第五章(功能转换材料)课件.ppt

1、主要内容：主要内容：l 压电材料l 热释电材料l 光电材料l 电光材料l 磁光材料l 热电材料l 声光材料1第一节压电材料第一节压电材料 18801880年，年，P.P.居里和居里和J.J.居里兄弟发现居里兄弟发现：当对：当对 石英晶体在某些特定方向石英晶体在某些特定方向上加力时，在垂直于作用力的平面上出现正、负束缚电荷，即发生电极化。上加力时，在垂直于作用力的平面上出现正、负束缚电荷，即发生电极化。由此发现材料的压电性。由此发现材料的压电性。一、压电效应一、压电效应1 1、正压电效应、正压电效应当外加应力当外加应力T T作用于某些单晶或多晶介电体并使它们发生应变作用于某些单晶或多晶介电体并使

2、它们发生应变S S时，介时，介电体内的正负电荷中心会产生相对位移，并在某两个相对的表面产生异号电体内的正负电荷中心会产生相对位移，并在某两个相对的表面产生异号束缚电荷。这种由应力作用使材料发生电极化束缚电荷。这种由应力作用使材料发生电极化( (即带电即带电) )或电极化的变化的或电极化的变化的现象称为正压电效应。现象称为正压电效应。2 2、逆压电效应、逆压电效应与正压电效应产生的过程相反，当对这类介电体施加外电场并使其中与正压电效应产生的过程相反，当对这类介电体施加外电场并使其中的正负电荷中心产生位移时，该介电体要随之发生变形。这种由电场作用的正负电荷中心产生位移时，该介电体要随之发生变形。这

3、种由电场作用使材料产生形变的现象称为逆压电效应。使材料产生形变的现象称为逆压电效应。第五章功能转换材料 5.1 5.1 压电材料压电材料2XYT1T1T2T2石英晶体切片的正压电效应石英晶体切片的正压电效应第五章功能转换材料 5.1 5.1 压电材料压电材料3 压电效应的机理：压电效应的机理：+(a)晶体不受外力作用：晶体不受外力作用：正负电荷的重心重合正负电荷的重心重合晶体的总电矩为零晶体的总电矩为零晶体表面的电荷为零晶体表面的电荷为零晶体受压缩力或拉伸力作用：晶体受压缩力或拉伸力作用：正负电荷的重心不重合正负电荷的重心不重合晶体表面产生异号束缚电荷晶体表面产生异号束缚电荷出现压电效应出现压

4、电效应+(c)+ +(b)第五章功能转换材料 5.1 5.1 压电材料压电材料4二、压电材料的主要特性二、压电材料的主要特性1.1.弹性模量弹性模量压电体是弹性体，服从虎克定律。电学条件不同，弹性模量不同。压电体是弹性体，服从虎克定律。电学条件不同，弹性模量不同。 （1 1） 短路弹性模量短路弹性模量 在外电路的电阻很小，即相当于短路条件下，测得的弹性模量。在外电路的电阻很小，即相当于短路条件下，测得的弹性模量。 （2 2） 开路弹性模量开路弹性模量 在外电路的电阻很大，即相当于开路条件下，测得的弹性模量。在外电路的电阻很大，即相当于开路条件下，测得的弹性模量。2.2.压电常数压电常数反映压电

5、材料中的力学量和电学量之间的耦合关系，表示产生压电效反映压电材料中的力学量和电学量之间的耦合关系，表示产生压电效应的大小。应的大小。 pidijk jk (i, j, k=1, 2, 3) )式中，式中，p pi i为压电材料单位面积上的极化电荷；为压电材料单位面积上的极化电荷； jk jk为应力；为应力；d dijkijk即压电常数。即压电常数。第五章功能转换材料 5.1 5.1 压电材料压电材料53.3.介电常数介电常数 介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）。介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）。 当压电材料的电行为用电场强度和电位移作变量来描述时，有：当压电材料的电行为用电场

6、强度和电位移作变量来描述时，有： 例如：例如：对于压电陶瓷片，其介电常数对于压电陶瓷片，其介电常数 为：为： Cd/A 式中，式中，C C电容电容(F)(F)；d d电极距离电极距离(m)(m)；A A电极面积电极面积(m(m2 2) ) 。 4.4.机电耦合系数机电耦合系数 综合反映压电体的机械能与电能之间的耦合关系。综合反映压电体的机械能与电能之间的耦合关系。 K K无量纲，数值越大，压电耦合效应越强。无量纲，数值越大，压电耦合效应越强。 DE （逆压电效应）（逆压电效应） （正压电效应）（正压电效应） 输入的电能输入的电能械能械能由逆压电效应转换的机由逆压电效应转换的机2K输入的机械能输

