达 0.65~1.10 eV, 按离子导电材料的导电活化能＜0.5eV 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O 2-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。
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、负电荷重心改变位臵，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τ，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 100～1010Hz 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 f ＜100～1010Hz 时，三种极化都可建立。当 1010Hz ＜f ＜1013Hz 时，取向极化来不及建立。当 1013Hz ＜ f ＜1015Hz 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臵上的分布是对称的，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 △Q II 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
△Q II =ⅡAB I △t
式中的比例系数ⅡAB 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△QT 与电流I 、温度梯度 dT/dx 和通电流的时
间△t 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。
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 ( 或穴 ,这是两种载流子 , 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
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ν与禁带宽度的关系为
Eg=hυ 。式中 Eg 为禁带宽度 ;h 为普朗克常数 ; υ为光电导急剧
增加时的光频。
在光照下 ,半导体 p-n 结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。
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η
转换效率η 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
η=光电池最大输出功率IE ＝入射到结面上的辐射功率ΦS
(5-5)
式中 I ――光电流 ;
E ——光电动势 ;
S ——相关灵敏度 ;
φ——光入射通量。
η与禁带宽度有关 , 当禁带宽度 Eg=0.9～ 1.5eV 时 , η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-λ,I O －λ , η-λ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η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( ＜ 0.8KA/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 , 涡流损耗可用下式计算 : P e =21. 64f 2d 2B m
ρ⨯10-10
（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);
ρ——电阻率 (Ω〃 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 5O Hz 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 Hc：软磁材料在对称周期磁化条件下 , 磁感应强度 B =O 时所相应的磁化场强度称为矫顽力H C 。
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 , 称为饱和磁感应强度。
剩余磁感应强度 Br：软磁材料经一定强度的磁场磁化后 , 再将磁场强度减至零 , 此时材料内所剩的磁感应强度 , 称为剩余磁感应强度 , 通常简称为剩磁Br 。 Br不仅与材料本身有关 , 而且与材料的磁化过程有关。
复数磁导率μ：
在交变电磁场中要用复数磁导率μ为
μ = μ/-j μ//
其中实部μ/ 称弹性磁导率 , 虚部μ//称粘性磁导率。而实部μ/ 和虚部μ//之比 , 即 tan δ=μ''
μ'
δ称为损耗角 ,tanδ 称为损耗角正切或损耗因子。
常用的软磁材料有纯铁、硅钢片、铁镍合金、软磁铁氧体等。 所谓电工用纯铁 , 是一种含碳量低 , 含铁量 99.95％以上的软钢。它在平炉中进行冶炼时 , 用氧化渣除去碳、硅、锰等元素 , 再用还原渣除去磷和硫 , 出钢时在钢包中加入脱氧剂而得。这种电工用纯铁在退火状态 , 起始磁导率μi 为300～500μ0 , 最大磁导率
μm 为 6 000～12 000μ0 , 矫顽力 Hc 为 39.8～95.5A/m 。
电工用纯铁只能在直流磁场下工作，在交变磁场下工作，涡流损耗大。如果在纯铁中加入0.38％～4.5％ 硅 , 使之形成固溶体 , 可以提高材料电阻率 , 减少涡流损耗 , 这种材料称为硅铁合金 , 或者称电工用硅钢片。
纯铁中加入硅后 , 使材料的物理性质发生变化。表现在 :
(1) 热导率 λ 改变。铁的热导率在加入硅后剧烈地降低。
(2) 电阻率ρ改变。随着含硅量增加到 5%, 硅铁合金的电阻率急剧上升。
(3) 相对密度d 改变。随着含硅量的增加 , 比重几乎是直线地降低。
含 3% Si 的 Si-Fe 合金片由于其饱和磁通密度高 , 是电力变压器和配电变压器中大量采用的材料。
镍铁合金主要是含镍量为 30%～90% 的镍铁合金 , 通常称坡莫合金。镍铁合金由 Fe 、 Ni 、Mo 、 Cr 、 Cu 等元素组成。
镍铁合金有很高的起始磁导率μi 和最大磁导率μm , 电阻率在
50μΩ〃cm 左右 ,BS 较低。
软磁铁氧体是铁氧体材料中的一种 , 是一种容易磁化和退磁的铁氧体。其特点是起始的磁导率高 , 矫顽力小 , 损耗小 , 使用频率可达高频、超高频范围。软磁铁氧体属于半导体类 , 电阻率为 102～1012Ω〃cm 。
常用的软磁铁氧体有镍锌铁氧体和锰锌铁氧体。镍锌铁氧体在高频领域中是很重要的材料 , 由于电阻率高 , 可用于 1～200 MHz 的频率范围 , 在使用频率范围内 , 要求这种材料有尽可能小的磁损耗及起始磁导率的温度系数。锰锌铁氧体属于高导磁 ( 低频 ) 铁氧体 , 电阻率比较低 (≈102Ω〃cm), 适用于 1MHz 以下 硬磁材料是具有强的抗退磁能力和高的剩余磁感应强度的强磁性材料 , 又称永磁材料。 表征硬磁材料性能的主要参数是剩余磁感应强度Br 、矫顽力H C 和最大磁能积 (BH)max , 三者愈高 , 硬磁材料
性能越好。由此引起这类材料具有大的磁滞损耗。
磁性材料的硬和软 , 也可以是指机械手段 , 因为任何提高磁性材料机械强度的手段 , 也往往产生出比较硬的磁性材料。更为确切的方法是用磁滞回线形状区分硬磁材料和软磁材料 , 磁性材料的软硬程度可以用 Br〃Hc 乘积来度量。
硬磁材料主要用于制造永久磁铁。永久磁铁一旦经外加磁场饱和
磁化后 , 如果撤去外加磁场 , 在磁铁两个磁极之间的空隙中便可产生恒定磁场 , 对外界提供有用的磁能。然而 , 与此同时 , 磁铁本身将受到退磁场作用 , 退磁场的方向和原来外加磁场的方向是相反的 , 因此 , 永磁体的工作点将从剩磁 Br 点移到磁滞回线第二象限 , 即退磁曲线的某一点上, 永久磁铁的实际工作点用 D 表示。由此可见 , 硬磁材料性能好坏 , 应该由退磁曲线上的有关物理量来衡量。剩余磁感应强度Br 、表观磁感应强度 BD 、矫顽力Hc 、最
大磁能积(BH)max、回复磁导率μrev 等都是硬磁材料的特征值。
永磁材料的矫顽力 Hc 有两种定义 : 一个是使磁感应强度 B =O 所需的磁场值 , 常用 BHC 或 HC 表示 ; 一个是使磁化强度 M=O
所需的磁场值 , 常用 MHc 表示。永磁材料矫顽力的大小主要由各种因素(如磁各向异性、掺杂、晶界等) 对畴壁不可逆位移和磁畴不可逆转动的阻滞作用的大小来决定 , 阻滞越大 , 矫顽力就越大。
退磁曲线的凸出程度可用凸出系数γ表示 :
γ＝（BH ）max/Br〃Hc
硬磁材料可分成以下几类 : ①铸造硬磁合金 ; ②可变形硬磁合金 ; ③稀土硬磁合金 ; ④硬磁铁氧体 ; ⑤粘结磁体等。 稀土硬磁合金包括稀土-钴和稀土-铁系金属间化合物 , 为硬磁材料中性能最高的一类。最早的稀土硬磁合金是稀土钴磁铁 , 可以用 RxMy表示。 R 属于周期表的第 3 族 , 包括从原子序号为 57(La) 到 71(Lu) 和 39(Y) 表示的稀土元素 ;M表示铁族的过渡元素。稀土钴磁铁的 Br 值 大致与铝镍钴合金的接近 , 其矫顽力约为铁氧体
的三倍。稀土钴磁铁还具有小体积可以产生大磁场 , 稳定性好 , 不易受外磁场的影响 , 高温下使用不会退磁等特点。这类材料的种类划分上人们习惯于把已批量生产的RCo5称为第一代永磁材料,R2Co17 称为第二代永磁材料。例如钐钴合金 (Sm Co5 ),（BH ）max 为 195.9
