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1、第六章 其他材料主讲：袁明亮 教授6.1 半导体材料6.1.1 6.1.1 半导体材料的概念半导体材料的概念半导体材料的概念半导体材料的概念 物质按其导电的难易程度可以分为三大类：导体、半导体物质按其导电的难易程度可以分为三大类：导体、半导体物质按其导电的难易程度可以分为三大类：导体、半导体物质按其导电的难易程度可以分为三大类：导体、半导体和绝缘体。和绝缘体。和绝缘体。和绝缘体。 半导体材料的电阻率介于导体和绝缘体之间，数值一般在半导体材料的电阻率介于导体和绝缘体之间，数值一般在半导体材料的电阻率介于导体和绝缘体之间，数值一般在半导体材料的电阻率介于导体和绝缘体之间，数值一般在1010-4-4
2、10101010cmcm范围内，但是单从电阻率的数值上来区分是范围内，但是单从电阻率的数值上来区分是范围内，但是单从电阻率的数值上来区分是范围内，但是单从电阻率的数值上来区分是不充分的。半导体的电阻率还具有以下一些特性：加入微不充分的。半导体的电阻率还具有以下一些特性：加入微不充分的。半导体的电阻率还具有以下一些特性：加入微不充分的。半导体的电阻率还具有以下一些特性：加入微量的杂质、光照、外加电场、磁场、压力以及外界环境量的杂质、光照、外加电场、磁场、压力以及外界环境量的杂质、光照、外加电场、磁场、压力以及外界环境量的杂质、光照、外加电场、磁场、压力以及外界环境（温度、湿度、气氛）改变或轻微改
3、变晶格缺陷的密度都（温度、湿度、气氛）改变或轻微改变晶格缺陷的密度都（温度、湿度、气氛）改变或轻微改变晶格缺陷的密度都（温度、湿度、气氛）改变或轻微改变晶格缺陷的密度都可能使电阻率改变若干数量级。因此人们通常把可能使电阻率改变若干数量级。因此人们通常把可能使电阻率改变若干数量级。因此人们通常把可能使电阻率改变若干数量级。因此人们通常把电阻率在电阻率在电阻率在电阻率在1010-4-4101010 10 cmcm范围内，并对外界因素，如电场、磁场、范围内，并对外界因素，如电场、磁场、范围内，并对外界因素，如电场、磁场、范围内，并对外界因素，如电场、磁场、光、温度、压力及周围环境气氛非常敏感的材料称
4、为半导光、温度、压力及周围环境气氛非常敏感的材料称为半导光、温度、压力及周围环境气氛非常敏感的材料称为半导光、温度、压力及周围环境气氛非常敏感的材料称为半导体材料。体材料。体材料。体材料。6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 半导体材料的分类半导体材料的分类半导体材料的分类半导体材料的分类 元素半导体元素半导体元素半导体元素半导体 结晶态半导体结晶态半导体结晶态半导体结晶态半导体 化合物半导体化合物半导体化合物半导体化合物半导体 无机半导体无机半导体无机半导体无机半导体 固溶体半导固溶体半导固溶体半导固溶体半导体体体体半导体半导体半导体半导体 非晶态半导体非晶态半导体非晶态半导体非晶
5、态半导体 有机半导体有机半导体有机半导体有机半导体1 1） 元素半导体元素半导体元素半导体元素半导体在元素周期表中介于金属和非金属之间具有半导体在元素周期表中介于金属和非金属之间具有半导体在元素周期表中介于金属和非金属之间具有半导体在元素周期表中介于金属和非金属之间具有半导体性质的元素有性质的元素有性质的元素有性质的元素有十二种十二种十二种十二种，但是其中具备实用价值的，但是其中具备实用价值的，但是其中具备实用价值的，但是其中具备实用价值的元素半导体材料只有元素半导体材料只有元素半导体材料只有元素半导体材料只有硅、锗和硒硅、锗和硒硅、锗和硒硅、锗和硒。硒是最早使用。硒是最早使用。硒是最早使用。
6、硒是最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其是硅材料由于具有许多优良持性，绝大多数半导是硅材料由于具有许多优良持性，绝大多数半导是硅材料由于具有许多优良持性，绝大多数半导是硅材料由于具有许多优良持性，绝大多数半导体器件都是用硅材料制作的。体器件都是用硅材料制作的。体器件都是用硅材料制作的。体器件都是用硅材料制作的。2 2 2 2）二元化合物半导体）二元化合物半导体）二元化合物半导体）二元化合物半导体它们由两种元素组成，而且种类很多，主要有它们由两种元素组成，而
7、且种类很多，主要有它们由两种元素组成，而且种类很多，主要有它们由两种元素组成，而且种类很多，主要有III-VIII-V族化合物族化合物族化合物族化合物半导体、半导体、半导体、半导体、II-VIII-VI族化台物半导体、族化台物半导体、族化台物半导体、族化台物半导体、IV-VIIV-VI族化合物半导体、族化合物半导体、族化合物半导体、族化合物半导体、II-IVII-IV族化合物半导体、铅化物及氧化物半导体等。二元化族化合物半导体、铅化物及氧化物半导体等。二元化族化合物半导体、铅化物及氧化物半导体等。二元化族化合物半导体、铅化物及氧化物半导体等。二元化合物半导体有许多为元素半导体所不具有的性质，开
8、辟了合物半导体有许多为元素半导体所不具有的性质，开辟了合物半导体有许多为元素半导体所不具有的性质，开辟了合物半导体有许多为元素半导体所不具有的性质，开辟了应用的新领域。应用的新领域。应用的新领域。应用的新领域。 III-V III-V族半导体主要由族半导体主要由族半导体主要由族半导体主要由IIIIII族元素族元素族元素族元素AlAl，GaGa，InIn与与与与V V族元素族元素族元素族元素P P，AsAs，SbSb所组成，应用最广的是所组成，应用最广的是所组成，应用最广的是所组成，应用最广的是GaAsGaAs，还有，还有，还有，还有GaPGaP，InPInP等等等等已成为微波、光电器件的基础材
9、料，人们可以根据要求来已成为微波、光电器件的基础材料，人们可以根据要求来已成为微波、光电器件的基础材料，人们可以根据要求来已成为微波、光电器件的基础材料，人们可以根据要求来选择不同的选择不同的选择不同的选择不同的III-VIII-V族材料。族材料。族材料。族材料。 II-VI II-VI族半导体主要指由族半导体主要指由族半导体主要指由族半导体主要指由IIII族元素族元素族元素族元素ZnZn，CdCd，HgHg和和和和VIVI族元素族元素族元素族元素S S，SeSe，TeTe所组成，主要用来制作微光电器件，红外器件所组成，主要用来制作微光电器件，红外器件所组成，主要用来制作微光电器件，红外器件所