7、入的机械能能能由正压电效应转换的电由正压电效应转换的电2K第五章功能转换材料 5.1 5.1 压电材料压电材料6三、压电材料三、压电材料 1.1.压电晶体压电晶体 （1 1）石英）石英(SiO(SiO2 2) ) 晶体结构：晶体结构：三方晶系。三方晶系。 特点：特点：压电效应出现在压电效应出现在X X、Y Y轴上，在轴上，在Z Z轴上无压电效应。轴上无压电效应。 压电性能稳定，内耗小，但压电性能稳定，内耗小，但K K值不是很大。值不是很大。 应用：应用：频率稳定器、扩音器、电话、钟表等。频率稳定器、扩音器、电话、钟表等。 （2 2）含氢铁电晶体）含氢铁电晶体 晶体结构：晶体结构：三方晶系。三方

8、晶系。 特点：特点：应变应变S Sx x与极化强度与极化强度P Px x2 2呈直线关系。呈直线关系。 典型材料：典型材料：磷酸二氢铵磷酸二氢铵(NH(NH4 4H H2 2POPO4 4，ADPADP) )、磷酸二氢钾、磷酸二氢钾(KH(KH2 2POPO4 4，KDPKDP) )、磷酸氢铅磷酸氢铅(PbHPO(PbHPO4 4，LHPLHP) )、磷酸氘铅、磷酸氘铅(PbDPO(PbDPO4 4，LDPLDP) )。 （3 3）含氧金属酸化物）含氧金属酸化物 典型材料：典型材料：钛酸钡钛酸钡(BaTiO(BaTiO3 3，钙钛矿型结构，钙钛矿型结构) )、钽酸锂、钽酸锂(LiTaO(LiT

9、aO3 3，畸变的，畸变的钙钛矿型结构钙钛矿型结构) )、铌酸锂、铌酸锂(LiNbO(LiNbO3 3，畸变的钙钛矿型结构，畸变的钙钛矿型结构) )、铌酸锶钡、铌酸锶钡(Ba(Bax xSrSr1-1-x xNbONbO6 6，SBNSBN，钨青铜型结构，钨青铜型结构) )。第五章功能转换材料 5.1 5.1 压电材料压电材料7钙钛矿（钙钛矿（CaTiOCaTiO3 3）晶体结构模型）晶体结构模型第五章功能转换材料 5.1 5.1 压电材料压电材料8 2. 2.压电半导体压电半导体 晶体结构：晶体结构：闪锌矿或纤锌矿结构。闪锌矿或纤锌矿结构。 特点：特点：K K 值大，并兼有光电导性。值大，并

10、兼有光电导性。 应用：应用：换能器。换能器。 水声换能器：水声换能器：通过发射声波或接受声波通过发射声波或接受声波( (分别对应于正、逆压电效应分别对应于正、逆压电效应) ) 来完成水下观察、通讯和探测工作。来完成水下观察、通讯和探测工作。 典型材料：典型材料：-族化合物：族化合物：CdSCdS、CdSeCdSe、ZnOZnO、ZnSZnS、ZnTeZnTe、CdTeCdTe。 -族化合物：族化合物：GaAsGaAs、GaSbGaSb、InAsInAs、InSbInSb、AlNAlN。 3. 3. 压电陶瓷压电陶瓷 （1 1）钛酸钡）钛酸钡(BaTiO(BaTiO3 3) )陶瓷陶瓷 第一个被

11、发现可以制成陶瓷的铁电体。室温下呈四方结构，第一个被发现可以制成陶瓷的铁电体。室温下呈四方结构，120120 C C时转变为立方晶相，铁电性消失。时转变为立方晶相，铁电性消失。 （2 2）锆钛酸铅）锆钛酸铅（Pb(ZrPb(Zr、Ti)OTi)O3 3，PZTPZT） PbTiOPbTiO3 3与与PbZrOPbZrO3 3形成的固溶体，钙钛矿结构，应用广泛。形成的固溶体，钙钛矿结构，应用广泛。组成锆钛酸铅的组成锆钛酸铅的PbTiOPbTiO3 3、PbZrOPbZrO3 3也是常用的陶瓷压电材料。也是常用的陶瓷压电材料。 第五章功能转换材料 5.1 5.1 压电材料压电材料9闪锌矿晶体结构模

12、型闪锌矿晶体结构模型纤锌矿晶体结构模型纤锌矿晶体结构模型第五章功能转换材料 5.1 5.1 压电材料压电材料10四、压电材料的应用四、压电材料的应用 1 1、微声技术应用、微声技术应用 水声发射和接受装置水声发射和接受装置“声纳声纳”。 19161916年朗之万利用石英晶体制造出年朗之万利用石英晶体制造出“声纳声纳”，用于探测水中物体，至今，用于探测水中物体，至今仍在海军中有重要应用。仍在海军中有重要应用。2 2、超声技术应用、超声技术应用 超声清洗、超声乳化、超声焊接、超声粉碎等装置上的机电换能器。超声清洗、超声乳化、超声焊接、超声粉碎等装置上的机电换能器。 利用压电材料的逆压电效应，在高驱