～222.9 kJ/m3,Br 为l000mT,Hc 为788.2KA/m 。与第一代永磁材料相比，第二代永磁材料用Fe 、Cu 、Zr 取代部分Co, 如 Sm(Co)0.61Mn 0.12Zr 0.01Hf 0.01Fe 0.15）8.2合金性能好 ,Sm 含量少 , 成本
低 ,(BH)max为 297.7kJ/m3,Br 为1260mT 。
对于前两代稀土永磁合金而言 , 各组分配比是提高材料磁性能的关键。在价格上由于 Co 的原因往往较高。 1983 年日本首先报导的用 Nd 取代 Co 的 Nd-Fe -B 合金在磁性能上及价格上都优于稀土钴磁铁材料 , 称之为第三代永磁材料。 Nd-Fe-B 材料的出现 , 立即引起广泛关注。 1985 年日本生产的Nd-Fe-B 材料 , 其 (BH)max 为 302.5 kJ/m3;1990年我国研制的Nd-Fe-B 材料 (BH)max 突破了 39O kJ/m3 。第三代稀土永磁材料的最大缺点是居里温度较低、温度稳定性和环境稳定性较差。目前主要有通过材料的化学成分和通过材料的表面处理两种抗腐蚀方法。处于研究阶段的第四代永磁材料主要有Sm 2Fe 17Cx 、Sm 2Fe 17Nx 、Sm-Fe -Ti 等 ,(BH)max的理论值
高达45O kJ/m3。
铁氧体是铁元素与氧化合形成的各种类型的化合物。
广义而言 , 铁氧体就是磁性氧化物或磁性陶瓷。铁氧体的起始磁化率和饱和磁感应强度一般都低于软磁材料 , 但其电阻率却高几
个数量级 , 大大降低了涡流损耗。因此 , 铁氧体制成的器件可用于非常高的频率 , 达到并包括微波范围。实用的铁氧体大多数是软磁的 , 也有些铁氧体 , 如钡铁氧体和锶铁氧体为硬磁的。铁氧体的特征值参考软磁材料和硬磁材料外 , 还有电阻率和介电常数。
非晶态磁性合金的一个很重要特征值是饱和磁致伸缩系数 λs 。 所谓磁致伸缩就是磁性材料磁化时发生线度的变化 , λs 是该变化程度的度量。一般来说λs 越小 , 非晶态合金的磁性能越好。非晶态磁性合金的应用 , 目前国内外都有较快的进展。根据非晶态磁性合金的磁性能的不同 , 可以广泛应用于电力供应、磁芯、电感元件、传感器、磁屏蔽等诸多方面。例如用非晶态合金制作的电机可使铁芯损耗降低 90% 左右 ; 用非晶态合金制作的开关电源 , 其重量和体积可大大减小。
压磁效应是力学形变和磁性状态之间存在的机械能和磁能之间的转换效应 , 其逆效应称之为磁致伸缩效应。
所谓磁性液体是指铁磁性物质的极微小的颗粒表面吸附上一层表面活性剂 , 使其均匀稳定地弥散在某种基液之中，形成一种弥散溶液。 磁性液体由磁性微粒、表面活性剂和基液组成。
表面活性剂的选用主要是让相应的磁性微粒能稳定地悬浮在基液中。
第八章 透光和导光材料
透光材料包括透可见光 ( 波长 0.39～0.76μm ) 、红外光 ( 波长 1～1 000μm ) 和紫外光 ( 波长 0.01～0.4μm) 的材料。
透过率 T
透过率 T 为透射光强 IT 与入射光强 I0 之比 , 也称透光率。 T
I T
I 0
(8-1)
如图 8-1 所示 , 入射光强 Io, 射进介质和光强为 (1-R)Io, 反射掉部分光强为 IoR。 射进介质的光在穿过介质时被吸收一部分后 , 达到介质另一面的光强为 Io(1-R)e-al , 又被反射回介质内的光强为 IoR(1 -R) e-al , 最后透射出介质的光强 IT 为 Io(1-R)2
e -al 。因此 , 按式 (8-1), 透过率 T 为
T=(1-R)2 e-al (8
一2)
式中 α——吸收系数 ;
L ——介质长度。
一般取介质长度为 1O mm 的 T 值作为标准。
平均色散系数υD
透光材料中光学玻璃通常按折射率 nD 和平均色散系数υD 这两
个光学常数进行分类。 平均色散系数的表示式为
νD =n D -1
n F -n C (8-8)
式中 υD 一一平均色散系数 , 也称阿贝数 ;
nF 一一材料对标准谱线 F(λ=4861.3A) 的折射率 ;
n C 一一材料对标准谱线 C(λ=6562.7A) 的折射率 ;
n D 一一材料对标准谱线 D(λ=5892.9A) 的折射率。
n F -n C 一一平均色散 , 也称中部色散。
对于玻璃 , υD ＞ 50 称冕玻璃 , υD ＜50 称火石玻璃。 透可见光的材料常用的有玻璃和高聚物两大类。玻璃材料的透过率最高 ( 可高达 98％ 以上 ), 折射率范围大 (1.44～1.94), 色散系数范围大 (υD = 20～90 ) 光学稳定性好 , 耐磨损。玻璃材料
的缺点是密度大 (2.27～6.26g/cm3), 耐冲击强度低 , 加工困难 , 制造周期长。尽管如此 ,目前玻璃仍是制造各种光学元件特别是高、精光学元件的最主要的材料。
高聚物透光材料的优点为重量轻 ( 密度为 0.83～
1.46g/cm3) 、成本低、制造工艺简单、不易破碎。透光高聚物也有很多缺点 , 如折射率范围窄 , 热胀系数、双折射和色散大 , 耐热、耐磨、硬度、耐湿和抗化学性能差。
光通信中用于传播光信息的光学纤维所用的材料 , 称为光纤材料 , 又称为光波导纤维材料。 一切光纤的工作基础都是光的全内反射现象。
光纤材料按结构可分为包层型和自聚焦型两种 , 前者的折射率在皮和芯界面上呈突跃变化 , 后者的折射率则随半径呈梯度指数变化。
光在纤维中传输有一定的传输模式。光学上把具有一定频率 , 一定的偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式 , 或称为光的一种波型。传输模式是光学纤维最基本的传输特性之一 , 因此根据模式可分为单模光纤和多模光纤两种。所谓单模光纤就是一种光学纤维只允许传输一个模式的光波 , 而多模光纤则为一种光纤允许同时传输多个模式的光波。光学纤维具有均匀的芯子 ( 半径为 r, 折射率为 n1) 和均匀的包层 ( 折射率为n 2 ,n 2 ＜ n1) 。通过这种纤维的
光线有子午光线和斜光线两种。所谓子午光线就是在一个平面内弯曲进行的光线 , 它在一个周期内和光学纤维的中心轴相交两次 ; 斜光线则为不通过光学纤维的中心轴的光线。作为子午光线行进的条件为
数值孔径NA
习惯上把
2NA =n 12-n 22sin φ0＜n 12-n 2 2n 12-n 2 称之为光学纤维的数值孔径 NA, 即
根据子午光线行进的条件 ,NA 值越大 , φ0可以越大 , 因而
有较多的光线进入芯子。但 NA太大时 , 对单模传输不利 , 因为它易激发光的高次模传播方式。
1. 传输损耗 Q
传输损耗 Q 指光在纤维中传输途中的损耗 , 用下式表示 :
Q 10log I 2
I 1 (dB/km) (8-12)
式中 I1——入射光强 ;
I 2 ——出射光强 ;
Q ——传输损耗 (dB/km) 。
|Q| 越大 , 光信息传播的距离就越短 ,|Q| 越小 , 光信息传播的距离就越远。Q 值是衡量光学纤维通信介质质量好坏的一个最重要的指标。形成光学纤维传播损耗的机理有吸收损耗、本征散射和波导散射三种。
吸收损耗是一个重要的损耗 , 又可分本征吸收、杂质吸收和 OH- 离子吸收。本征吸收是物质的固有吸收 , 是组分原子振动产生的吸收 , 位于 8～12 μm 的红外区域和一个紫外波段。 杂质吸收主要有 Cu2+ 、 V3+ 、 Cs3+ 、 Mn3+ 、 Fe2+ 、 C02+ 和 Ni2+ 等杂质 , 它的吸收峰位于可见和红外区域。当原料经过多次精制后 , 金属杂质的吸收几乎完全消除。这时 OH- 离子的吸收就成为一种重要的杂质吸收损耗。在熔融石英玻璃中 , OH -的吸收带位于 0.5～1.O μm 波段 , OH -的基本吸收峰位于 2.7 μm 附近。 0.95 μm 和 0.72 μm 是振动损耗的二次和三次谐波。
本征散射是物质散射中最重要的 , 又称为瑞利散射 , 它是由玻璃熔制过程造成的密度不均匀而产生的折射率不均匀所引起的散射 , 它与波长的四次方成反比。这种损耗随波长的增加而很快减小。另外 , 掺杂不均匀 ( 如扩散不均匀 ) 也能引起散射 , 产生损
耗。
波导散射是由波导的结构缺陷产生的 , 如波导芯的直径有起伏 , 界面粗糙。凹凸不平 , 就会引起传导模的附加损耗 , 即波导散射损耗。
传输带宽是影响信息传输能力的一个重要因素。在光纤通信中 , 传输以光脉冲方式进行 , 信息通过调制方式加到光频载波上 , 把载波光按信息要求调制成一个光脉冲 , 光脉冲的调制频率愈高 , 它能传输的信息容量也愈大。
实际上 ,经输送的光脉冲 ( 方波窄脉冲 ) 传输一段距离后发生畸变和展宽 ( 成钟形的方波脉冲 ), 展宽的结果使光脉冲波型重叠 , 结果分辨不出所携带的信息。另一方面 , 能否无限制地增高光脉冲的调制频率 , 提高传输的信息容量 ? 不能 , 因为光学纤维的传输带宽受到材料色散、模式色散和构造色散的限制。
材料色散是指不同波长的光在介质中的折射率不一样。用数学式表示为
n=f(λ) (8-13)
式中 n ——材料折射率 ;
λ——波长。
该式说明介质的折射率是波长的函数 , 因为即使是单色光也都有一定的谱线宽度△λ。如He-Ne 激光的 6328Å 的谱线宽度为 10-7 Å 。
模式色散是指不同模式的光脉冲在光学纤维中传播速度不同所
产生的传输时间差。 构造色散是指由光纤结构上的原因引起的光传播速度的变化。
在多模光纤中 , 限制传输带宽的主要因素是模式色散 , 在单模光纤中 , 影响传输带宽的主要因素是材料色散。