10、组成，主要用来制作微光电器件，红外器件和光电池，在国防上有重要用途。和光电池，在国防上有重要用途。和光电池，在国防上有重要用途。和光电池，在国防上有重要用途。3 3 3 3）三元化合物半导体）三元化合物半导体）三元化合物半导体）三元化合物半导体以以以以A1GaAsA1GaAs和和和和GaAsPGaAsP为代表的三元化合物半导体材料，已为为代表的三元化合物半导体材料，已为为代表的三元化合物半导体材料，已为为代表的三元化合物半导体材料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；此外人们广泛研究，可制作发光器件；此外人们广泛研究，可制作发光器件；此外人们广泛研究，可制作发光器件；此外AgSbTe2AgSbT
11、e2是良好的是良好的是良好的是良好的温差电材料；温差电材料；温差电材料；温差电材料；CdCrCdCr2 2SeSe4 4，MgCr MgCr 2 2S S4 4是磁性半导体材料；是磁性半导体材料；是磁性半导体材料；是磁性半导体材料；SrTiOSrTiO3 3是超导电性半导体材料，在氧欠缺的条件下，它表是超导电性半导体材料，在氧欠缺的条件下，它表是超导电性半导体材料，在氧欠缺的条件下，它表是超导电性半导体材料，在氧欠缺的条件下，它表现出超导电性。现出超导电性。现出超导电性。现出超导电性。4 4 4 4）固溶体半导体）固溶体半导体）固溶体半导体）固溶体半导体元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的半
12、导体材料称为元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的半导体材料称为元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的半导体材料称为元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的半导体材料称为固溶体半导体。它的一个重要持性是固溶体半导体。它的一个重要持性是固溶体半导体。它的一个重要持性是固溶体半导体。它的一个重要持性是禁带宽度（禁带宽度（禁带宽度（禁带宽度（EgEg）随固随固随固随固溶度的成分变化，因此可以利用固溶体得到有多种性质的溶度的成分变化，因此可以利用固溶体得到有多种性质的溶度的成分变化，因此可以利用固溶体得到有多种性质的溶度的成分变化，因此可以利用固溶体得到有多种性质的半导体材料。半导体材料。半导体材料。半
13、导体材料。例如例如例如例如GeSiGeSi固溶体固溶体固溶体固溶体EgEg的变化范围约在的变化范围约在的变化范围约在的变化范围约在0.71.2ev0.71.2ev，GaAsGaAsGaPGaP固溶体固溶体固溶体固溶体EgEg变化范围约在变化范围约在变化范围约在变化范围约在1.352.25ev1.352.25ev。所以可以利用。所以可以利用。所以可以利用。所以可以利用GaAsGaAs1-x1-xP Px x，随，随，随，随x x变化而作出能发不同波长的发光二极管。变化而作出能发不同波长的发光二极管。变化而作出能发不同波长的发光二极管。变化而作出能发不同波长的发光二极管。SbSb2 2TeTe3
14、3BiBi2 2TeTe3 3相相相相BiBi2 2SeSe3 3BiBi2 2TeTe3 3是较好的温差电材料是较好的温差电材料是较好的温差电材料是较好的温差电材料。5 5 5 5）非晶态半导体）非晶态半导体）非晶态半导体）非晶态半导体非晶态物质的特征是原子排列没有规律。从长程看杂乱无章，非晶态物质的特征是原子排列没有规律。从长程看杂乱无章，非晶态物质的特征是原子排列没有规律。从长程看杂乱无章，非晶态物质的特征是原子排列没有规律。从长程看杂乱无章，有时也叫有时也叫有时也叫有时也叫无定形物质无定形物质无定形物质无定形物质。在非晶态材料中有一些在常态下是。在非晶态材料中有一些在常态下是。在非晶态
15、材料中有一些在常态下是。在非晶态材料中有一些在常态下是绝缘体或高阻体，但是在达到一定值的外界条件（如电场、绝缘体或高阻体，但是在达到一定值的外界条件（如电场、绝缘体或高阻体，但是在达到一定值的外界条件（如电场、绝缘体或高阻体，但是在达到一定值的外界条件（如电场、光、温度等）时，就呈现出半导体电性能，称之为非晶态光、温度等）时，就呈现出半导体电性能，称之为非晶态光、温度等）时，就呈现出半导体电性能，称之为非晶态光、温度等）时，就呈现出半导体电性能，称之为非晶态半导体材料，也叫半导体材料，也叫半导体材料，也叫半导体材料，也叫玻璃态半导体玻璃态半导体玻璃态半导体玻璃态半导体。非晶态半导体材料在开。非
16、晶态半导体材料在开。非晶态半导体材料在开。非晶态半导体材料在开关元件、记忆元件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等关元件、记忆元件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等关元件、记忆元件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等关元件、记忆元件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应用方面都有令人鼓舞的前景。例如，的应用方面都有令人鼓舞的前景。例如，的应用方面都有令人鼓舞的前景。例如，的应用方面都有令人鼓舞的前景。例如，a-Si : Ha-Si : H太阳能电太阳能电太阳能电太阳能电池产量已占总太阳能电池产量的池产量已占总太阳能电池产量的池产量已占总太阳能电池产量的池产量已占总太阳能电池产量的3030，它不仅占
17、领了计算，它不仅占领了计算，它不仅占领了计算，它不仅占领了计算器等家用电器电源的市场，而且装备了太阳能电池汽车和器等家用电器电源的市场，而且装备了太阳能电池汽车和器等家用电器电源的市场，而且装备了太阳能电池汽车和器等家用电器电源的市场，而且装备了太阳能电池汽车和模型飞机；模型飞机；模型飞机；模型飞机；500kW500kW的电站己投入试运行。的电站己投入试运行。的电站己投入试运行。的电站己投入试运行。6 6 6 6）有机半导体）有机半导体）有机半导体）有机半导体有一些有机物也具有半导体性质，研究表明在固态有一些有机物也具有半导体性质，研究表明在固态有一些有机物也具有半导体性质，研究表明在固态有一