13、动电场下产生高强度超声波，并以利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强度超声波，并以此作为动力的应用。此作为动力的应用。3 3、机械能电能转换技术应用、机械能电能转换技术应用 压电点火器、引燃引爆装置、压电开关等。压电点火器、引燃引爆装置、压电开关等。 利用压电材料的正压电效应，将机械能转换成电能，从而产生高电压。利用压电材料的正压电效应，将机械能转换成电能，从而产生高电压。4 4、信息技术应用、信息技术应用 压电材料最主要的应用领域。压电材料最主要的应用领域。第五章功能转换材料 5.1 5.1 压电材料压电材料11应用类型应用类型代表性器件代表性器件信号发生信号发生电信号发生电信号发

14、生压电振荡器压电振荡器声信号发生声信号发生送受话器，拾音器，扬声器，蜂鸣器，水声换能器，超声换能器送受话器，拾音器，扬声器，蜂鸣器，水声换能器，超声换能器信号发射与接收信号发射与接收声纳，超声测声器，超声探测仪，超声厚度计，拾音器，扬声器，声纳，超声测声器，超声探测仪，超声厚度计，拾音器，扬声器，传声器传声器信号处理信号处理滤波器，鉴频器，放大器，衰减器，延迟线，混频器，卷积器，光滤波器，鉴频器，放大器，衰减器，延迟线，混频器，卷积器，光调制器，光偏转器，光开关，光倍频器，光混频器调制器，光偏转器，光开关，光倍频器，光混频器信号存储与显示信号存储与显示铁电存储器铁电存储器(FRAM(FRAM，

15、DRAM)DRAM)，光铁电存储显示器，光折变全息存储器，光铁电存储显示器，光折变全息存储器信号检测信号检测与控制与控制传感器传感器微音器，应变仪，声纳，压电陀螺，压电加速度表，位移器，压电微音器，应变仪，声纳，压电陀螺，压电加速度表，位移器，压电机械手，助听器，振动器机械手，助听器，振动器探测器探测器红外探测器，高温计，计数器，防盗报警器，湿敏探测器，气敏探红外探测器，高温计，计数器，防盗报警器，湿敏探测器，气敏探测器测器计测与控制计测与控制压电加速度表，压电陀螺，微位移器，压力计，流量计，流速计，压电加速度表，压电陀螺，微位移器，压力计，流量计，流速计，风速计，声速计风速计，声速计高压弱流

16、电源高压弱流电源压电打火机，压电引信，压电变压器，压电电源压电打火机，压电引信，压电变压器，压电电源压电材料在信息技术及其他技术中的主要应用压电材料在信息技术及其他技术中的主要应用 第五章功能转换材料 5.1 5.1 压电材料压电材料12 压电材料的研究近况：压电材料的研究近况： 弛豫型铁电单晶：弛豫型铁电单晶：铌镁酸铅钛酸铅：铌镁酸铅钛酸铅：(1-(1-x)Pb(Mg)Pb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3xPbTiOPbTiO3 3，PMN-PTPMN-PT。铌锌酸铅钛酸铅：铌锌酸铅钛酸铅：(1-(1-x)Pb(Zn)Pb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3

17、3xPbTiOPbTiO3 3，PZN-PTPZN-PT。弛豫型铁电体具有很高的介电常数和较大的电致伸缩系数。弛豫型铁电体具有很高的介电常数和较大的电致伸缩系数。 19961996年和年和19971997年，年，ParkPark和和ShroutShrout报道了利用熔盐法生长报道了利用熔盐法生长PZN-PTPZN-PT单晶的单晶的技术工艺和晶体各种切向晶片的介电、压电和电致伸缩特性，发现当切向技术工艺和晶体各种切向晶片的介电、压电和电致伸缩特性，发现当切向为为(001)(001)时，晶体具有最佳的性能。时，晶体具有最佳的性能。例如，组分为例如，组分为0.92PZN-0.08PT0.92PZN-

18、0.08PT的晶体，当按的晶体，当按(010)(010)切向时，压电性能：切向时，压电性能：d d33332500pC2500pCN N-1-1，为锆钛酸铅，为锆钛酸铅(PZT)(PZT)材料的材料的3 36 6倍；倍；K K33330.940.94，为现有压电材料中最高的。，为现有压电材料中最高的。世界著名杂志世界著名杂志ScienceScience的评论：的评论：这类铁电单晶将是新一代超声换能器和高性能微位移和微驱动器的理这类铁电单晶将是新一代超声换能器和高性能微位移和微驱动器的理想材料。想材料。我国也在研制我国也在研制PMN-PTPMN-PT、PZN-PTPZN-PT弛豫铁电单晶，取得重

19、要进展。弛豫铁电单晶，取得重要进展。第五章功能转换材料 5.1 5.1 压电材料压电材料13第二节热释电材料第二节热释电材料一、热释电效应一、热释电效应热释电效应是晶体因温度变化而引起电极化的变化，即晶体表面产生等量异号热释电效应是晶体因温度变化而引起电极化的变化，即晶体表面产生等量异号电荷的现象。电荷的现象。 热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系：热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系： PspT 式中，式中，P Ps s自发极化强度；自发极化强度；p p 热释电系数；热释电系数；T T 温度。温度。 热释电效应产生的前提条件热释电效应产生的前提条件 晶体具有自发极化现象，即在晶体