由于石英光纤的工作波段为 0.85μm 和 1.30μm 。它目前达到的损耗已接近其极限值 , 降低的空间已很小。为了实现超远距离通信 , 必须使光纤在更长波长的红外窗口波段工作 , 这样才能得到更低的损耗 , 因此 , 研究红外光纤已成为当今光纤研究的主要方向。
第九章 发光材料
发光材料品种很多 , 按激发方式发光材料可以分为 :
（1）光致发光材料 : 发光材料在光 ( 通常是紫外光、红外光和
可见光 ) 照射下激发发光。
（2）电致发光材料 : 发光材料在电场或电流作用下的激发发光。
（3）阴极射线致发光材料 : 发光材料在加速电子的轰击下的激发发光。
（4）热致发光材料 : 发光材料在热的作用下的激发发光。
（5）等离子发光材料 : 发光材料在等离子体的作用下的激发发光。
1. 分立中心发光
发光材料的发光中心 ( 即发光体内部在结构中能发光的分子 )
受激发时并未离化 , 即激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光叫做分立中心发光。这种发光是单分子过程 , 并不伴随有光电导 , 故又称为 “非光电导型” 的发光。分立中心发光有以下两种情况 :
(l) 自发发光。受激发的粒子 ( 如电子 ), 受粒子内部电场作用从激发态 A 而回到基态 G 时的发光 , 叫自发发光 。这种发光的特征是 , 与发射相应的电子跃迁的几率基本上决定于发射体内的内部电场 , 而不受外界因素的影响。
(2) 受迫发光。受激发的电子只有在外界因素的影响下才发光 , 叫受迫发光。它的特征是 , 发射过程分为两个阶段 , 如图 9-l(b) 所示 , 受激发的电子出现在受激态 M 上时 , 从状态 M 直接回到基态 G 上是禁阻的。在 M 上的电子 , 一般也不是直接从基态 G 上跃迁来的 , 而是电子受激后 , 先由基态 G 跃迁到 A, 再到 M 态上 ,M 这样的受激态称为亚稳态。 受迫发射的第一阶段是由于热起伏 , 电子吸收能量 E 后 , 从 M 态上到 A, 要实现这一步 , 电子在 M 态上需要花费时间 , 等待机会 , 从 A 态回到 G 态是允许的 , 这就是受迫发射的第二阶段。由于这种发光要经过亚稳态 , 故又称受迫发光为亚稳态发光。
2. 复合发光
发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子 , 一般为正离子 ( 空穴 ) 和电子 , 这两种粒子在复合时便发光 , 即叫复合发光。由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散 , 从而构成特征
性光电导 , 所以复合发光又叫“光电导型”发光。
规定当激发停止时的发光亮度 L 衰减到 Lo 的 10% 时 , 所经历的时间为余辉时间 , 简称余辉。如人眼能感觉到余辉的长发光期间者为磷光 , 人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。
用紫外光、可见光及红外光激发发光材料而产生发光的现象称为光致发光 , 这种发光材料称为光致发光材料。
光致发光是一种三步过程 : ①吸收一个光子 ; ②把激发能转移到荧光中心 ; ③由荧光中心发射辐射。发光的滞后时间约为 10-8s 的称为荧光 , 衰减时间大于 10-8s 的称为磷光。
光的吸收和荧光发射均与材料的分子结构有关。材料吸收光除了可以转变为荧光外 , 还可以转变为其他形式的能量。因而 , 产生荧光最重要条件是分子必须在激发态有一定的稳定性 , 即如前所述的能够持续约 10-8s 的时间。多数分子不具备这一条件 , 它们在荧光发射以前就以其他形式释放了所吸收的能量。只有具备共轭键系统的分子才能使激发态保持相对稳定而发射荧光。
荧光材料主要是以苯环为基的芳香族化合物和杂环化合物。 具有缺陷的某些复杂的无机晶体物质 , 在光激发时和光激发停止后一定时间内 ( ＞ 10-8s) 能够发光 , 这些晶体称为磷光材料。磷光材料的主要组成部分是基质和激活剂两部分。 稀土三基色荧光粉分别是红粉、绿粉、蓝粉按一定比例混合而成。它解决了卤磷酸盐长期存在的光效和显色性不能同时提高的矛盾 , 更由于这类材料具有耐高负荷、耐高温的优异性能 , 成为新一
代灯用荧光粉材料。
Y 2 O3 : Eu3+ 是效率高、色纯度好、光衰性能稳定而惟一达到制
灯要求的稀土红粉。绿粉在稀土三基色荧光粉中 , 对灯的光通量、显色性等起主要作用。这类材料品种最多。稀土三基色荧光粉的蓝色组分 , 已实用的有铝酸盐体系和卤磷酸盐体系。
发光体在红外光的激发下 , 发射可见光 , 这种现象称为上转换发光 , 这种发光体称为上转换发光材料。
上转换发光现象有以下三种情况 : 第一种情况是确实有一个中间能级 , 在光激发下处于基态的电子跃迁到这个中间能态。电子在这个中间能态的寿命足够长 , 以致它还可吸收另一个光子而跃迁到更高的能级。电子从这个更高的能态向基态跃迁 , 就发射出波长比激发光的波长更短的光束 ; 第二种情况是中间能级并不存在 , 但发光体可以连续吸收两个光子 , 使基态电子直接跃迁到比激发光光子的能量大得更多的能级 ; 第三种情况是两个敏化中心被激发 , 它们把激发能按先后顺序或同时传递给发光中心 , 使其中处于基态的电子跃迁到比激发光光子能量更高的能级 , 然后弛豫下来 , 发出波长短得多的光。
上转换发光材料差不多都是掺稀土元素的化合物或者就是稀土元素的化合物 , 它们均由稀土离子激活 , 其中以 Yb3+-Er 3+ 最为常见。
所谓电致发光是在直流或交流电场作用下 , 依靠电流和电场的激发使材料发光的现象。 又称场致发光。这种发光材料称为电致发
光材料。或称场致发光材料。
p-n 结型电致发光材料主要指发光二极管所用材料。发光二极管是一种在低电压下发光的器件 , 它使用单晶或单晶薄膜材料。
作为发光二极管所用材料应该具有下述特性 :
(1) 发光在可见光区 , 禁带宽度能量 Eg ≥1.8eV, λ≤700nm 。
(2) 材料必须容易作成 n 型及 p 型。
(3) 具有高效率的发光中心或复合发光。
(4) 效率降至初始值一半的时间要大于 105 h, 如果是多元化合物 , 这个时间至少还要大 l0 倍左右。
(5) 材料要能生长成单晶 , 并能大量生产 , 还需价廉。
经常使用的 p-n 结型电致发光材料是Ⅱ- Ⅳ族化合物和Ⅲ -Ⅴ 族化合物。
四元化合物比三元化合物具有更大的自由度 , 可以在相当宽的范围内控制禁带宽度与晶格常数。如 InGaAsP 四元化合物在室温下能提供 0.55 μm 到 3.40 μm 的波长。
射线致发光材料可分为阴极射线致发光材料和放射线致发光材料两种。阴极射线致发光是由电子束轰击发光物质而引起的发光现象。放射线致发光是由高能的α、β 射线 , 或 X 光射线轰击发光物质而引起的发光现象。
X 射线致发光材料的发光原理为 : 发光材料在 X 射线照射下可以发生康普顿效应 , 也可以吸收 X 射线 , 它们都可产生高速的
光电子。光电子又经过非弹性碰撞 , 产生第二代 , 第三代电子。当这些电子的能量接近发光跃迁所需的能量时 , 即可激发发光中心 , 或者离化发光中心 , 随后发出光来。因而 , 一个 X 射线的光子可以引起很多个发光光子。例如 , 发光体被一个 5OkeV 的 X 射线光子激发时 , 如果材料的发光效率较高 , 可以产生近 5 000个可见光的光子。
CaW04 是应用得最早的 X 射线发光材料 , 现仍然被广泛地应用。稀土型 X 射线发光材料有两种类型 , 一种是以稀土化合物作为基质材料。另一种是以稀土元素作为材料的激活剂。
CT 系统 (X-ray Computed Tomography)。
等离子体是高度电离化的多种粒子存在的空间 , 其中带电粒子有电子、正离子 ( 也许还有负离子 ), 不带电的粒子有气体原子、分子、受激原子、亚稳原子等。由于气体的高度电离 , 所以 带电粒子的浓度很大 , 而且带正电与带负电粒子的浓度接近相等。等离子体发光主要是利用了稀有气体中冷阴极辉光放电效应。其发光的基本原理为 : 气体的电子得到足够的能量 ( 大于气体的离化能 ) 之后 , 可以完全脱离原子 , 即被电离。这种电子比在固体中自由得多 ,它具有较大的动能 , 以较高的速度在气体中飞行。而且电子在运动过程中与其他粒子会产生碰撞 , 使更多的中性粒子电离。 在大量的中性粒子不断电离的同时 , 还有一个与电离相反的过程 , 就是复合现象。 等离子体发光材料主要是惰性气体。如前所述的那样 , 等离子
显示中用的是以氖气为基质 , 另外掺一些其他气体 , 如氦气、氩气等。这些气体主要发橙红色光。如果掺加一些氙气则可以发出紫外光 , 在放电管的近旁涂上发光粉后 , 便能实现彩色显示。
第十章 激光材料
激光材料包括激光工质材料、激光调 Q 材料、激光调频材料和激光偏转材料。
四能级系统中产生受激辐射的低能级上不像三能级系统那样总有很多粒子，在热平衡条件下可以认为经常是空的。
另外它也不是系统中的基态能级，所以容易实现粒子数反转。 激光具有下列特点：
(1) 相干性好。所有发射的光具有相同的相位。
(2) 单色性纯。因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后，其他频率的光受到了相消干涉。
(3) 方向性好。光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过几次反射后被逸散掉。
(4) 亮度高。激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的辐射亮度比普通光高 108～1010 倍。
一台激光器通常由激光工作物质、激励源和谐振腔三部分组成。其中激光工作物质是激光器的核心，是激光器中借以发射激光的物质。对工作物质的要求是，它有一对有利于产生激光的能级。 这对能级中的上能级有足够长的寿命，也就是粒子被激发到该能级后能在