18、些有机物也具有半导体性质，研究表明在固态电子器件中将会发挥其作用。电子器件中将会发挥其作用。电子器件中将会发挥其作用。电子器件中将会发挥其作用。6.2 磁性材料磁性材料6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 磁性材料概述磁性材料概述磁性材料概述磁性材料概述 具备强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有具备强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有具备强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有具备强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有能量转换、存储或改变能量状态的功能，是重要能量转换、存储或改变能量状态的功能，是重要能量转换、存储或改变能量状态的功能，是重要能量转换、存储或改变能量状态的功能，是重
19、要的功能材料。按矫顽力的大小可将磁性材料分为的功能材料。按矫顽力的大小可将磁性材料分为的功能材料。按矫顽力的大小可将磁性材料分为的功能材料。按矫顽力的大小可将磁性材料分为硬磁硬磁硬磁硬磁、半硬磁半硬磁半硬磁半硬磁、软磁材料软磁材料软磁材料软磁材料三种。磁性材料广泛地三种。磁性材料广泛地三种。磁性材料广泛地三种。磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像、电机、仪应用于计算机、通讯、自动化、音像、电机、仪应用于计算机、通讯、自动化、音像、电机、仪应用于计算机、通讯、自动化、音像、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领器仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领器仪表、航空航天、农业
20、、生物与医疗等技术领器仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。域。域。域。磁性材料的应用已涉及到工、农、医、现代科技、国防相人类生活的各磁性材料的应用已涉及到工、农、医、现代科技、国防相人类生活的各磁性材料的应用已涉及到工、农、医、现代科技、国防相人类生活的各磁性材料的应用已涉及到工、农、医、现代科技、国防相人类生活的各个领域。据统计个领域。据统计个领域。据统计个领域。据统计1994199419941994年全球磁性材料产量约年全球磁性材料产量约年全球磁性材料产量约年全球磁性材料产量约650650650650一一一一750750750750万吨。产值万吨。产值万吨。产值万吨。产值10010
21、0100100亿美元以上。全球每人每年消耗磁性材料价值亿美元以上。全球每人每年消耗磁性材料价值亿美元以上。全球每人每年消耗磁性材料价值亿美元以上。全球每人每年消耗磁性材料价值2 2 2 2美元。全球磁性材料美元。全球磁性材料美元。全球磁性材料美元。全球磁性材料需求量每年以需求量每年以需求量每年以需求量每年以l0l0l0l0一一一一25%25%25%25%速度增长。新型磁性材料、新技术和新工艺速度增长。新型磁性材料、新技术和新工艺速度增长。新型磁性材料、新技术和新工艺速度增长。新型磁性材料、新技术和新工艺不断涌现。是最活跃的材料领域之一。不断涌现。是最活跃的材料领域之一。不断涌现。是最活跃的材料
22、领域之一。不断涌现。是最活跃的材料领域之一。磁性材料分为磁合金，磁膜材料，磁记录材料，磁泡材料，磁滞效应材磁性材料分为磁合金，磁膜材料，磁记录材料，磁泡材料，磁滞效应材磁性材料分为磁合金，磁膜材料，磁记录材料，磁泡材料，磁滞效应材磁性材料分为磁合金，磁膜材料，磁记录材料，磁泡材料，磁滞效应材料，磁流体，铁氧体等。料，磁流体，铁氧体等。料，磁流体，铁氧体等。料，磁流体，铁氧体等。磁合金可分为软磁合金和硬磁合金磁合金可分为软磁合金和硬磁合金磁合金可分为软磁合金和硬磁合金磁合金可分为软磁合金和硬磁合金6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 软磁合金软磁合金软磁合金软磁合金软磁合金是指合金在磁
23、场作用下有磁性，磁场消失后不显磁软磁合金是指合金在磁场作用下有磁性，磁场消失后不显磁性。性。软磁合金分为软磁合金分为电工用纯铁电工用纯铁（低碳电工钢），（低碳电工钢），电工用硅钢片电工用硅钢片和和铁镍高磁导率合金铁镍高磁导率合金（坡莫合金）（坡莫合金）电工用纯铁适于制造在直流磁场下工作的小体积的继电器铁电工用纯铁适于制造在直流磁场下工作的小体积的继电器铁心、衔铁和极靴。由于其涡流损耗大，不适于在交流磁场心、衔铁和极靴。由于其涡流损耗大，不适于在交流磁场下工作下工作钢硅片则适于制造在交流磁场中工作的各种变压器，快速动钢硅片则适于制造在交流磁场中工作的各种变压器，快速动作的继电器和电机绕组的铁心。
24、作的继电器和电机绕组的铁心。铁镍高磁导率合金在弱磁场下具有很高磁导率的合金。主要铁镍高磁导率合金在弱磁场下具有很高磁导率的合金。主要用于各种搞灵敏度的小型小功率变压器、磁放大器、继电用于各种搞灵敏度的小型小功率变压器、磁放大器、继电器等导磁体。器等导磁体。6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 硬磁合金硬磁合金硬磁合金硬磁合金又名永磁合金，衡量永磁合金的参数：又名永磁合金，衡量永磁合金的参数：又名永磁合金，衡量永磁合金的参数：又名永磁合金，衡量永磁合金的参数： 剩余磁通密度剩余磁通密度剩余磁通密度剩余磁通密度(Br)(Br)(Br)(Br) 磁顽力磁顽力磁顽力磁顽力(He)(He)(H
25、e)(He) 磁能积磁能积磁能积磁能积( ( ( (BH)BH)BH)BH)m m m m: : : :常在试验测得的磁滞回线的第二象限用作常在试验测得的磁滞回线的第二象限用作常在试验测得的磁滞回线的第二象限用作常在试验测得的磁滞回线的第二象限用作图法获得。图法获得。图法获得。图法获得。 三个参数越大，材料的磁功能越好。三个参数越大，材料的磁功能越好。三个参数越大，材料的磁功能越好。三个参数越大，材料的磁功能越好。永磁合金分为：铸造合金和变形合金永磁合金分为：铸造合金和变形合金铸造合金铸造合金主要有主要有Fe-Al-NiFe-Al-Ni， Fe-Al-Ni-Co Fe-Al-Ni-Co合金系。
26、合金系。铝镍型永磁合金的磁性不高，如表铝镍型永磁合金的磁性不高，如表6-26-2所示，可以用所示，可以用作质量较大的磁铁。作质量较大的磁铁。铝镍钴型永磁合金的磁性则比较高，采用定向结晶铝镍钴型永磁合金的磁性则比较高，采用定向结晶工艺并经热处理，可以获得更高的磁性，一般称工艺并经热处理，可以获得更高的磁性，一般称为磁钴合金，广泛用于航空仪表中。为磁钴合金，广泛用于航空仪表中。变形永磁合金：可以通过铸造、热轧、冷轧和冷拉以及各种机械加工制成半成品（型材）和成品（磁铁）铬钢，钨钢，钴钢磁性较强，均以小断面的丝材或带材供应，作为磁滞马达和永磁电子的转子材料，也可以制造磁针和小断面磁铁。6.2.3 6.