20、结构的某些方向存在固有电矩。晶体具有自发极化现象，即在晶体结构的某些方向存在固有电矩。 热释电材料与压电材料的比较热释电材料与压电材料的比较 压电晶体不一定有热释电效应，压电晶体不一定有热释电效应， 但热释电晶体一定有压电效应。但热释电晶体一定有压电效应。 铁电体都具有热释电效应铁电体都具有热释电效应铁电体：铁电体：一类具有自发极化，且这一类具有自发极化，且这种自发极化可以在外电场作用下改种自发极化可以在外电场作用下改变方向的电介质。变方向的电介质。第五章功能转换材料 5.2 5.2 热释电材料热释电材料14铁电材料的极化特性曲线铁电材料的极化特性曲线电介质电介质压电体压电体热释电体热释电体铁

21、电体铁电体电介质、压电体、电介质、压电体、热释电体和铁电体的关系热释电体和铁电体的关系第五章功能转换材料 5.2 5.2 热释电材料热释电材料15二、热释电材料的主要特性二、热释电材料的主要特性1.1.热释电系数热释电系数 热释电系数表示热释电材料受到热辐射后产生自发极化强度随温度变热释电系数表示热释电材料受到热辐射后产生自发极化强度随温度变 化的大小。化的大小。p p 越大越好。越大越好。 2.2.优值指数优值指数 优值指数是热释电材料应用于探测器方面的重要参数。优值指数是热释电材料应用于探测器方面的重要参数。 电流响应优值电流响应优值F FiTPpddsc 热释电材料单位体积的热容。热释电

22、材料单位体积的热容。cFi = p / 常用热释电材料的常用热释电材料的 约为约为2.52.510106 6J Jmm-3-3K K-1 -1。 c第五章功能转换材料 5.2 5.2 热释电材料热释电材料16 电压响应优值电压响应优值F Fv v 热释电材料的介电常数。热释电材料的介电常数。 探测优值探测优值F Fd d tan 热释电材料的电学损耗因子。热释电材料的电学损耗因子。3.3.吸热流量吸热流量 代表单位时间吸热的多少。代表单位时间吸热的多少。 一般要求热释电材料具有大的吸热流量。一般要求热释电材料具有大的吸热流量。 4.4.居里点或矫顽场居里点或矫顽场 热释电材料有一大类是铁电体，

23、要求有大的矫顽场或高的居里点。热释电材料有一大类是铁电体，要求有大的矫顽场或高的居里点。 cF = p / 21)cFdp / (tan第五章功能转换材料 5.2 5.2 热释电材料热释电材料17三、热释电材料三、热释电材料材料材料p(10-4Cm-2K-1) r(1kHz)tan (1kHz)( (106J Jm-3K-1)Fv( (m2C-1)Fd( (10-5Pa-1/2)TGS(35 C)DTGS(40 C)ATGSAs(25 C)ATGSP(25 C)LiTaO3SBN-50PZ-FN陶瓷陶瓷PT陶瓷陶瓷PVDF5.55.57.06.22.35.53.83.80.2755433231

24、47100290220120.0250.0200.010.010.0050.0030.0030.0110.0152.62.43.22.342.52.52.430.430.600.990.980.170.070.060.080.106.18.316.616.84.97.25.83.30.88一些代表性热释电材料的性能一些代表性热释电材料的性能注：注：SBN-50是是Sr0.5Ba0.5NbO6；PZ-FN陶瓷是改性的陶瓷是改性的PbZrO3-PbFe1/3Nb2/3O3； PT陶瓷是改性的陶瓷是改性的PbTiO3。 c第五章功能转换材料 5.2 5.2 热释电材料热释电材料18 1. 1.热释电

25、晶体热释电晶体 特点：特点： p p 值高，性能稳定。值高，性能稳定。自发极化在外电场作用下不发生转向。自发极化在外电场作用下不发生转向。 典型材料：典型材料： 电气石、电气石、CaSCaS、CaSeCaSe、LiLi2 2SOSO4 4H H2 2O O、ZnOZnO等。等。 2.2.铁电晶体铁电晶体 特点：特点：p p 值高，性能稳定。值高，性能稳定。 自发极化在外电场作用下会改变方向。自发极化在外电场作用下会改变方向。 典型材料典型材料：（1 1）硫酸三甘肽）硫酸三甘肽(TGS)(TGS)及其改性材料及其改性材料 硫酸三甘肽硫酸三甘肽(TGS)(TGS)、氘化的、氘化的TGSTGS(DT