其中滞留较长的时间。因而能在该能级上积累比较多的粒子，于是与下能级之间形成粒子数反转。同时还要求这一对能级间有一定强度的跃迁，以产生激光。
发光物质发射光子的能量按频率(或波长) 分布的总体称为该物质的荧光光谱，也称发射光谱。
荧光能量转换效率ηE 定义为发射荧光的能量与被激活物质从
激励源吸收的能量之比。
激光工质材料按照材料的性质可以分为固体、气体、液体和半导体四种。
固体激光工作物质由激活离子和基质两部分。现有的激活离子主要有四类 :
一类是过渡金属离子。它们的 3d 电子无外层电子屏蔽，在晶体中受到周围晶体场的直接作用。因此，在不同晶体中，其光谱特性有很大的不同。
二类是三价稀土离子。它们的 4f 电子受 5s 和 5p 电子的屏蔽，受周围晶体场影响较弱。
第三类是二价稀土离子。
第四类是锕系金属离子。
晶体基质中激活离子常用以上一、二两类离子，而非晶体基质因其配位场作用，过渡金属离子不易激活，只能用 Nd3+ 为代表的三价稀土离子。
固体激光工作材料的基质包括晶体基质和非晶体(玻璃) 基质两类。
在晶体基质中，激活离子处于长程有序的点阵结构中，激活离子周围的场基本相同，因此，在晶格场作用下产生的能级分裂和位移也基本相同。
在非晶体基质中，离子处于长程无序的网络结构中，不同离子受到周围配位场的作用不同，因而产生的能级分裂和位移也不同，离子的谱线是一系列中心频率略有不同的谱线叠加
因此，非晶体激光器的光泵利用率高，储能较大，且易制备大尺寸元件，所产生功率较大。 自激活晶体基质。 1973年Danielmeyer 等人发现了NPP(NdP5014)晶体，钕离子是这种晶体的一种组成，且其含钕量高出掺钕的YAG 30倍。
液体激光工作物质
与固体工作物质相比，液体工作物质具有许多优点。
液体可在很大的体积内做到完全均匀，从而可以提高激光辐射的能量。如果让液体在容器内循环流动，就能够改善激光器的散热特性。液体具有固定不变的光学性能，并且是各向同性的。 工作过的液体很容易用新鲜液体进行替换，而且价格便宜。液体激光器最重要的特点是激光辐射的频率可以在比较宽的波长范围内连续可调。 半导体激光器的作用原理乃是基于电子和空穴的辐射复合现象。
智能材料
智能材料（intelligent materials ，简称IM ）是指对环境可感知、响应和处理后，能适应环境的材料。
智能材料是一种融材料技术和信息技术于一体的新概念功能材料。智能材料应同时具备传感（sensing ）、处理 （processing ）和执行（actuation ）三种基本功能。
机敏材料（smart material ，简称 SM），是一种较低阶段的智能材料，只有传感和执行两种基本功能，比智能材料少一个处理功能。形状记忆材料 （shape memory materials，简称 SMM）是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理剌激或化学剌激的处理又可恢复成初始形状的材料。SMA 形状记忆效应是通过热弹性马氏体相变及其反转而产生。
马氏体相变是一种无扩散相变或称位移型相变。原子位移以切变方式进行。
（1）具有初始形状 L 的母相冷却到马氏体相变终了温度以下，实现
马氏体相变，变成由 24 种马氏体变体。
（2）加外力后产生塑性变形 ε 成为具有另一种形状 L + ε的马氏体单晶。
（3）去掉外力后塑性变形保留而形状 L +ε 不变。
（4）再加温到马氏体逆相变终了温度以上时，发生马氏体相变的反转即逆相变，变回初始形状 L 的母相，其结构和取向与初始母相也完全一样。
第一个SMA 商品名为Nitinol, 镍钛诺Ni Ti Naval Ordnance
Laboratory 发生拟弹性形变时，诱发了马氏体相变，去除外力后，又发生马氏体逆相变，恢复原状。
形状记忆合金可作成单向形状恢复元件和双向形状恢复动作元件和拟弹性元件。在电场作用下，材料的流变性质发生变化，称之为电场致流变效应，简称电流变效应。
电色窗口（electro chromic window，缩写 ECW）：一种利用电致变色原理，由基体玻璃和电致变色系统构成的一种窗口。这种窗口在外电场作用下，引起颜色的可逆变化，可调节对光的吸收率、透过率和反射率三者的比例关系。
电色窗口具有调节执行功能，许多文献称之为机敏窗口（smart window ，缩写 SW）或译为灵巧窗口。
机敏窗口一般由两块基体玻璃、两个透明导电层、一个电致变色层（或称工作电极）和一个离子导体层（或称电解质层）和一个离子储存层（或称可逆电极层）构成。
离子储存层逐渐倾向于被第二电致变色层所替代。
第二电致变色层要求与电致变色层颜色互补，以加强电场作用下的颜色变化而达到扩大透光率、反射率和吸收率的可调范围。 第二电致变色层仍然起到平衡离子的作用。电致变色层和离子储存层应允许离子和电子通过，必须同时具有高的离子电导率和电子电导率。
离子导体层只允许离子通过，应具有高离子电导率和低电子电导率。
第十九章 贮氢材料
氢是一种非常重要的二次能源。它的资源丰富；发热值高，氢燃烧后生成水，不污染环境。氢能源的开发引起了人们极大的兴趣。遇到的问题主要是制氢工艺和氢的贮存。目前，倾向于用光解法制氢——利用太阳能，到海水中取氢，这是大量制氢最有希望的方向。氢气的液化温度是－253℃
最早发现Mg —Ni 合金具有贮氢功能，随后又开发了La —Ni ，Fe —Ti 贮氢合金，此后，新型贮氢合金不断出现。
许多金属(或合金) 可固溶氢气形成含氢的固溶体，固溶体的溶解度与其平衡氢压的平方根成正比。在一定温度和压力条件下，固溶相与氢反应生成金属氢化物，贮氢合金正是靠其与氢起化学反应生成金属氢化物来贮氢的。作为贮氢材料的金属氢化物，就其结构而论，有两种类型。一类是I 和Ⅱ主族元素与氢作用，生成的离子型氢化物。这类化合物中，氢以负离子态嵌入金属离子间。另一类是Ⅲ和Ⅳ族过渡金属及Pb 与氢结合，生成的金属型氢化物。其中，氢以正离子态固溶于金属晶格的间隙中。
由0点开始，金属形成含氢固溶体，A 点为固溶体溶解度极限。从A 点，氢化反应开始，金属中氢浓度显著增加，氢压几乎不变，至B 点，氢化反应结束，B 点对应氢浓度为氢化物中氢的极限溶解度。图中AB 段为氢气、固溶体、金属氢化物三相共存区，其对应的压力为氢的平衡压力，氢浓度(H／M) 为金属氢化物在相应温度的有效氢容
量。显然，高温生成的氢化物具有高的平衡压力，同时，有效氢容量减少。由图中还可以看出，金属氢化物在吸氢与释氢时，虽在同一温度，但压力不同，这种现象称为滞后。作为贮氢材料，滞后越小越好。
LaNi 5是稀土系贮氢合金的典型代表。其优点是室温即可活化，
吸氢放氢容易，平衡压力低，滞后小，抗杂质等；缺点是成本高，大规模应用受到限制。MmNi 5用混合稀土元素Mm(Ce，La ，Sm) 臵换LaNi 5中的La ，价格比LaNi 5低得多。
以Ml(富含La 与 Nd的混合稀土金属，La+Nd＞70％) 取代 La形成的 MlNi5，价格仅为纯La 的1／5，却保持了 LaNi5的优良特性，而且在贮氢量和动力学特性方面优于LaNi5，更具实用性。
钛和铁可形成TiFe 和 TiFe2二种稳定的金属间化合物。 TiFe2基本上不与氢反应，TiFe 可在室温与氢反应生成TiFeH1.04和 TiFe1.95两种氢化物。TiFe 合金室温下释氢压力不到1 MPa
，且价
格便宜。缺点是活化困难，抗杂质气体中毒能力差，且在反复吸释氢后性能下降。
与 Ni- Cd 电池相比，Ni ／MHx 电池具有如下优点：(1)能量为 Ni／Cd 电池的1.5-2倍(2)无重金属Cd 对人体的危害;(3)良好的耐过充 放电性能;(4)无记忆效应;(5)主要特性与Ni/Cd电池相近, 可以互换使用。
贮氢合金
合金成分有：Mg ，Ti ， Zr 和稀土金属，
添加成分有：Cr ， Mn， Fe，Co ，Ni ，Cu ， Nb，V 等。 LaNi5是CaCu 5型结构，六方晶系，晶胞中含1个LaNi 5
晶胞中有6个变形四面体储氢空隙, 每个空隙由2La+2Ni共4个原子围成. 晶胞中还有3个变形八面体空隙, 但H 原子通常并不填充这种空隙, 而只填在较大的变形四面体空隙中, 组成为LaNi5H6 . 比标准状态下氢气的密度大许多倍，也比液氢密度大。
贮氢装臵的结构有多种，由于金属-氢的反应存在热效应，所以贮氢装臵一般为热交换器结构
当前的主要问题是贮氢材料的重量比汽油箱重量大得多，影响汽车速度。但氢的热效率高于汽油、而且燃烧后无污染，使氢能汽车的前景十分诱人。
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α、β、γ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≥105 S/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ρ均随温度升高而升高。相反 , 电导率σ随温
度升高而降低 , 这也是导体的一个特征。
1911 年Onnes HK 在研究极低温度下金属导电性时发现 , 当温度降到4.20 K 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 , 一般在 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能量。
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。