27、2.3 铁氧体铁氧体铁氧体是以氧化铁为主要成分的磁性氧化物。铁氧体是以氧化铁为主要成分的磁性氧化物。从结晶学看，铁氧体是尖晶石、石榴石、磁铅石和它们的衍从结晶学看，铁氧体是尖晶石、石榴石、磁铅石和它们的衍生物。生物。铁氧体的制备铁氧体的制备: : 采用陶瓷工艺，原料经混合后，通过高温固采用陶瓷工艺，原料经混合后，通过高温固态反应转化成铁氧体，再经过压制，烧结成型即成为产品态反应转化成铁氧体，再经过压制，烧结成型即成为产品主要原料：氧化物，碳酸盐，草酸盐，硫酸盐主要原料：氧化物，碳酸盐，草酸盐，硫酸盐作为永磁材料来说，铁氧体的磁性不很高，但由于其原材料作为永磁材料来说，铁氧体的磁性不很高，但由于
28、其原材料丰富便宜，制备工艺成熟，成型容易，故得到广泛的应用。丰富便宜，制备工艺成熟，成型容易，故得到广泛的应用。6.2.4 6.2.4 其他磁功能材料其他磁功能材料除了上述几类主要的磁功能材料外，还有磁记录材除了上述几类主要的磁功能材料外，还有磁记录材料、磁膜材料和磁泡材料等。料、磁膜材料和磁泡材料等。磁记录材料一般用于制造磁带、磁盘和其他信息磁记录材料一般用于制造磁带、磁盘和其他信息记录器件，要求较高的剩磁和磁矫顽力，常用的记录器件，要求较高的剩磁和磁矫顽力，常用的有有钴铁氧体，锰铁氧体和铁铁氧体钴铁氧体，锰铁氧体和铁铁氧体。磁膜材料，又名磁性薄膜，主要用于制造计算机磁膜材料，又名磁性薄膜，
29、主要用于制造计算机快速存储元件、内存储器元件快速存储元件、内存储器元件磁泡材料也是用于制作计算机存储器的磁功能材磁泡材料也是用于制作计算机存储器的磁功能材料。料。6.3 超导材料超导材料1911年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直流年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直流电阻在电阻在4.2K时突然消失，首次观察到超导时突然消失，首次观察到超导电性。电性。超导体的基本物理性质超导体的基本物理性质1） 零电阻效应零电阻效应A.临界温度临界温度Tc:电阻突然消失的温度被称为超电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度导体的临界温度Tc。 B.B.B.B.临界磁场临界磁场临界磁场临界磁场Hc(T): Hc(T):
30、 Hc(T): Hc(T): 超导电性可以被外加磁场所破坏。对于超导电性可以被外加磁场所破坏。对于超导电性可以被外加磁场所破坏。对于超导电性可以被外加磁场所破坏。对于温度为温度为温度为温度为T(TT(TT(TT(TTc)Tc)Tc)Tc)的超导体的超导体的超导体的超导体, , , ,当外磁场超过某一数值当外磁场超过某一数值当外磁场超过某一数值当外磁场超过某一数值Hc(T)Hc(T)Hc(T)Hc(T)的的的的时候，超导电性就被破坏了，时候，超导电性就被破坏了，时候，超导电性就被破坏了，时候，超导电性就被破坏了，Hc(T)Hc(T)Hc(T)Hc(T)称为临界磁场。在临称为临界磁场。在临称为临界
31、磁场。在临称为临界磁场。在临界温度界温度界温度界温度TcTcTcTc，临界磁场为零。，临界磁场为零。，临界磁场为零。，临界磁场为零。C.C.临界电流临界电流临界电流临界电流Ic(T):Ic(T):在不加磁场的情况下，超导体中通过足够在不加磁场的情况下，超导体中通过足够在不加磁场的情况下，超导体中通过足够在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破坏超导电性导致破坏超导电性所需要的强的电流也会破坏超导电性导致破坏超导电性所需要的强的电流也会破坏超导电性导致破坏超导电性所需要的强的电流也会破坏超导电性导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流电流称作临界电流电流称作临界电流电流称作临界电流Ic
32、(T)Ic(T)。在临界温度。在临界温度。在临界温度。在临界温度TcTc，临界电流为零。，临界电流为零。，临界电流为零。，临界电流为零。2 2 2 2） 完全抗磁性完全抗磁性完全抗磁性完全抗磁性超导体与电阻无限小的理想导体有本质的区别。超导体与电阻无限小的理想导体有本质的区别。超导体与电阻无限小的理想导体有本质的区别。超导体与电阻无限小的理想导体有本质的区别。19331933年，德国物理学家迈斯纳年，德国物理学家迈斯纳年，德国物理学家迈斯纳年，德国物理学家迈斯纳(W(WMeissner)Meissner)和奥森菲尔和奥森菲尔和奥森菲尔和奥森菲尔德德德德(R(ROchsenfeld)Ochsen
33、feld)对锡单晶球超导体做磁场分布测量时对锡单晶球超导体做磁场分布测量时对锡单晶球超导体做磁场分布测量时对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现在小磁场中把金属冷却进入超导态时，超导体内的磁发现在小磁场中把金属冷却进入超导态时，超导体内的磁发现在小磁场中把金属冷却进入超导态时，超导体内的磁发现在小磁场中把金属冷却进入超导态时，超导体内的磁通线似乎一下子被排斥出去保持体内磁感应强度通线似乎一下子被排斥出去保持体内磁感应强度通线似乎一下子被排斥出去保持体内磁感应强度通线似乎一下子被排斥出去保持体内磁感应强度B B等于等于等于等于零，超导体的这一性质被称为迈斯纳效应。即零，超导体的这一性质被称为迈斯纳
34、效应。即零，超导体的这一性质被称为迈斯纳效应。即零，超导体的这一性质被称为迈斯纳效应。即: :超导体内超导体内超导体内超导体内磁感应强度磁感应强度磁感应强度磁感应强度B B总是等于零。总是等于零。总是等于零。总是等于零。6.3.2 6.3.2 超导材料的发展超导材料的发展超导材料的发展超导材料的发展在在在在l986l986年之前，由于当时己知的所有超导体都要在液氯冷却年之前，由于当时己知的所有超导体都要在液氯冷却年之前，由于当时己知的所有超导体都要在液氯冷却年之前，由于当时己知的所有超导体都要在液氯冷却的条件下才能的条件下才能的条件下才能的条件下才能“ “工作工作工作工作” ”，这些不利因素给