26、GS)(DTGS)、掺丙氨酸并以砷酸根取代部分、掺丙氨酸并以砷酸根取代部分硫酸根的硫酸根的TGSTGS(ATGSAs)(ATGSAs)和掺丙氨酸并以磷酸根取代部分硫酸根的和掺丙氨酸并以磷酸根取代部分硫酸根的TGSTGS(ATGSP)(ATGSP)。（2 2）含氧金属酸化物）含氧金属酸化物 LiTaOLiTaO3 3、LiNiOLiNiO3 3、PbTiOPbTiO3 3、Pb(ZrPb(Zr、Ti)OTi)O3 3、BaTiOBaTiO3 3等。等。 第五章功能转换材料 5.2 5.2 热释电材料热释电材料19 3. 3.热释电陶瓷热释电陶瓷 特点：特点：制备容易，成本低，同时具有良好的热释电

27、性能。制备容易，成本低，同时具有良好的热释电性能。 典型材料：典型材料： （1 1）钛酸铅）钛酸铅(PbTiO(PbTiO3 3) )陶瓷陶瓷 居里温度高，居里温度高，p p 值随温度变化很小，是一种较好的红外探测器材料。值随温度变化很小，是一种较好的红外探测器材料。 （2 2）锆钛酸铅）锆钛酸铅(PZT)(PZT)陶瓷陶瓷 用量很大，性能优良。用量很大，性能优良。 添加添加BiBi2 2OO3 3的的PbPb0.960.96BiBi0.040.04ZrZr0.920.92TiTi0.080.08OO3 3陶瓷在室温附近具有较大的陶瓷在室温附近具有较大的p p 值。值。 （3 3）锆钛酸铅镧）

28、锆钛酸铅镧(PLZT)(PLZT)陶瓷陶瓷 居里点高，在常温下使用不退化，热释电性能良好。居里点高，在常温下使用不退化，热释电性能良好。 4.4.有机高聚物晶体有机高聚物晶体 典型材料：典型材料：聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯(PVDF)(PVDF)。 特点：特点：易于制得大面积的薄膜易于制得大面积的薄膜(6(6 m m以下以下) )，且工序少，成本低。，且工序少，成本低。 p p 值较小，电压响应优值较高，介电损耗大，探测优值低。值较小，电压响应优值较高，介电损耗大，探测优值低。第五章功能转换材料 5.2 5.2 热释电材料热释电材料20四、热释电材料的应用四、热释电材料的应用 1 1、热释电探测

29、器、热释电探测器 重要应用：重要应用：制作室温红外探测器与列阵。制作室温红外探测器与列阵。原理：原理：当热释电元件受到调制辐射加热后，晶片温度将发生微小变当热释电元件受到调制辐射加热后，晶片温度将发生微小变化，由此引起晶体极化状态的改变，从而使垂直于自发极化轴化，由此引起晶体极化状态的改变，从而使垂直于自发极化轴方向的晶体单位表面上的电荷方向的晶体单位表面上的电荷( (即即P Ps s值值) )发生改变。发生改变。应用领域：应用领域：防火、防盗、医疗、遥测及军事等方面。防火、防盗、医疗、遥测及军事等方面。2 2、红外成像系统、红外成像系统 重要应用：重要应用： “夜视夜视”装置。装置。原理：原

30、理：物体在黑暗环境中随其温度的变化会发射具有不同强度和波长物体在黑暗环境中随其温度的变化会发射具有不同强度和波长的红外线。红外摄像机能够接收到来自物体不同部位的不同强度和波的红外线。红外摄像机能够接收到来自物体不同部位的不同强度和波长的红外线，从而产生不同强度的电信号，最后被还原成可视图像。长的红外线，从而产生不同强度的电信号，最后被还原成可视图像。 第五章功能转换材料 5.2 5.2 热释电材料热释电材料21(a)热释电红外成像焦平面的局部放大，第一像素的面积为热释电红外成像焦平面的局部放大，第一像素的面积为19 m16 m；(b)用热释电红外成像系统摄取的红外光图像。用热释电红外成像系统摄

31、取的红外光图像。第五章功能转换材料 5.2 5.2 热释电材料热释电材料22第三节光电材料第三节光电材料一、光电导材料一、光电导材料 光电导材料是指具有光电导效应的材料，又称内光电效应材料、光敏光电导材料是指具有光电导效应的材料，又称内光电效应材料、光敏 材料。光电导材料是制造光电导探测器的重要材料。材料。光电导材料是制造光电导探测器的重要材料。l 光电导材料的主要特性光电导材料的主要特性 1.1.积分灵敏度积分灵敏度S S 光电导材料的积分灵敏度代表了光电导产生的灵敏度，即单位光入射光电导材料的积分灵敏度代表了光电导产生的灵敏度，即单位光入射通量产生的电导率变化的大小：通量产生的电导率变化的