Ⅳ A 族元素(C,Si,Ge,Sn) 中掺以Ⅴ A 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Ⅳ A 族元素掺以Ⅲ 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 × 10-19J,Ed 为 6.4 × 10-21J 。锗掺十亿分之一Sb 时 , 其 Eg 为
1.15 × 10-19J,Ed 为 1.6 × 10-21J 。 (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 , 例如非晶锗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 200℃ , 而航空航天等军事工业要求工作温度为 500～600℃。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ZrO 2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。ZrO 2基固溶
体的导电主要是O 2-离子。虽然它们的导电活化能高达 0.65~1.10 eV, 按离子导电材料的导电活化能＜0.5eV 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O 2-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。
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、负电荷重心改变位臵，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τ，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 100～1010Hz 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 f ＜100～1010Hz 时，三种极化都可建立。当 1010Hz ＜f ＜1013Hz 时，取向极化来不及建立。当 1013Hz ＜ f ＜1015Hz 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臵上的分布是对称的，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 △Q II 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
△Q II =ⅡAB I △t
式中的比例系数ⅡAB 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△QT 与电流I 、温度梯度 dT/dx 和通电流的时
间△t 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。
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 ( 或穴 ,这是两种载流子 , 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
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ν与禁带宽度的关系为
Eg=hυ 。式中 Eg 为禁带宽度 ;h 为普朗克常数 ; υ为光电导急剧
增加时的光频。
在光照下 ,半导体 p-n 结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。
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η
转换效率η 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
η=光电池最大输出功率IE ＝入射到结面上的辐射功率ΦS
(5-5)
式中 I ――光电流 ;
E ——光电动势 ;
S ——相关灵敏度 ;
φ——光入射通量。
η与禁带宽度有关 , 当禁带宽度 Eg=0.9～ 1.5eV 时 , η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-λ,I O －λ , η-λ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η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( ＜ 0.8KA/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 , 涡流损耗可用下式计算 : P e =21. 64f 2d 2B m
ρ⨯10-10
（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);
ρ——电阻率 (Ω〃 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 5O Hz 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 Hc：软磁材料在对称周期磁化条件下 , 磁感应强度 B =O 时所相应的磁化场强度称为矫顽力H C 。
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 , 称为饱和磁感应强度。
剩余磁感应强度 Br：软磁材料经一定强度的磁场磁化后 , 再将磁场强度减至零 , 此时材料内所剩的磁感应强度 , 称为剩余磁感应强度 , 通常简称为剩磁Br 。 Br不仅与材料本身有关 , 而且与材料的磁化过程有关。
复数磁导率μ：
在交变电磁场中要用复数磁导率μ为
μ = μ/-j μ//
其中实部μ/ 称弹性磁导率 , 虚部μ//称粘性磁导率。而实部μ/ 和虚部μ//之比 , 即 tan δ=μ''
μ'
δ称为损耗角 ,tanδ 称为损耗角正切或损耗因子。
常用的软磁材料有纯铁、硅钢片、铁镍合金、软磁铁氧体等。 所谓电工用纯铁 , 是一种含碳量低 , 含铁量 99.95％以上的软钢。它在平炉中进行冶炼时 , 用氧化渣除去碳、硅、锰等元素 , 再用还原渣除去磷和硫 , 出钢时在钢包中加入脱氧剂而得。这种电工用纯铁在退火状态 , 起始磁导率μi 为300～500μ0 , 最大磁导率
μm 为 6 000～12 000μ0 , 矫顽力 Hc 为 39.8～95.5A/m 。
电工用纯铁只能在直流磁场下工作，在交变磁场下工作，涡流损耗大。如果在纯铁中加入0.38％～4.5％ 硅 , 使之形成固溶体 , 可以提高材料电阻率 , 减少涡流损耗 , 这种材料称为硅铁合金 , 或者称电工用硅钢片。
纯铁中加入硅后 , 使材料的物理性质发生变化。表现在 :
(1) 热导率 λ 改变。铁的热导率在加入硅后剧烈地降低。
(2) 电阻率ρ改变。随着含硅量增加到 5%, 硅铁合金的电阻率急剧上升。
(3) 相对密度d 改变。随着含硅量的增加 , 比重几乎是直线地降低。
含 3% Si 的 Si-Fe 合金片由于其饱和磁通密度高 , 是电力变压器和配电变压器中大量采用的材料。
镍铁合金主要是含镍量为 30%～90% 的镍铁合金 , 通常称坡莫合金。镍铁合金由 Fe 、 Ni 、Mo 、 Cr 、 Cu 等元素组成。
镍铁合金有很高的起始磁导率μi 和最大磁导率μm , 电阻率在
50μΩ〃cm 左右 ,BS 较低。
软磁铁氧体是铁氧体材料中的一种 , 是一种容易磁化和退磁的铁氧体。其特点是起始的磁导率高 , 矫顽力小 , 损耗小 , 使用频率可达高频、超高频范围。软磁铁氧体属于半导体类 , 电阻率为 102～1012Ω〃cm 。
常用的软磁铁氧体有镍锌铁氧体和锰锌铁氧体。镍锌铁氧体在高频领域中是很重要的材料 , 由于电阻率高 , 可用于 1～200 MHz 的频率范围 , 在使用频率范围内 , 要求这种材料有尽可能小的磁损耗及起始磁导率的温度系数。锰锌铁氧体属于高导磁 ( 低频 ) 铁氧体 , 电阻率比较低 (≈102Ω〃cm), 适用于 1MHz 以下 硬磁材料是具有强的抗退磁能力和高的剩余磁感应强度的强磁性材料 , 又称永磁材料。 表征硬磁材料性能的主要参数是剩余磁感应强度Br 、矫顽力H C 和最大磁能积 (BH)max , 三者愈高 , 硬磁材料
性能越好。由此引起这类材料具有大的磁滞损耗。
磁性材料的硬和软 , 也可以是指机械手段 , 因为任何提高磁性材料机械强度的手段 , 也往往产生出比较硬的磁性材料。更为确切的方法是用磁滞回线形状区分硬磁材料和软磁材料 , 磁性材料的软硬程度可以用 Br〃Hc 乘积来度量。
硬磁材料主要用于制造永久磁铁。永久磁铁一旦经外加磁场饱和
磁化后 , 如果撤去外加磁场 , 在磁铁两个磁极之间的空隙中便可产生恒定磁场 , 对外界提供有用的磁能。然而 , 与此同时 , 磁铁本身将受到退磁场作用 , 退磁场的方向和原来外加磁场的方向是相反的 , 因此 , 永磁体的工作点将从剩磁 Br 点移到磁滞回线第二象限 , 即退磁曲线的某一点上, 永久磁铁的实际工作点用 D 表示。由此可见 , 硬磁材料性能好坏 , 应该由退磁曲线上的有关物理量来衡量。剩余磁感应强度Br 、表观磁感应强度 BD 、矫顽力Hc 、最
大磁能积(BH)max、回复磁导率μrev 等都是硬磁材料的特征值。
永磁材料的矫顽力 Hc 有两种定义 : 一个是使磁感应强度 B =O 所需的磁场值 , 常用 BHC 或 HC 表示 ; 一个是使磁化强度 M=O