35、超导技术的实际，这些不利因素给超导技术的实际，这些不利因素给超导技术的实际，这些不利因素给超导技术的实际应用范围带来了很多限制。因此，关于如何提高材料的应用范围带来了很多限制。因此，关于如何提高材料的应用范围带来了很多限制。因此，关于如何提高材料的应用范围带来了很多限制。因此，关于如何提高材料的TcTc以及寻求高以及寻求高以及寻求高以及寻求高TcTc材料，一直是科学家们的研究课题。下图列材料，一直是科学家们的研究课题。下图列材料，一直是科学家们的研究课题。下图列材料，一直是科学家们的研究课题。下图列出了人们探索提高超导转变温度的历程。出了人们探索提高超导转变温度的历程。出了人们探索提高超导转变
36、温度的历程。出了人们探索提高超导转变温度的历程。6.3.3 6.3.3 6.3.3 6.3.3 常规超导体常规超导体常规超导体常规超导体相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化合物超导体的相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化合物超导体的相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化合物超导体的相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化合物超导体的超导转变温度较低超导转变温度较低超导转变温度较低超导转变温度较低(Tc(Tc(Tc(Tc30K)30K)30K)30K)，其超导机理基本上能在，其超导机理基本上能在，其超导机理基本上能在，其超导机理基本上能在BCSBCSBCSBCS理理理理论的框架
37、内进行解释，因而通常又枝称为常规超导体或传统论的框架内进行解释，因而通常又枝称为常规超导体或传统论的框架内进行解释，因而通常又枝称为常规超导体或传统论的框架内进行解释，因而通常又枝称为常规超导体或传统超导体。超导体。超导体。超导体。1 1 1 1）元素超导体）元素超导体）元素超导体）元素超导体 已发现的超导元素近已发现的超导元素近已发现的超导元素近已发现的超导元素近50505050种，如下图所示。除一些元素在常种，如下图所示。除一些元素在常种，如下图所示。除一些元素在常种，如下图所示。除一些元素在常压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过持殊工艺处压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过持
38、殊工艺处压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过持殊工艺处压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过持殊工艺处理理理理( ( ( (如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入等如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入等如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入等如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入等) ) ) )后显示出超导后显示出超导后显示出超导后显示出超导电性。其中电性。其中电性。其中电性。其中NbNbNbNb的的的的TcTcTcTc最高最高最高最高(9.2 K)(9.2 K)(9.2 K)(9.2 K)，与一些合金超导体相接近，与一些合金超导体相接近，与一些合金超导体相接近，与一些合金超导体相接近，而制备工艺
39、要简单得多。而制备工艺要简单得多。而制备工艺要简单得多。而制备工艺要简单得多。周期表中的超导元素周期表中的超导元素周期表中的超导元素周期表中的超导元素2 2 2 2）合金及化合物超导体）合金及化合物超导体）合金及化合物超导体）合金及化合物超导体具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正能够实际应具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正能够实际应具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正能够实际应具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正能够实际应用的并不多。下表列出了一些典型合金及化合物的用的并不多。下表列出了一些典型合金及化合物的用的并不多。下表列出了一些典型合金及化合物的用的并不多。下表
40、列出了一些典型合金及化合物的Tc(Tc(Tc(Tc(最最最最大值大值大值大值) ) ) )。其中。其中。其中。其中A15A15A15A15超导体超导体超导体超导体NbNbNbNb3 3 3 3SnSnSnSn是是是是20202020世纪世纪世纪世纪50505050年代马梯阿斯年代马梯阿斯年代马梯阿斯年代马梯阿斯(B(B(B(BT T T TMatthias)Matthias)Matthias)Matthias)首次发现的。在首次发现的。在首次发现的。在首次发现的。在1986198619861986年以前发现的超导年以前发现的超导年以前发现的超导年以前发现的超导体中，这类化合物中的体中，这类化合
41、物中的体中，这类化合物中的体中，这类化合物中的TcTcTcTc居于领先地位，它们之中临界温居于领先地位，它们之中临界温居于领先地位，它们之中临界温居于领先地位，它们之中临界温度最高的是度最高的是度最高的是度最高的是NbNbNbNb3 3 3 3GeGeGeGe薄膜，为薄膜，为薄膜，为薄膜，为23.2K23.2K23.2K23.2K。此外，。此外，。此外，。此外，c15c15c15c15超导体的超导体的超导体的超导体的临界温度约临界温度约临界温度约临界温度约l0Kl0Kl0Kl0K，上临界场，上临界场，上临界场，上临界场HcHcHcHc2 2 2 2( ( ( (约约约约1.6101.6101.