32、大小： 电导率；电导率； 光入射通量。光入射通量。 积分灵敏度代表了光电导产生的灵敏度。积分灵敏度代表了光电导产生的灵敏度。S 第五章功能转换材料 5.3 5.3 光电材料光电材料23 2. 2.“红限红限”或长波限或长波限 产生光电导的波长上限。产生光电导的波长上限。 并非任何波长的光照射在某种材料上时并非任何波长的光照射在某种材料上时都会导致其电导率的变化，只有当入射光子都会导致其电导率的变化，只有当入射光子的能量（与波长或频率有关）足够大时，才的能量（与波长或频率有关）足够大时，才能把材料价带中的电子激发到导带，从而产能把材料价带中的电子激发到导带，从而产生光生载流子。生光生载流子。 3

33、.3.光谱灵敏度光谱灵敏度 又称光谱响应度，用又称光谱响应度，用 - - 曲线表示，它曲线表示，它反映光电导材料对不同波长的光的响应。反映光电导材料对不同波长的光的响应。 4.4.灵敏阈灵敏阈 能够测出光电导材料产生光电导的最小能够测出光电导材料产生光电导的最小光辐射量。光辐射量。0.81.21.62.010100相相对对灵灵敏敏度，度，%波长，波长， m锗的本征光电导的光谱分布锗的本征光电导的光谱分布第五章功能转换材料 5.3 5.3 光电材料光电材料24l 光电导材料光电导材料1.1.光电导半导体光电导半导体 （1 1）单晶体：）单晶体：GeGe、SiSi（2 2）氧化物：）氧化物：ZnO

34、ZnO、PbOPbO （3 3）镉化物：）镉化物：CdSCdS、CdSeCdSe，CdTeCdTe（4 4）铅化物：）铅化物：PbSPbS、PbSePbSe、PbTePbTe（5 5）其他半导体化合物：）其他半导体化合物：SbSb2 2S S3 3、InSbInSb 2. 2.光电导陶瓷光电导陶瓷 CdSCdS陶瓷、陶瓷、CdSeCdSe陶瓷等。陶瓷等。 3.3.有机高分子光导体有机高分子光导体 聚氮乙烯基咔唑与聚氮乙烯基咔唑与2,4,7-2,4,7-三硝基芴酮组成的传荷络合物。三硝基芴酮组成的传荷络合物。l 光电导材料的应用光电导材料的应用 光电导材料的应用基于光生载流子产生光电导效应，常用

35、来作光敏器件：光电导材料的应用基于光生载流子产生光电导效应，常用来作光敏器件：如光电二极管、光敏三极管、光电导探测器等。如光电二极管、光敏三极管、光电导探测器等。 第五章功能转换材料 5.3 5.3 光电材料光电材料25二、光电动势材料二、光电动势材料 光电动势材料是能够产生光生伏特效应的材料，主要指光电池材料。光电动势材料是能够产生光生伏特效应的材料，主要指光电池材料。l 光电池的主要特性光电池的主要特性 1.1.开路电压开路电压V V0 0 开路电压开路电压V V0 0表示的是光电池在开路时的电压，也就是光电池的最大输表示的是光电池在开路时的电压，也就是光电池的最大输 出电压。出电压。 2

36、.2.短路电流短路电流I I0 0 短路电流短路电流I I0 0表示的是光电池在外电路短路时的电流，也就是光电池的表示的是光电池在外电路短路时的电流，也就是光电池的 最大电流。最大电流。第五章功能转换材料 5.3 5.3 光电材料光电材料263.3.转换效率转换效率 表示的是光生电动势转换效率的参数，是光电池的最大输出功率与表示的是光生电动势转换效率的参数，是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：入射到光电池结面上的辐射功率之比： 式中，式中，I I 光电流；光电流；E E 光电动势；光电动势； 光入射通量；光入射通量；S S 相关灵敏度。相关灵敏度。 与禁带宽度有关，当与禁

37、带宽度有关，当E Eg g=0.9=0.91.5eV1.5eV时，时， 可获得最高值。温度、掺可获得最高值。温度、掺杂浓度及分布以及光强度等对杂浓度及分布以及光强度等对 也有影响。也有影响。 4.4.光谱响应曲线光谱响应曲线 光谱响应曲线是表示光谱响应曲线是表示V V0 0 、I I0 0 、 的关系曲线，反映了光电池的关系曲线，反映了光电池的几个重要参量与入射光波长的关系。的几个重要参量与入射光波长的关系。SIE率率入射到结面上的辐射功入射到结面上的辐射功光电池最大输出功率光电池最大输出功率第五章功能转换材料 5.3 5.3 光电材料光电材料27半导体禁带宽度半导体禁带宽度(eV)转转换换效

38、效率率(%)转换效率与禁带宽度的关系曲线转换效率与禁带宽度的关系曲线第五章功能转换材料 5.3 5.3 光电材料光电材料28l 光电池材料光电池材料 光电池中最活跃的领域是太阳能电池。光电池中最活跃的领域是太阳能电池。 太阳能电池是一种利用光伏效应将太阳能转化为电能的光电转换器件。太阳能电池是一种利用光伏效应将太阳能转化为电能的光电转换器件。 1.1.硅太阳能电池材料硅太阳能电池材料 （1 1）单晶硅太阳能电池材料）单晶硅太阳能电池材料优点：优点：E Eg g( (约约1.1eV)1.1eV)大小适宜，转换效率高大小适宜，转换效率高( ( 可达可达18%)18%)，反射损失，反射损失小，易掺杂

