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1、 南京大学研究生毕业鱼文中 文摘要首页用14 4毕业 论文 题目 : 光声 技术定 征材 料热学 参量以 及在光化学中的 应用声 学专业 2 0 0 1级 硕士生 姓名:罗爱 华指导教师 ( 姓名、职称):张 淑 仪 教授随着各学科的相互渗透，光声技术的理论方法和实验技术有很大的发展。近年来的大量研究表明，光声技术在物理、化学、生物、材料、工程等方面有着广泛的应用前景，成为十分重要的无损检测手段。本文主要讨论了光声技术中的瞬态热栅技术、 M i r a g e 技术 ( 光热偏转技术) 和时间 分辨脉冲光声 量热法在物理和生化中的应用， 我们利用瞬态热栅技术和M i r a g e 技术来定征
2、金属、 合金和磁性材料等固 体的热学参量， 利用时间分辨脉冲光声量热法 ( 即应用液体脉冲光声效应研究超快光化学反应中的动力学与能量方面的信息)来研究牛血红蛋白的光解量了产率。论文主要由五个部分组成:在第一章中，对光声技术的发展和基本原理进行了简要的回顾，然后简单介绍了 本文所要涉及的三种光声技术， 即 热栅技术、 M i r a g e 技术 ( 光热偏转技术) 和时间分辨脉冲光声量热法，最后给出本文的研究范围和目 的。在第二章中，利用瞬态热栅技术定征金属、合金和磁性材料的热扩散率。本章首先介绍了最近几年国内 外瞬态热栅技术的研究状况，并简单对瞬态热栅技术和检测的材料进行了介绍。然后我们结合
3、实验系统和理论模型对瞬态热栅的理论基础和原理进行了阐述。最后我们应用该技术对金属、半导体、合金以及磁性材料的热扩散率进行了测定。通过对硅和铜热扩散率的测定和校准，验证了该方法的有效性和精确性。此外我们还对黄铜、紫铜、铝合金、不锈钢等合金样品的热扩散率进行测量，并根据实验测量值对合金的结构进行了分析。结果发现黄铜和紫铜只是不同种类晶体的物理混合，热的传递是每一种组元热传导的组合;在铝合金中，由于铜原子的尺寸和价位都与铝不同，铜的引入引起了声子和电子的散射，导致了热扩散率的下降;而不锈钢由于组元种类较复杂，各组元在混合过程中发生了一定的化学变化， 晶格发生畸变， 引起电子和声子散射， 热扩散率也显
4、著下降。对合金热扩散率的钡 1 定以及结构分析，进一步证明了瞬态热栅技术是定征热学性质及材料结构的灵敏且有效的方法。 我们还利用瞬态热栅法测定了不同 温度下铁磁体S r 2 F e M0 0 6 的热扩散率。结果发现在温度范围3 0 0 K -3 6 0 K ，热扩散率随着温度升高 略有降低;在居里温度3 8 0 K时， 热扩散率发生了突变; 在温度范围4 0 0 K -4 5 0 K， 热扩散率随着温度升高有所增大。经过分析研究，声子、电子自 旋以及电子分别在这三段温度范围内起着主导作用。在 第 三章中， 利用M i r a g e 技 术 研究 磁性 材料的 热学 性质以 及载流子 掺杂对
5、 其热 扩散 率的 影响。我们首先介绍了M i r a g e 技术的 基础理论、实验原理及其测量材料热扩散率的实验系统， 对四个材料系列进行了研究， 包括: B位掺杂双钙钦矿结构氧化物f 1 2 B B “ 0 6 ( A为S r 元素， B 伪 F e , M n和C o 过渡金属元素， B “ t M o 元 素 ) ， 电 子 掺 杂 双 钙 钦 矿 结 构 氧 化 物S r 2 _, L a . F e M o O 6 ( x = 0 . 1 0 .4 ) t H S r 2 - , L a , M n M o O 6( x = 0 . 10 .4 ) ,空穴掺杂焦绿石结构氧化物S
6、m 2 _, S r , Mo 2 0 7 ( x = 0 . 1 - 0 .3 ) ，给出了载流子掺杂引起双钙钦矿结构和焦绿石结构氧化物的热扩散率变化的实验测量结果。然后结合双钙钦矿结构和焦绿石结构氧化物的X射线衍射图，磁化强度一温度 ( M- T ) ，电 阻率一温度 ( p - T ) ， 磁化强度一 磁场 ( M一 H ) 等曲 线， 探讨它们的磁学性质和电学性质， 以及载流子掺杂对其晶体结构、 磁学性质和电学性质等微观性质的影响， 进一步研究引起这些变化的内 在机制。 结果发现对于双钙钦矿结构氧化物， 热扩散率取决于M o 4 d能带的巡游电 子。 由 于S r 2 M n M 0
7、0 6 和S r 2 C O M0 0 6的M o 4 d能带巡游电 子为零， 表现为非金属性;S r 2 F e M 0 0 6 由于M o 4 d能带中存在巡游电子， 表现为金属性， 且热扩散率大于S r 2 M n M 0 0 6 和S r 2 C o M o O 6 的热扩散率。 S r 2 . L a . F e M o O 6 以 及S r 2 -, L a Xn M 0 0 6 ( 0 .0 x 0 .4 ) 的 热扩散 率 则随着L a 掺杂比 率的增加而增加， 这是由于掺入的电 子进入了M o o d 导带。 对于焦绿石结构氧化物 ( S m i _. S r x ) 2 M