42、6101.6107 7 7 7A A A Am)m)m)m)高于超导高于超导高于超导高于超导合金合金合金合金NbTiNbTiNbTiNbTi，而在力学性质方面优于，而在力学性质方面优于，而在力学性质方面优于，而在力学性质方面优于NbNbNbNb3 3 3 3SnSnSnSn，易于加工成型，易于加工成型，易于加工成型，易于加工成型，中子辐照对它的超导电性影响较小，因而是目前受控热核中子辐照对它的超导电性影响较小，因而是目前受控热核中子辐照对它的超导电性影响较小，因而是目前受控热核中子辐照对它的超导电性影响较小，因而是目前受控热核反应用高场超导磁体的理想材料。反应用高场超导磁体的理想材料。反应用高
43、场超导磁体的理想材料。反应用高场超导磁体的理想材料。一些合金及化合物的临界温度一些合金及化合物的临界温度一些合金及化合物的临界温度一些合金及化合物的临界温度一些合金及化合物的临界温度一些合金及化合物的临界温度（续）（续）（续）（续）6.3.4 6.3.4 6.3.4 6.3.4 高温超导体高温超导体高温超导体高温超导体高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，即：零电阻高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，即：零电阻高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，即：零电阻高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，即：零电阻特性、迈斯纳效应、磁通量子化和约瑟夫森效应。特性、迈斯纳效应、磁通量子化
44、和约瑟夫森效应。特性、迈斯纳效应、磁通量子化和约瑟夫森效应。特性、迈斯纳效应、磁通量子化和约瑟夫森效应。BCSBCS理理理理论是目前能解释所有这些现象的唯论是目前能解释所有这些现象的唯论是目前能解释所有这些现象的唯论是目前能解释所有这些现象的唯理论，但这并不意味理论，但这并不意味理论，但这并不意味理论，但这并不意味高温超导体就是高温超导体就是高温超导体就是高温超导体就是BCSBCS超导体。高温超导体的配对机理目前超导体。高温超导体的配对机理目前超导体。高温超导体的配对机理目前超导体。高温超导体的配对机理目前还不清楚。新型的氧化物高温超导体与传统超导体相比较，还不清楚。新型的氧化物高温超导体与传
45、统超导体相比较，还不清楚。新型的氧化物高温超导体与传统超导体相比较，还不清楚。新型的氧化物高温超导体与传统超导体相比较，有其独持的结构和物理特征。主要表现在它们具有明显的有其独持的结构和物理特征。主要表现在它们具有明显的有其独持的结构和物理特征。主要表现在它们具有明显的有其独持的结构和物理特征。主要表现在它们具有明显的层状结构、较短的超导相干长度、较强的各向异性以及层状结构、较短的超导相干长度、较强的各向异性以及层状结构、较短的超导相干长度、较强的各向异性以及层状结构、较短的超导相干长度、较强的各向异性以及TcTc对载流子浓度的强依赖天系。对载流子浓度的强依赖天系。对载流子浓度的强依赖天系。对
46、载流子浓度的强依赖天系。6.3.5 6.3.5 6.3.5 6.3.5 超导材料的应用超导材料的应用超导材料的应用超导材料的应用超导体的零电阻效应显示了其无损耗输送电流的性质。超导体的零电阻效应显示了其无损耗输送电流的性质。超导体的零电阻效应显示了其无损耗输送电流的性质。超导体的零电阻效应显示了其无损耗输送电流的性质。大大大大功率发电机功率发电机功率发电机功率发电机、电动机电动机电动机电动机如能实现超导化将会大大降低能耗如能实现超导化将会大大降低能耗如能实现超导化将会大大降低能耗如能实现超导化将会大大降低能耗并使其小型化。如将超导体应用于潜艇的动力系统，可以并使其小型化。如将超导体应用于潜艇的
47、动力系统，可以并使其小型化。如将超导体应用于潜艇的动力系统，可以并使其小型化。如将超导体应用于潜艇的动力系统，可以大大提高它的隐蔽性和作战能力。在交通运输方面，负载大大提高它的隐蔽性和作战能力。在交通运输方面，负载大大提高它的隐蔽性和作战能力。在交通运输方面，负载大大提高它的隐蔽性和作战能力。在交通运输方面，负载能力强，速度快的超导悬浮列车和超导船的应用，都依赖能力强，速度快的超导悬浮列车和超导船的应用，都依赖能力强，速度快的超导悬浮列车和超导船的应用，都依赖能力强，速度快的超导悬浮列车和超导船的应用，都依赖于磁场强、体积小、重量轻的超导磁体。于磁场强、体积小、重量轻的超导磁体。于磁场强、体积
48、小、重量轻的超导磁体。于磁场强、体积小、重量轻的超导磁体。 超导体在电工、交通、国防、地质探矿和科学研究超导体在电工、交通、国防、地质探矿和科学研究超导体在电工、交通、国防、地质探矿和科学研究超导体在电工、交通、国防、地质探矿和科学研究( (回旋加回旋加回旋加回旋加速器速器速器速器、受控热核反应装置受控热核反应装置受控热核反应装置受控热核反应装置) )中的大工程上都有很多应用。中的大工程上都有很多应用。中的大工程上都有很多应用。中的大工程上都有很多应用。利用超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏的利用超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏的利用超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏的利用
49、超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏的电磁电磁电磁电磁信号的探测元件信号的探测元件信号的探测元件信号的探测元件和用于和用于和用于和用于高速运行的计算机元件高速运行的计算机元件高速运行的计算机元件高速运行的计算机元件。用这种探。用这种探。用这种探。用这种探测器制造的超导量子干涉滋强计可以测量地球磁场几十亿测器制造的超导量子干涉滋强计可以测量地球磁场几十亿测器制造的超导量子干涉滋强计可以测量地球磁场几十亿测器制造的超导量子干涉滋强计可以测量地球磁场几十亿分之一的变化，能测量人的脑磁图和心磁图，还可用于探分之一的变化，能测量人的脑磁图和心磁图，还可用于探分之一的变化，能测量人的脑磁图和心磁图，还
50、可用于探分之一的变化，能测量人的脑磁图和心磁图，还可用于探测深水下的潜水艇；放在卫星上可用于矿产资源普查；通测深水下的潜水艇；放在卫星上可用于矿产资源普查；通测深水下的潜水艇；放在卫星上可用于矿产资源普查；通测深水下的潜水艇；放在卫星上可用于矿产资源普查；通过测量地球磁场的细微变化为地震预报提供信息。超导体过测量地球磁场的细微变化为地震预报提供信息。超导体过测量地球磁场的细微变化为地震预报提供信息。超导体过测量地球磁场的细微变化为地震预报提供信息。超导体用于用于用于用于微波器件微波器件微波器件微波器件可以大大改善卫星通讯质量。超导材料的应可以大大改善卫星通讯质量。超导材料的应可以大大改善卫星通