所需的磁场值 , 常用 MHc 表示。永磁材料矫顽力的大小主要由各种因素(如磁各向异性、掺杂、晶界等) 对畴壁不可逆位移和磁畴不可逆转动的阻滞作用的大小来决定 , 阻滞越大 , 矫顽力就越大。
退磁曲线的凸出程度可用凸出系数γ表示 :
γ＝（BH ）max/Br〃Hc
硬磁材料可分成以下几类 : ①铸造硬磁合金 ; ②可变形硬磁合金 ; ③稀土硬磁合金 ; ④硬磁铁氧体 ; ⑤粘结磁体等。 稀土硬磁合金包括稀土-钴和稀土-铁系金属间化合物 , 为硬磁材料中性能最高的一类。最早的稀土硬磁合金是稀土钴磁铁 , 可以用 RxMy表示。 R 属于周期表的第 3 族 , 包括从原子序号为 57(La) 到 71(Lu) 和 39(Y) 表示的稀土元素 ;M表示铁族的过渡元素。稀土钴磁铁的 Br 值 大致与铝镍钴合金的接近 , 其矫顽力约为铁氧体
的三倍。稀土钴磁铁还具有小体积可以产生大磁场 , 稳定性好 , 不易受外磁场的影响 , 高温下使用不会退磁等特点。这类材料的种类划分上人们习惯于把已批量生产的RCo5称为第一代永磁材料,R2Co17 称为第二代永磁材料。例如钐钴合金 (Sm Co5 ),（BH ）max 为 195.9
～222.9 kJ/m3,Br 为l000mT,Hc 为788.2KA/m 。与第一代永磁材料相比，第二代永磁材料用Fe 、Cu 、Zr 取代部分Co, 如 Sm(Co)0.61Mn 0.12Zr 0.01Hf 0.01Fe 0.15）8.2合金性能好 ,Sm 含量少 , 成本
低 ,(BH)max为 297.7kJ/m3,Br 为1260mT 。
对于前两代稀土永磁合金而言 , 各组分配比是提高材料磁性能的关键。在价格上由于 Co 的原因往往较高。 1983 年日本首先报导的用 Nd 取代 Co 的 Nd-Fe -B 合金在磁性能上及价格上都优于稀土钴磁铁材料 , 称之为第三代永磁材料。 Nd-Fe-B 材料的出现 , 立即引起广泛关注。 1985 年日本生产的Nd-Fe-B 材料 , 其 (BH)max 为 302.5 kJ/m3;1990年我国研制的Nd-Fe-B 材料 (BH)max 突破了 39O kJ/m3 。第三代稀土永磁材料的最大缺点是居里温度较低、温度稳定性和环境稳定性较差。目前主要有通过材料的化学成分和通过材料的表面处理两种抗腐蚀方法。处于研究阶段的第四代永磁材料主要有Sm 2Fe 17Cx 、Sm 2Fe 17Nx 、Sm-Fe -Ti 等 ,(BH)max的理论值
高达45O kJ/m3。
铁氧体是铁元素与氧化合形成的各种类型的化合物。
广义而言 , 铁氧体就是磁性氧化物或磁性陶瓷。铁氧体的起始磁化率和饱和磁感应强度一般都低于软磁材料 , 但其电阻率却高几
个数量级 , 大大降低了涡流损耗。因此 , 铁氧体制成的器件可用于非常高的频率 , 达到并包括微波范围。实用的铁氧体大多数是软磁的 , 也有些铁氧体 , 如钡铁氧体和锶铁氧体为硬磁的。铁氧体的特征值参考软磁材料和硬磁材料外 , 还有电阻率和介电常数。
非晶态磁性合金的一个很重要特征值是饱和磁致伸缩系数 λs 。 所谓磁致伸缩就是磁性材料磁化时发生线度的变化 , λs 是该变化程度的度量。一般来说λs 越小 , 非晶态合金的磁性能越好。非晶态磁性合金的应用 , 目前国内外都有较快的进展。根据非晶态磁性合金的磁性能的不同 , 可以广泛应用于电力供应、磁芯、电感元件、传感器、磁屏蔽等诸多方面。例如用非晶态合金制作的电机可使铁芯损耗降低 90% 左右 ; 用非晶态合金制作的开关电源 , 其重量和体积可大大减小。
压磁效应是力学形变和磁性状态之间存在的机械能和磁能之间的转换效应 , 其逆效应称之为磁致伸缩效应。
所谓磁性液体是指铁磁性物质的极微小的颗粒表面吸附上一层表面活性剂 , 使其均匀稳定地弥散在某种基液之中，形成一种弥散溶液。 磁性液体由磁性微粒、表面活性剂和基液组成。
表面活性剂的选用主要是让相应的磁性微粒能稳定地悬浮在基液中。
第八章 透光和导光材料
透光材料包括透可见光 ( 波长 0.39～0.76μm ) 、红外光 ( 波长 1～1 000μm ) 和紫外光 ( 波长 0.01～0.4μm) 的材料。
透过率 T
透过率 T 为透射光强 IT 与入射光强 I0 之比 , 也称透光率。 T
I T
I 0
(8-1)
如图 8-1 所示 , 入射光强 Io, 射进介质和光强为 (1-R)Io, 反射掉部分光强为 IoR。 射进介质的光在穿过介质时被吸收一部分后 , 达到介质另一面的光强为 Io(1-R)e-al , 又被反射回介质内的光强为 IoR(1 -R) e-al , 最后透射出介质的光强 IT 为 Io(1-R)2
e -al 。因此 , 按式 (8-1), 透过率 T 为
T=(1-R)2 e-al (8
一2)
式中 α——吸收系数 ;
L ——介质长度。
一般取介质长度为 1O mm 的 T 值作为标准。
平均色散系数υD
透光材料中光学玻璃通常按折射率 nD 和平均色散系数υD 这两
个光学常数进行分类。 平均色散系数的表示式为
νD =n D -1
n F -n C (8-8)
式中 υD 一一平均色散系数 , 也称阿贝数 ;
nF 一一材料对标准谱线 F(λ=4861.3A) 的折射率 ;
n C 一一材料对标准谱线 C(λ=6562.7A) 的折射率 ;
n D 一一材料对标准谱线 D(λ=5892.9A) 的折射率。
n F -n C 一一平均色散 , 也称中部色散。
对于玻璃 , υD ＞ 50 称冕玻璃 , υD ＜50 称火石玻璃。 透可见光的材料常用的有玻璃和高聚物两大类。玻璃材料的透过率最高 ( 可高达 98％ 以上 ), 折射率范围大 (1.44～1.94), 色散系数范围大 (υD = 20～90 ) 光学稳定性好 , 耐磨损。玻璃材料
的缺点是密度大 (2.27～6.26g/cm3), 耐冲击强度低 , 加工困难 , 制造周期长。尽管如此 ,目前玻璃仍是制造各种光学元件特别是高、精光学元件的最主要的材料。
高聚物透光材料的优点为重量轻 ( 密度为 0.83～
1.46g/cm3) 、成本低、制造工艺简单、不易破碎。透光高聚物也有很多缺点 , 如折射率范围窄 , 热胀系数、双折射和色散大 , 耐热、耐磨、硬度、耐湿和抗化学性能差。
光通信中用于传播光信息的光学纤维所用的材料 , 称为光纤材料 , 又称为光波导纤维材料。 一切光纤的工作基础都是光的全内反射现象。
光纤材料按结构可分为包层型和自聚焦型两种 , 前者的折射率在皮和芯界面上呈突跃变化 , 后者的折射率则随半径呈梯度指数变化。
光在纤维中传输有一定的传输模式。光学上把具有一定频率 , 一定的偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式 , 或称为光的一种波型。传输模式是光学纤维最基本的传输特性之一 , 因此根据模式可分为单模光纤和多模光纤两种。所谓单模光纤就是一种光学纤维只允许传输一个模式的光波 , 而多模光纤则为一种光纤允许同时传输多个模式的光波。光学纤维具有均匀的芯子 ( 半径为 r, 折射率为 n1) 和均匀的包层 ( 折射率为n 2 ,n 2 ＜ n1) 。通过这种纤维的
光线有子午光线和斜光线两种。所谓子午光线就是在一个平面内弯曲进行的光线 , 它在一个周期内和光学纤维的中心轴相交两次 ; 斜光线则为不通过光学纤维的中心轴的光线。作为子午光线行进的条件为
数值孔径NA
习惯上把
2NA =n 12-n 22sin φ0＜n 12-n 2 2n 12-n 2 称之为光学纤维的数值孔径 NA, 即
根据子午光线行进的条件 ,NA 值越大 , φ0可以越大 , 因而
有较多的光线进入芯子。但 NA太大时 , 对单模传输不利 , 因为它易激发光的高次模传播方式。
1. 传输损耗 Q
传输损耗 Q 指光在纤维中传输途中的损耗 , 用下式表示 :
Q 10log I 2
I 1 (dB/km) (8-12)
式中 I1——入射光强 ;
I 2 ——出射光强 ;
Q ——传输损耗 (dB/km) 。
|Q| 越大 , 光信息传播的距离就越短 ,|Q| 越小 , 光信息传播的距离就越远。Q 值是衡量光学纤维通信介质质量好坏的一个最重要的指标。形成光学纤维传播损耗的机理有吸收损耗、本征散射和波导散射三种。
吸收损耗是一个重要的损耗 , 又可分本征吸收、杂质吸收和 OH- 离子吸收。本征吸收是物质的固有吸收 , 是组分原子振动产生的吸收 , 位于 8～12 μm 的红外区域和一个紫外波段。 杂质吸收主要有 Cu2+ 、 V3+ 、 Cs3+ 、 Mn3+ 、 Fe2+ 、 C02+ 和 Ni2+ 等杂质 , 它的吸收峰位于可见和红外区域。当原料经过多次精制后 , 金属杂质的吸收几乎完全消除。这时 OH- 离子的吸收就成为一种重要的杂质吸收损耗。在熔融石英玻璃中 , OH -的吸收带位于 0.5～1.O μm 波段 , OH -的基本吸收峰位于 2.7 μm 附近。 0.95 μm 和 0.72 μm 是振动损耗的二次和三次谐波。
本征散射是物质散射中最重要的 , 又称为瑞利散射 , 它是由玻璃熔制过程造成的密度不均匀而产生的折射率不均匀所引起的散射 , 它与波长的四次方成反比。这种损耗随波长的增加而很快减小。另外 , 掺杂不均匀 ( 如扩散不均匀 ) 也能引起散射 , 产生损
耗。
波导散射是由波导的结构缺陷产生的 , 如波导芯的直径有起伏 , 界面粗糙。凹凸不平 , 就会引起传导模的附加损耗 , 即波导散射损耗。
传输带宽是影响信息传输能力的一个重要因素。在光纤通信中 , 传输以光脉冲方式进行 , 信息通过调制方式加到光频载波上 , 把载波光按信息要求调制成一个光脉冲 , 光脉冲的调制频率愈高 , 它能传输的信息容量也愈大。