39、。小，易掺杂。缺点：缺点：价格昂贵，使用寿命不长。价格昂贵，使用寿命不长。 （2 2）多晶硅太阳能电池材料）多晶硅太阳能电池材料优点：优点：制备工艺简单，易获得大尺寸材料。制备工艺简单，易获得大尺寸材料。缺点：缺点：均匀性不易控制，转换效率低均匀性不易控制，转换效率低( ( 约为约为2 28%)8%)。 对多晶硅进行表面改性，在其表面形成理想的织构来增强其对光的吸对多晶硅进行表面改性，在其表面形成理想的织构来增强其对光的吸 收，可以将多晶硅电池的转换效率提高至收，可以将多晶硅电池的转换效率提高至13.4%13.4%。第五章功能转换材料 5.3 5.3 光电材料光电材料29（3 3）非晶硅太阳能

40、电池材料）非晶硅太阳能电池材料优点：优点：制备工艺简单，对杂质的敏感性小，可制成大尺寸。制备工艺简单，对杂质的敏感性小，可制成大尺寸。 缺点：缺点：转换效率不高转换效率不高( ( 约在约在10%10%左右左右) )，性能不够稳定。，性能不够稳定。 将非晶硅与晶体硅相结合，制备成非晶硅将非晶硅与晶体硅相结合，制备成非晶硅/ /晶体硅异质结构，能够有晶体硅异质结构，能够有 效提高其转换效率（转换效率可达效提高其转换效率（转换效率可达20.7%20.7%）。）。2.2.化合物半导体薄膜太阳能电池材料化合物半导体薄膜太阳能电池材料 特点：特点：光电转化效率高、转换效率提高空间大。光电转化效率高、转换效

41、率提高空间大。 耗材少。耗材少。 化合物电池对阳光吸收系数大，适合制作薄膜电池。化合物电池对阳光吸收系数大，适合制作薄膜电池。 品种多，应用广泛。品种多，应用广泛。 抗辐射性好。抗辐射性好。 适用于空间飞行器电源等特殊应用。适用于空间飞行器电源等特殊应用。材料材料 光电转化效率光电转化效率CuIn(Ga)SeCuIn(Ga)Se2 218.8%18.8%CdTeCdTe16%16%InGaP/GaAsInGaP/GaAs30.28%30.28%第五章功能转换材料 5.3 5.3 光电材料光电材料30 3. 3.陶瓷太阳能电池材料陶瓷太阳能电池材料 优点：优点：制备简单，成本低。制备简单，成本低

42、。 缺点：缺点：稳定性差。稳定性差。 典型材料：典型材料：CdSCdS陶瓷。陶瓷。 4.4.金属氧化物半导体金属氧化物半导体(MOS)(MOS)太阳能电池材料太阳能电池材料 优点：优点：转换效率高转换效率高， 可达可达20%20%。 缺点：缺点：制备工艺复杂。制备工艺复杂。l 光电动势材料的应用前景光电动势材料的应用前景太阳每年射向地表的能量达太阳每年射向地表的能量达6060亿亿度，一万倍于全世界的能耗，但密亿亿度，一万倍于全世界的能耗，但密 度低，仅有（度低，仅有（1kW/m1kW/m2 2），且受自然影响大。），且受自然影响大。目前光电转换材料效率较低，太阳能电池仍只局限于单晶硅材料和薄目

43、前光电转换材料效率较低，太阳能电池仍只局限于单晶硅材料和薄膜材料、非晶硅材料等几种，因此有待于进一步的发展。膜材料、非晶硅材料等几种，因此有待于进一步的发展。今后的发展方向是寻求基于新的转换机理的材料。如美国近年来报道今后的发展方向是寻求基于新的转换机理的材料。如美国近年来报道的一种新型材料，效率高达的一种新型材料，效率高达60%60%，具有极好的应用前景。，具有极好的应用前景。第五章功能转换材料 5.3 5.3 光电材料光电材料31第四节电光材料第四节电光材料一、电光效应一、电光效应 电光效应是指在外加电场的作用下，介质的折射率发生变化的现象。电光效应是指在外加电场的作用下，介质的折射率发生

44、变化的现象。l 电光效应的类型电光效应的类型 介质的折射率与外加电场介质的折射率与外加电场E E 之间的关系：之间的关系： nn0+aE+bE2+ 式中，式中，n n0 0介质在介质在E E0 0时的折射率；时的折射率；a a，b b常数。常数。 1.1.一级电光效应（泡克耳斯一级电光效应（泡克耳斯(Pockels)(Pockels)效应）效应） 泡克耳斯效应是指由一次项泡克耳斯效应是指由一次项aE引起的介质折射率变化的现象，即介引起的介质折射率变化的现象，即介 质折射率的变化与外电场强度成正比：质折射率的变化与外电场强度成正比： nnn0aE 2. 2.二级电光效应（克尔二级电光效应（克尔(