51、讯质量。超导材料的应可以大大改善卫星通讯质量。超导材料的应用显示出巨大的优越性。用显示出巨大的优越性。用显示出巨大的优越性。用显示出巨大的优越性。6.4 光功能材料光功能材料光功能材料：指能够对光能进行传输，吸收，储存，转换的一类材料。光功能材料包括激光材料、红外材料、电光材料、磁光材料、光敏材料、发光材料、光色材料、声光材料、光导纤维材料(光纤)、信息记录材料(光盘)等等。这里重点介绍激光材料和红外材料。6.4.1 6.4.1 激光材料激光材料激光，又名镭射激光，又名镭射激光，又名镭射激光，又名镭射(LASER)(LASER)(LASER)(LASER)，来源于经受激辐射引起光频放大的英文，
52、来源于经受激辐射引起光频放大的英文，来源于经受激辐射引起光频放大的英文，来源于经受激辐射引起光频放大的英文（Light Amplification by Stimulated RadiattonLight Amplification by Stimulated RadiattonLight Amplification by Stimulated RadiattonLight Amplification by Stimulated Radiatton的缩写。原意表的缩写。原意表的缩写。原意表的缩写。原意表示光的放大及其放大的方式，现在用作由特殊振荡器发出的品质好、示光的放大及其放大的方式，现在用
53、作由特殊振荡器发出的品质好、示光的放大及其放大的方式，现在用作由特殊振荡器发出的品质好、示光的放大及其放大的方式，现在用作由特殊振荡器发出的品质好、具有特定频率的光波之意。具有特定频率的光波之意。具有特定频率的光波之意。具有特定频率的光波之意。 光的产生总是和原于中电子的跃迁有关。假如原子处于高能态，然光的产生总是和原于中电子的跃迁有关。假如原子处于高能态，然光的产生总是和原于中电子的跃迁有关。假如原子处于高能态，然光的产生总是和原于中电子的跃迁有关。假如原子处于高能态，然后跃迁到低能态，则它以辐射形式发生能量。一个具有能量等于两能后跃迁到低能态，则它以辐射形式发生能量。一个具有能量等于两能后
54、跃迁到低能态，则它以辐射形式发生能量。一个具有能量等于两能后跃迁到低能态，则它以辐射形式发生能量。一个具有能量等于两能级间能量差的光子与处于高能态的原子作用，使原子转变到低能态同级间能量差的光子与处于高能态的原子作用，使原子转变到低能态同级间能量差的光子与处于高能态的原子作用，使原子转变到低能态同级间能量差的光子与处于高能态的原子作用，使原子转变到低能态同时产生第二个光子，这一过程称为受激发射。受激发射产生的光就是时产生第二个光子，这一过程称为受激发射。受激发射产生的光就是时产生第二个光子，这一过程称为受激发射。受激发射产生的光就是时产生第二个光子，这一过程称为受激发射。受激发射产生的光就是激
55、光。激光。激光。激光。当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸收、当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸收、当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸收、当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸收、自发辐射和受激辐射三个基本过程是同时存在的。自发辐射和受激辐射三个基本过程是同时存在的。自发辐射和受激辐射三个基本过程是同时存在的。自发辐射和受激辐射三个基本过程是同时存在的。在热平衡状态，高能级上的粒子数总是小于低能级在热平衡状态，高能级上的粒子数总是小于低能级在热平衡状态，高能级上的粒子数总是小于低能级在热平衡状态，高能级上的粒子数总是小于低能级上的粒子数，产生激光作用的必要条件是使原子
56、或上的粒子数，产生激光作用的必要条件是使原子或上的粒子数，产生激光作用的必要条件是使原子或上的粒子数，产生激光作用的必要条件是使原子或分子系统的两个能级之间实现粒子数反转。分子系统的两个能级之间实现粒子数反转。分子系统的两个能级之间实现粒子数反转。分子系统的两个能级之间实现粒子数反转。发生激光的物质叫做发生激光的物质叫做激光工作物质激光工作物质在固体、气体、液体三类激光工作物质中，固体激光物质最在固体、气体、液体三类激光工作物质中，固体激光物质最为重要。它不仅激活离子比较大，震荡频带宽和产生谱线为重要。它不仅激活离子比较大，震荡频带宽和产生谱线窄的光脉冲，而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能
57、。窄的光脉冲，而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。固体激光工作物质又分为：固体激光工作物质又分为：晶体晶体和和玻璃玻璃固体激光工作物质要在基质晶体中掺人适量的激活离子。激活离子的作固体激光工作物质要在基质晶体中掺人适量的激活离子。激活离子的作固体激光工作物质要在基质晶体中掺人适量的激活离子。激活离子的作固体激光工作物质要在基质晶体中掺人适量的激活离子。激活离子的作用是在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激用是在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激用是在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激用是在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一
58、定波长的激光。目前激活离子来自三价和二价的铁系、镧系和锕系元素。激光的光。目前激活离子来自三价和二价的铁系、镧系和锕系元素。激光的光。目前激活离子来自三价和二价的铁系、镧系和锕系元素。激光的光。目前激活离子来自三价和二价的铁系、镧系和锕系元素。激光的波长是由激活离子的种类决定的。波长是由激活离子的种类决定的。波长是由激活离子的种类决定的。波长是由激活离子的种类决定的。1 1 1 1基质晶体基质晶体基质晶体基质晶体基质晶体基本上有三类：基质晶体基本上有三类：基质晶体基本上有三类：基质晶体基本上有三类：1) 1) 1) 1) 氟化物晶体氟化物晶体氟化物晶体氟化物晶体 这类晶体熔点较低，易于生长单晶
59、，是早这类晶体熔点较低，易于生长单晶，是早这类晶体熔点较低，易于生长单晶，是早这类晶体熔点较低，易于生长单晶，是早期研究的激光晶体材料，如期研究的激光晶体材料，如期研究的激光晶体材料，如期研究的激光晶体材料，如CaFCaFCaFCaF2 2 2 2，BaFBaFBaFBaF2 2 2 2，SrFSrFSrFSrF2 2 2 2，LaFLaFLaFLaF3 3 3 3，MgFMgFMgFMgF2 2 2 2等。但是，它们大多要在低温下才能工作。所以现在较少等。但是，它们大多要在低温下才能工作。所以现在较少等。但是，它们大多要在低温下才能工作。所以现在较少等。但是，它们大多要在低温下才能工作。所以
60、现在较少应用。应用。应用。应用。2) 2) 2) 2) 含氧金属酸化物晶体含氧金属酸化物晶体含氧金属酸化物晶体含氧金属酸化物晶体 这类材料是较早研究的激光晶体这类材料是较早研究的激光晶体这类材料是较早研究的激光晶体这类材料是较早研究的激光晶体材料之一，均以三价稀土离子为激活离子，如材料之一，均以三价稀土离子为激活离子，如材料之一，均以三价稀土离子为激活离子，如材料之一，均以三价稀土离子为激活离子，如CaWOCaWOCaWOCaWO4 4 4 4，CaMnOCaMnOCaMnOCaMnO4 4 4 4，LiNbOLiNbOLiNbOLiNbO4 4 4 4，Ca(POCa(POCa(POCa(P