实际上 ,经输送的光脉冲 ( 方波窄脉冲 ) 传输一段距离后发生畸变和展宽 ( 成钟形的方波脉冲 ), 展宽的结果使光脉冲波型重叠 , 结果分辨不出所携带的信息。另一方面 , 能否无限制地增高光脉冲的调制频率 , 提高传输的信息容量 ? 不能 , 因为光学纤维的传输带宽受到材料色散、模式色散和构造色散的限制。
材料色散是指不同波长的光在介质中的折射率不一样。用数学式表示为
n=f(λ) (8-13)
式中 n ——材料折射率 ;
λ——波长。
该式说明介质的折射率是波长的函数 , 因为即使是单色光也都有一定的谱线宽度△λ。如He-Ne 激光的 6328Å 的谱线宽度为 10-7 Å 。
模式色散是指不同模式的光脉冲在光学纤维中传播速度不同所
产生的传输时间差。 构造色散是指由光纤结构上的原因引起的光传播速度的变化。
在多模光纤中 , 限制传输带宽的主要因素是模式色散 , 在单模光纤中 , 影响传输带宽的主要因素是材料色散。
由于石英光纤的工作波段为 0.85μm 和 1.30μm 。它目前达到的损耗已接近其极限值 , 降低的空间已很小。为了实现超远距离通信 , 必须使光纤在更长波长的红外窗口波段工作 , 这样才能得到更低的损耗 , 因此 , 研究红外光纤已成为当今光纤研究的主要方向。
第九章 发光材料
发光材料品种很多 , 按激发方式发光材料可以分为 :
（1）光致发光材料 : 发光材料在光 ( 通常是紫外光、红外光和
可见光 ) 照射下激发发光。
（2）电致发光材料 : 发光材料在电场或电流作用下的激发发光。
（3）阴极射线致发光材料 : 发光材料在加速电子的轰击下的激发发光。
（4）热致发光材料 : 发光材料在热的作用下的激发发光。
（5）等离子发光材料 : 发光材料在等离子体的作用下的激发发光。
1. 分立中心发光
发光材料的发光中心 ( 即发光体内部在结构中能发光的分子 )
受激发时并未离化 , 即激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光叫做分立中心发光。这种发光是单分子过程 , 并不伴随有光电导 , 故又称为 “非光电导型” 的发光。分立中心发光有以下两种情况 :
(l) 自发发光。受激发的粒子 ( 如电子 ), 受粒子内部电场作用从激发态 A 而回到基态 G 时的发光 , 叫自发发光 。这种发光的特征是 , 与发射相应的电子跃迁的几率基本上决定于发射体内的内部电场 , 而不受外界因素的影响。
(2) 受迫发光。受激发的电子只有在外界因素的影响下才发光 , 叫受迫发光。它的特征是 , 发射过程分为两个阶段 , 如图 9-l(b) 所示 , 受激发的电子出现在受激态 M 上时 , 从状态 M 直接回到基态 G 上是禁阻的。在 M 上的电子 , 一般也不是直接从基态 G 上跃迁来的 , 而是电子受激后 , 先由基态 G 跃迁到 A, 再到 M 态上 ,M 这样的受激态称为亚稳态。 受迫发射的第一阶段是由于热起伏 , 电子吸收能量 E 后 , 从 M 态上到 A, 要实现这一步 , 电子在 M 态上需要花费时间 , 等待机会 , 从 A 态回到 G 态是允许的 , 这就是受迫发射的第二阶段。由于这种发光要经过亚稳态 , 故又称受迫发光为亚稳态发光。
2. 复合发光
发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子 , 一般为正离子 ( 空穴 ) 和电子 , 这两种粒子在复合时便发光 , 即叫复合发光。由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散 , 从而构成特征
性光电导 , 所以复合发光又叫“光电导型”发光。
规定当激发停止时的发光亮度 L 衰减到 Lo 的 10% 时 , 所经历的时间为余辉时间 , 简称余辉。如人眼能感觉到余辉的长发光期间者为磷光 , 人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。
用紫外光、可见光及红外光激发发光材料而产生发光的现象称为光致发光 , 这种发光材料称为光致发光材料。
光致发光是一种三步过程 : ①吸收一个光子 ; ②把激发能转移到荧光中心 ; ③由荧光中心发射辐射。发光的滞后时间约为 10-8s 的称为荧光 , 衰减时间大于 10-8s 的称为磷光。
光的吸收和荧光发射均与材料的分子结构有关。材料吸收光除了可以转变为荧光外 , 还可以转变为其他形式的能量。因而 , 产生荧光最重要条件是分子必须在激发态有一定的稳定性 , 即如前所述的能够持续约 10-8s 的时间。多数分子不具备这一条件 , 它们在荧光发射以前就以其他形式释放了所吸收的能量。只有具备共轭键系统的分子才能使激发态保持相对稳定而发射荧光。
荧光材料主要是以苯环为基的芳香族化合物和杂环化合物。 具有缺陷的某些复杂的无机晶体物质 , 在光激发时和光激发停止后一定时间内 ( ＞ 10-8s) 能够发光 , 这些晶体称为磷光材料。磷光材料的主要组成部分是基质和激活剂两部分。 稀土三基色荧光粉分别是红粉、绿粉、蓝粉按一定比例混合而成。它解决了卤磷酸盐长期存在的光效和显色性不能同时提高的矛盾 , 更由于这类材料具有耐高负荷、耐高温的优异性能 , 成为新一
代灯用荧光粉材料。
Y 2 O3 : Eu3+ 是效率高、色纯度好、光衰性能稳定而惟一达到制
灯要求的稀土红粉。绿粉在稀土三基色荧光粉中 , 对灯的光通量、显色性等起主要作用。这类材料品种最多。稀土三基色荧光粉的蓝色组分 , 已实用的有铝酸盐体系和卤磷酸盐体系。
发光体在红外光的激发下 , 发射可见光 , 这种现象称为上转换发光 , 这种发光体称为上转换发光材料。
上转换发光现象有以下三种情况 : 第一种情况是确实有一个中间能级 , 在光激发下处于基态的电子跃迁到这个中间能态。电子在这个中间能态的寿命足够长 , 以致它还可吸收另一个光子而跃迁到更高的能级。电子从这个更高的能态向基态跃迁 , 就发射出波长比激发光的波长更短的光束 ; 第二种情况是中间能级并不存在 , 但发光体可以连续吸收两个光子 , 使基态电子直接跃迁到比激发光光子的能量大得更多的能级 ; 第三种情况是两个敏化中心被激发 , 它们把激发能按先后顺序或同时传递给发光中心 , 使其中处于基态的电子跃迁到比激发光光子能量更高的能级 , 然后弛豫下来 , 发出波长短得多的光。
上转换发光材料差不多都是掺稀土元素的化合物或者就是稀土元素的化合物 , 它们均由稀土离子激活 , 其中以 Yb3+-Er 3+ 最为常见。
所谓电致发光是在直流或交流电场作用下 , 依靠电流和电场的激发使材料发光的现象。 又称场致发光。这种发光材料称为电致发
光材料。或称场致发光材料。
p-n 结型电致发光材料主要指发光二极管所用材料。发光二极管是一种在低电压下发光的器件 , 它使用单晶或单晶薄膜材料。
作为发光二极管所用材料应该具有下述特性 :
(1) 发光在可见光区 , 禁带宽度能量 Eg ≥1.8eV, λ≤700nm 。
(2) 材料必须容易作成 n 型及 p 型。
(3) 具有高效率的发光中心或复合发光。
(4) 效率降至初始值一半的时间要大于 105 h, 如果是多元化合物 , 这个时间至少还要大 l0 倍左右。
(5) 材料要能生长成单晶 , 并能大量生产 , 还需价廉。
经常使用的 p-n 结型电致发光材料是Ⅱ- Ⅳ族化合物和Ⅲ -Ⅴ 族化合物。
四元化合物比三元化合物具有更大的自由度 , 可以在相当宽的范围内控制禁带宽度与晶格常数。如 InGaAsP 四元化合物在室温下能提供 0.55 μm 到 3.40 μm 的波长。
射线致发光材料可分为阴极射线致发光材料和放射线致发光材料两种。阴极射线致发光是由电子束轰击发光物质而引起的发光现象。放射线致发光是由高能的α、β 射线 , 或 X 光射线轰击发光物质而引起的发光现象。
X 射线致发光材料的发光原理为 : 发光材料在 X 射线照射下可以发生康普顿效应 , 也可以吸收 X 射线 , 它们都可产生高速的
光电子。光电子又经过非弹性碰撞 , 产生第二代 , 第三代电子。当这些电子的能量接近发光跃迁所需的能量时 , 即可激发发光中心 , 或者离化发光中心 , 随后发出光来。因而 , 一个 X 射线的光子可以引起很多个发光光子。例如 , 发光体被一个 5OkeV 的 X 射线光子激发时 , 如果材料的发光效率较高 , 可以产生近 5 000个可见光的光子。
CaW04 是应用得最早的 X 射线发光材料 , 现仍然被广泛地应用。稀土型 X 射线发光材料有两种类型 , 一种是以稀土化合物作为基质材料。另一种是以稀土元素作为材料的激活剂。
CT 系统 (X-ray Computed Tomography)。
等离子体是高度电离化的多种粒子存在的空间 , 其中带电粒子有电子、正离子 ( 也许还有负离子 ), 不带电的粒子有气体原子、分子、受激原子、亚稳原子等。由于气体的高度电离 , 所以 带电粒子的浓度很大 , 而且带正电与带负电粒子的浓度接近相等。等离子体发光主要是利用了稀有气体中冷阴极辉光放电效应。其发光的基本原理为 : 气体的电子得到足够的能量 ( 大于气体的离化能 ) 之后 , 可以完全脱离原子 , 即被电离。这种电子比在固体中自由得多 ,它具有较大的动能 , 以较高的速度在气体中飞行。而且电子在运动过程中与其他粒子会产生碰撞 , 使更多的中性粒子电离。 在大量的中性粒子不断电离的同时 , 还有一个与电离相反的过程 , 就是复合现象。 等离子体发光材料主要是惰性气体。如前所述的那样 , 等离子
显示中用的是以氖气为基质 , 另外掺一些其他气体 , 如氦气、氩气等。这些气体主要发橙红色光。如果掺加一些氙气则可以发出紫外光 , 在放电管的近旁涂上发光粉后 , 便能实现彩色显示。