45、Kerr)(Kerr)效应）效应） 克尔效应是指由二次项克尔效应是指由二次项bE2引起的介质折射率变化的现象，即介质折引起的介质折射率变化的现象，即介质折 射率的变化与外电场强度的二次方成正比：射率的变化与外电场强度的二次方成正比： nnn0bE2 第五章功能转换材料 5.4 5.4 电光材料电光材料32入射光入射光异常光异常光(e(e光光) )正常光正常光(0(0光光) )VP压电晶体压电晶体电极电极电极电极波克耳斯效应波克耳斯效应入射光入射光异常光异常光(e光光)正常光正常光(0光光)VP各向同性物质各向同性物质电极电极电极电极克尔效应克尔效应l 电光效应的机理电光效应的机理 介质在外电场

46、作用下产生电极化，使其介电常数发生变化的结果。介质在外电场作用下产生电极化，使其介电常数发生变化的结果。 由电学知识，由电学知识，n2 / 0，因，因 变化导致变化导致n的变化，从而出现电光效应。的变化，从而出现电光效应。 第五章功能转换材料 5.4 5.4 电光材料电光材料33二、电光材料的种类二、电光材料的种类l 电光材料的基本要求电光材料的基本要求 品质因子品质因子 品质因子表征电光材料的有效电光效应的大小。品质因子表征电光材料的有效电光效应的大小。 品质因子大，电光材料则具有大的电光系数和高的折射率。品质因子大，电光材料则具有大的电光系数和高的折射率。 光学均匀性光学均匀性 用材料的消

47、光比来衡量器件光学均匀性。用材料的消光比来衡量器件光学均匀性。 消光比：消光比：电光器件关断时剩余透过率与打开时最高透过率之比值。电光器件关断时剩余透过率与打开时最高透过率之比值。 好的电光开关器件要求消光比达好的电光开关器件要求消光比达80dB80dB以上。以上。第五章功能转换材料 5.4 5.4 电光材料电光材料34 透明波段透明波段 电光晶体要求对所用光波透明。电光晶体要求对所用光波透明。 为避免双光子吸收，材料应具有低的短波吸收限。为避免双光子吸收，材料应具有低的短波吸收限。 吸收常与过渡金属元素杂质以及晶体中的散射颗粒有关。吸收常与过渡金属元素杂质以及晶体中的散射颗粒有关。 温度稳定

48、性温度稳定性 折射率的温度变化折射率的温度变化( (特别是双折射率的温度变化特别是双折射率的温度变化) )会造成器件性能的会造成器件性能的 极大变化。极大变化。 易于获得大尺寸单晶易于获得大尺寸单晶 获得高光学质量的大尺寸单晶是对材料的重要要求。获得高光学质量的大尺寸单晶是对材料的重要要求。第五章功能转换材料 5.4 5.4 电光材料电光材料35l 电光材料的种类电光材料的种类 1.1.磷酸二氢钾磷酸二氢钾(KH(KH2 2POPO4 4，KDP)KDP)型晶体型晶体 特点：特点：光学均匀性好；光学均匀性好； 在在0.190.192.582.58 m m波段范围内透过率高达波段范围内透过率高达

49、95%95%以上；以上； 易获得大尺寸晶体。易获得大尺寸晶体。 缺点：缺点：易潮解易潮解 典型晶体：典型晶体：KHKH2 2POPO4 4(KDP)(KDP)、NHNH4 4H H2 2POPO4 4(ADP)(ADP)、KHKH2 2AsOAsO4 4(KDA)(KDA)。2.2.钙钛矿钙钛矿ABOABO3 3型晶体型晶体 特点：特点：具有较强的电光效应；具有较强的电光效应； 具有良好的机械性质；具有良好的机械性质； 不吸潮。不吸潮。 缺点：缺点：不易获得大尺寸单晶；不易获得大尺寸单晶； 光损伤阈值低。光损伤阈值低。 典型晶体：典型晶体：LiNbOLiNbO3 3(LN)(LN)、LiTaO

50、LiTaO3 3(LT)(LT)、K(Ta,Nb)OK(Ta,Nb)O3 3(KTN)(KTN)、 BaTiOBaTiO3 3(BT)(BT)、KTaOKTaO3 3(KT)(KT)。第五章功能转换材料 5.4 5.4 电光材料电光材料36 3. 3.闪锌矿闪锌矿ABAB型晶体型晶体 典型晶体：典型晶体：ZnSZnS、CdSCdS、GaAsGaAs、CuClCuCl。 特点：特点：具有较强的电光效应；具有较强的电光效应； 兼有压电和半导体性质；兼有压电和半导体性质；如如ZnSZnS、CdSCdS、GaAsGaAs。 透过波长范围宽。透过波长范围宽。如如CuClCuCl的透过波长范围为的透过波长