8、O 2 0 7 ( 0 . 1 。 说明S r 2 F e M 0 0 6 是金属， M一T 曲 线则表明S r 2 F e M o 0 6 的居里温度T c 等于3 8 0 K .结合图八和图九的M - T曲线，我们得出一下结论:温度从3 0 0 K升高到3 6 0 K时， S r 2 F e M 0 0 6 仍 表现为铁磁态， 材料的 热扩散率则从0 .4 1 c m 2 / s 降低到0 .3 8 c m 2 / s ,当温度继续升高到居里温度T c =3 8 0 K时， S r 2 F e Mo 0 6 发生了铁磁一顺磁的相变， 此时热扩散率也发生了突变，降到 0 .2 7 c m 2
9、 / s 。当 温度继续升高到 4 0 0 K以 上时，S r 2 F e M o O 。 表现为顺磁态， 材料的热扩散率也 进一步降 低到0 .0 8 c m 2 / s ， 在温 度T =4 5 0 K时， 材料的热扩散率略有所增大。 同时， 我们可以发现降温过程中的热扩散率变化趋势与升温过程中的变化趋势基本一致，即在实验中没有发现磁滞现象。1_ 5 S r 2 Fe M o Os畜份牙育马昌，.、 . . 州 一-， 一、 FA o l i = 0 . 5 T、 、 、 、全翔0: 5、十、!/0 1 00 200 340 44 D 0Te mp e r a t u r e0 K )图九
10、 S r 2 F e M 0 0 6 磁 化强 度及电 阻率随 温度变化的曲 线M- T , p - T下面进一步对上述现象进行分析讨论。 对于磁性材料， 热导率k 主要由 三种因素所决定2 5 1k=k 砷十k 1 十 k 0 1 5 )其中k p , k “ 及k ， 分别代表声子、电子和电子自 旋对热导率的作用。 热扩散率可定义 为 k / p c n ， 其 中P 为 密 度 ， c ， 为 恒 压 热 容。 对 于 一 定 的 材 料， 密 度 可 近 似 看 作 是常数， 热容在低温下与T ， 成比 例， 在超过德拜温度后便趋于一个恒定值， 那么热扩散率主要由热导率决定。所以热扩散
11、率也主要由声子、电子和电子自 旋这三种因素所决定“ = a 0 “ + a 0 + a 0( 1 6 )其中a “, a 及a sn 分别代表声子、电 子和电子自 旋对热扩散率的作用。对于一般材料，热扩散率主要取决于两种相互独立机理:( 1 )由晶格波、声子传 递能 量; ( 2 )由自 由电 子 传 递能 量。 声子 对热扩 散 率的 影响a 0 “ 可描 述为v s lp h / 3 ,其中V s 表示材料中的声速， 临表示平均自 由 程。 当 温度不断升高时， 声子间的 碰撞几率 越大， 晶 格散 射 越强， 声 子的 平 均自 由 程l p h 越小， 热阻 越大， 热导 率就 越低，
12、a 0 “ 也越小。并且由于强磁场可以大大减弱电子对能量传递的贡献。所以在温度范围3 0 0 K -3 6 0 K时，可忽略电子对S r 2 F e Mo 0 6 热扩散率的影响，S r 2 F e M 0 0 6 的热扩散率主要由声子所决定。结合图八和图九的M- T曲线，在温度范围3 6 0 K -4 0 0 K ,S r 2 F e M o O 6 的磁化强度和热扩散率同时发生了突变。 铁磁一顺磁的相变是由于随着温度的升高，电子自 旋由有序变得无序。因此，在这一温度范围内，S r 2 F e M0 0 6 的热扩散率随温度的升高而增大也是由电子自 旋这一因 素所决定。 在温度范围4 0 0
13、 K -4 5 0 K , 热扩散率却有所增大， 此时材料具有顺磁性，电子自 旋无序。 若考虑声子和晶格变化的影响， 热扩散率应该随着温度的升高而减小， 这与我们的实验结果相反，所以这一温度范围内的热扩散率的变化趋势取决电子a d a综上所述， 利用瞬态热栅法测定不同 温度下S r z F e M o O 。 的热扩散率时， 我们可以发现在温度范围3 0 0 K -3 6 0 K ， 热扩散率随着温度升高略有降低; 在居里温度3 8 0 K时， 热扩散率发生了突变;在温度4 0 0 K -4 5 0 K ， 热扩散率随着温度升高有所增大。经过分析研究，我们认为声子、电子自旋以及电子分别在这三段
14、温度范围内各起着主导作用。参考文献 1 一 Z h a n g S h u 扣E d . i n P r o g r e s s in N a t u r a l S c i e n c e , 9 t h i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o np h o t o a c o u s t i c a n d p h o t o t h e r m a l p h e n o m e n a , 6 s u p p l e m e n t ( 1 9 9 6 ) 2 王 培吉， 范 索华， 中 国撰尤A 2 5 ( 8 ) , 7 0
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