第十章 激光材料
激光材料包括激光工质材料、激光调 Q 材料、激光调频材料和激光偏转材料。
四能级系统中产生受激辐射的低能级上不像三能级系统那样总有很多粒子，在热平衡条件下可以认为经常是空的。
另外它也不是系统中的基态能级，所以容易实现粒子数反转。 激光具有下列特点：
(1) 相干性好。所有发射的光具有相同的相位。
(2) 单色性纯。因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后，其他频率的光受到了相消干涉。
(3) 方向性好。光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过几次反射后被逸散掉。
(4) 亮度高。激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的辐射亮度比普通光高 108～1010 倍。
一台激光器通常由激光工作物质、激励源和谐振腔三部分组成。其中激光工作物质是激光器的核心，是激光器中借以发射激光的物质。对工作物质的要求是，它有一对有利于产生激光的能级。 这对能级中的上能级有足够长的寿命，也就是粒子被激发到该能级后能在
其中滞留较长的时间。因而能在该能级上积累比较多的粒子，于是与下能级之间形成粒子数反转。同时还要求这一对能级间有一定强度的跃迁，以产生激光。
发光物质发射光子的能量按频率(或波长) 分布的总体称为该物质的荧光光谱，也称发射光谱。
荧光能量转换效率ηE 定义为发射荧光的能量与被激活物质从
激励源吸收的能量之比。
激光工质材料按照材料的性质可以分为固体、气体、液体和半导体四种。
固体激光工作物质由激活离子和基质两部分。现有的激活离子主要有四类 :
一类是过渡金属离子。它们的 3d 电子无外层电子屏蔽，在晶体中受到周围晶体场的直接作用。因此，在不同晶体中，其光谱特性有很大的不同。
二类是三价稀土离子。它们的 4f 电子受 5s 和 5p 电子的屏蔽，受周围晶体场影响较弱。
第三类是二价稀土离子。
第四类是锕系金属离子。
晶体基质中激活离子常用以上一、二两类离子，而非晶体基质因其配位场作用，过渡金属离子不易激活，只能用 Nd3+ 为代表的三价稀土离子。
固体激光工作材料的基质包括晶体基质和非晶体(玻璃) 基质两类。
在晶体基质中，激活离子处于长程有序的点阵结构中，激活离子周围的场基本相同，因此，在晶格场作用下产生的能级分裂和位移也基本相同。
在非晶体基质中，离子处于长程无序的网络结构中，不同离子受到周围配位场的作用不同，因而产生的能级分裂和位移也不同，离子的谱线是一系列中心频率略有不同的谱线叠加
因此，非晶体激光器的光泵利用率高，储能较大，且易制备大尺寸元件，所产生功率较大。 自激活晶体基质。 1973年Danielmeyer 等人发现了NPP(NdP5014)晶体，钕离子是这种晶体的一种组成，且其含钕量高出掺钕的YAG 30倍。
液体激光工作物质
与固体工作物质相比，液体工作物质具有许多优点。
液体可在很大的体积内做到完全均匀，从而可以提高激光辐射的能量。如果让液体在容器内循环流动，就能够改善激光器的散热特性。液体具有固定不变的光学性能，并且是各向同性的。 工作过的液体很容易用新鲜液体进行替换，而且价格便宜。液体激光器最重要的特点是激光辐射的频率可以在比较宽的波长范围内连续可调。 半导体激光器的作用原理乃是基于电子和空穴的辐射复合现象。
智能材料
智能材料（intelligent materials ，简称IM ）是指对环境可感知、响应和处理后，能适应环境的材料。
智能材料是一种融材料技术和信息技术于一体的新概念功能材料。智能材料应同时具备传感（sensing ）、处理 （processing ）和执行（actuation ）三种基本功能。
机敏材料（smart material ，简称 SM），是一种较低阶段的智能材料，只有传感和执行两种基本功能，比智能材料少一个处理功能。形状记忆材料 （shape memory materials，简称 SMM）是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理剌激或化学剌激的处理又可恢复成初始形状的材料。SMA 形状记忆效应是通过热弹性马氏体相变及其反转而产生。
马氏体相变是一种无扩散相变或称位移型相变。原子位移以切变方式进行。
（1）具有初始形状 L 的母相冷却到马氏体相变终了温度以下，实现
马氏体相变，变成由 24 种马氏体变体。
（2）加外力后产生塑性变形 ε 成为具有另一种形状 L + ε的马氏体单晶。
（3）去掉外力后塑性变形保留而形状 L +ε 不变。
（4）再加温到马氏体逆相变终了温度以上时，发生马氏体相变的反转即逆相变，变回初始形状 L 的母相，其结构和取向与初始母相也完全一样。
第一个SMA 商品名为Nitinol, 镍钛诺Ni Ti Naval Ordnance
Laboratory 发生拟弹性形变时，诱发了马氏体相变，去除外力后，又发生马氏体逆相变，恢复原状。
形状记忆合金可作成单向形状恢复元件和双向形状恢复动作元件和拟弹性元件。在电场作用下，材料的流变性质发生变化，称之为电场致流变效应，简称电流变效应。
电色窗口（electro chromic window，缩写 ECW）：一种利用电致变色原理，由基体玻璃和电致变色系统构成的一种窗口。这种窗口在外电场作用下，引起颜色的可逆变化，可调节对光的吸收率、透过率和反射率三者的比例关系。
电色窗口具有调节执行功能，许多文献称之为机敏窗口（smart window ，缩写 SW）或译为灵巧窗口。
机敏窗口一般由两块基体玻璃、两个透明导电层、一个电致变色层（或称工作电极）和一个离子导体层（或称电解质层）和一个离子储存层（或称可逆电极层）构成。
离子储存层逐渐倾向于被第二电致变色层所替代。
第二电致变色层要求与电致变色层颜色互补，以加强电场作用下的颜色变化而达到扩大透光率、反射率和吸收率的可调范围。 第二电致变色层仍然起到平衡离子的作用。电致变色层和离子储存层应允许离子和电子通过，必须同时具有高的离子电导率和电子电导率。
离子导体层只允许离子通过，应具有高离子电导率和低电子电导率。
第十九章 贮氢材料
氢是一种非常重要的二次能源。它的资源丰富；发热值高，氢燃烧后生成水，不污染环境。氢能源的开发引起了人们极大的兴趣。遇到的问题主要是制氢工艺和氢的贮存。目前，倾向于用光解法制氢——利用太阳能，到海水中取氢，这是大量制氢最有希望的方向。氢气的液化温度是－253℃
最早发现Mg —Ni 合金具有贮氢功能，随后又开发了La —Ni ，Fe —Ti 贮氢合金，此后，新型贮氢合金不断出现。
许多金属(或合金) 可固溶氢气形成含氢的固溶体，固溶体的溶解度与其平衡氢压的平方根成正比。在一定温度和压力条件下，固溶相与氢反应生成金属氢化物，贮氢合金正是靠其与氢起化学反应生成金属氢化物来贮氢的。作为贮氢材料的金属氢化物，就其结构而论，有两种类型。一类是I 和Ⅱ主族元素与氢作用，生成的离子型氢化物。这类化合物中，氢以负离子态嵌入金属离子间。另一类是Ⅲ和Ⅳ族过渡金属及Pb 与氢结合，生成的金属型氢化物。其中，氢以正离子态固溶于金属晶格的间隙中。
由0点开始，金属形成含氢固溶体，A 点为固溶体溶解度极限。从A 点，氢化反应开始，金属中氢浓度显著增加，氢压几乎不变，至B 点，氢化反应结束，B 点对应氢浓度为氢化物中氢的极限溶解度。图中AB 段为氢气、固溶体、金属氢化物三相共存区，其对应的压力为氢的平衡压力，氢浓度(H／M) 为金属氢化物在相应温度的有效氢容
量。显然，高温生成的氢化物具有高的平衡压力，同时，有效氢容量减少。由图中还可以看出，金属氢化物在吸氢与释氢时，虽在同一温度，但压力不同，这种现象称为滞后。作为贮氢材料，滞后越小越好。
LaNi 5是稀土系贮氢合金的典型代表。其优点是室温即可活化，
吸氢放氢容易，平衡压力低，滞后小，抗杂质等；缺点是成本高，大规模应用受到限制。MmNi 5用混合稀土元素Mm(Ce，La ，Sm) 臵换LaNi 5中的La ，价格比LaNi 5低得多。
以Ml(富含La 与 Nd的混合稀土金属，La+Nd＞70％) 取代 La形成的 MlNi5，价格仅为纯La 的1／5，却保持了 LaNi5的优良特性，而且在贮氢量和动力学特性方面优于LaNi5，更具实用性。
钛和铁可形成TiFe 和 TiFe2二种稳定的金属间化合物。 TiFe2基本上不与氢反应，TiFe 可在室温与氢反应生成TiFeH1.04和 TiFe1.95两种氢化物。TiFe 合金室温下释氢压力不到1 MPa
，且价
格便宜。缺点是活化困难，抗杂质气体中毒能力差，且在反复吸释氢后性能下降。
与 Ni- Cd 电池相比，Ni ／MHx 电池具有如下优点：(1)能量为 Ni／Cd 电池的1.5-2倍(2)无重金属Cd 对人体的危害;(3)良好的耐过充 放电性能;(4)无记忆效应;(5)主要特性与Ni/Cd电池相近, 可以互换使用。
贮氢合金
合金成分有：Mg ，Ti ， Zr 和稀土金属，
添加成分有：Cr ， Mn， Fe，Co ，Ni ，Cu ， Nb，V 等。 LaNi5是CaCu 5型结构，六方晶系，晶胞中含1个LaNi 5
晶胞中有6个变形四面体储氢空隙, 每个空隙由2La+2Ni共4个原子围成. 晶胞中还有3个变形八面体空隙, 但H 原子通常并不填充这种空隙, 而只填在较大的变形四面体空隙中, 组成为LaNi5H6 . 比标准状态下氢气的密度大许多倍，也比液氢密度大。
贮氢装臵的结构有多种，由于金属-氢的反应存在热效应，所以贮氢装臵一般为热交换器结构
当前的主要问题是贮氢材料的重量比汽油箱重量大得多，影响汽车速度。但氢的热效率高于汽油、而且燃烧后无污染，使氢能汽车的前景十分诱人。