61、O4 4 4 4) ) ) )3 3 3 3F F F F等。等。等。等。3) 3) 3) 3) 金属氧化物晶体金属氧化物晶体金属氧化物晶体金属氧化物晶体 这类晶体如这类晶体如这类晶体如这类晶体如AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3，Y Y Y Y3 3 3 3AlAlAlAl5 5 5 5O O O O12121212，ErErErEr2 2 2 2O O O O3 3 3 3，Y Y Y Y2 2 2 2O O O O3 3 3 3等，掺入三价过渡族金属离子或三价稀土离子构成激等，掺入三价过渡族金属离子或三价稀土离子构成激等，掺入三价过渡族金属离子或三价稀土离子构成激
62、等，掺入三价过渡族金属离子或三价稀土离子构成激光晶体，应用较广，研制最多。掺杂时不需电荷补尝，但光晶体，应用较广，研制最多。掺杂时不需电荷补尝，但光晶体，应用较广，研制最多。掺杂时不需电荷补尝，但光晶体，应用较广，研制最多。掺杂时不需电荷补尝，但它们的熔点均高，制取优质单晶都较困难。它们的熔点均高，制取优质单晶都较困难。它们的熔点均高，制取优质单晶都较困难。它们的熔点均高，制取优质单晶都较困难。2 2 2 2红宝石激光晶体红宝石激光晶体红宝石激光晶体红宝石激光晶体(Al(Al(Al(Al2 2 2 2O O O O3 3 3 3:Cr:Cr:Cr:Cr3+3+3+3+) ) ) )红宝石是世界
63、上第一台固体激光器的工作物质，它是由刚玉红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质，它是由刚玉红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质，它是由刚玉红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质，它是由刚玉单晶单晶单晶单晶( ( ( (-AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3) ) ) )为基质，掺入为基质，掺入为基质，掺入为基质，掺入CrCrCrCr3+3+3+3+激活离子所组成的。激活离子所组成的。激活离子所组成的。激活离子所组成的。 红宝石的激光发射波长为可见光红宝石的激光发射波长为可见光红宝石的激光发射波长为可见光红宝石的激光发射波长为可见光红光的波。这一波长红光的波。这一波
64、长红光的波。这一波长红光的波。这一波长的光，不但为人眼可见，而且对于绝大多数的各种光敏材的光，不但为人眼可见，而且对于绝大多数的各种光敏材的光，不但为人眼可见，而且对于绝大多数的各种光敏材的光，不但为人眼可见，而且对于绝大多数的各种光敏材料和光电探测元件来说，都是易于进行探测和定量测量的。料和光电探测元件来说，都是易于进行探测和定量测量的。料和光电探测元件来说，都是易于进行探测和定量测量的。料和光电探测元件来说，都是易于进行探测和定量测量的。因此红宝石激光器在激光器基础研究、强光因此红宝石激光器在激光器基础研究、强光因此红宝石激光器在激光器基础研究、强光因此红宝石激光器在激光器基础研究、强光(
65、 ( ( (非线性非线性非线性非线性) ) ) )光学光学光学光学研究、激光光谱学研究、激光照相和全息技术、激光雷达研究、激光光谱学研究、激光照相和全息技术、激光雷达研究、激光光谱学研究、激光照相和全息技术、激光雷达研究、激光光谱学研究、激光照相和全息技术、激光雷达与测距技术等方面都有广泛的应用。与测距技术等方面都有广泛的应用。与测距技术等方面都有广泛的应用。与测距技术等方面都有广泛的应用。 3 3 3 3钕钇铝石榴石激光晶体钕钇铝石榴石激光晶体钕钇铝石榴石激光晶体钕钇铝石榴石激光晶体(YAG:Nd(YAG:Nd(YAG:Nd(YAG:Nd3+3+3+3+) ) ) )激光工作物质是激光工作物
66、质是激光工作物质是激光工作物质是Y Y Y Y3 3 3 3AlAlAlAl5 5 5 5O O O O12121212作为基质，作为基质，作为基质，作为基质，NdNdNdNd3+3+3+3+作为激发离子。具有作为激发离子。具有作为激发离子。具有作为激发离子。具有良好的力学、热学和光学性能。军用激光测距仪和制导用良好的力学、热学和光学性能。军用激光测距仪和制导用良好的力学、热学和光学性能。军用激光测距仪和制导用良好的力学、热学和光学性能。军用激光测距仪和制导用激光照明器都采用钕钇铝石榴石激光器。这种激光器也是激光照明器都采用钕钇铝石榴石激光器。这种激光器也是激光照明器都采用钕钇铝石榴石激光器。
67、这种激光器也是激光照明器都采用钕钇铝石榴石激光器。这种激光器也是唯一能在常温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。唯一能在常温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。唯一能在常温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。唯一能在常温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。 4 4半导体激光材料半导体激光材料半导体激光材料半导体激光材料半导体激光器是固体激光器中重要的一类。这类激光器的特半导体激光器是固体激光器中重要的一类。这类激光器的特半导体激光器是固体激光器中重要的一类。这类激光器的特半导体激光器是固体激光器中重要的一类。这类激光器的特点是体积小、效率高、运行简单、便宜。点是体积小、效率高、运行简单
68、、便宜。点是体积小、效率高、运行简单、便宜。点是体积小、效率高、运行简单、便宜。 半导体激光器的半导体激光器的半导体激光器的半导体激光器的基本结构极为简单，是半导体器件基本结构极为简单，是半导体器件基本结构极为简单，是半导体器件基本结构极为简单，是半导体器件pnpn结二极管，在电流结二极管，在电流结二极管，在电流结二极管，在电流正向流动时会引起激光振荡。正向流动时会引起激光振荡。正向流动时会引起激光振荡。正向流动时会引起激光振荡。6.4.2 6.4.2 红外材料红外材料uu在红外线应用技术中，要使用能够透过红外线的材料，这在红外线应用技术中，要使用能够透过红外线的材料，这在红外线应用技术中，要
69、使用能够透过红外线的材料，这在红外线应用技术中，要使用能够透过红外线的材料，这些材料应具有对不同波长红外线的透过率、折射率及色散，些材料应具有对不同波长红外线的透过率、折射率及色散，些材料应具有对不同波长红外线的透过率、折射率及色散，些材料应具有对不同波长红外线的透过率、折射率及色散，一定的机械强度及物理、化学稳定性。一定的机械强度及物理、化学稳定性。一定的机械强度及物理、化学稳定性。一定的机械强度及物理、化学稳定性。uu在红外技术中作为光学材料使用的晶体主要有碱卤化合物在红外技术中作为光学材料使用的晶体主要有碱卤化合物在红外技术中作为光学材料使用的晶体主要有碱卤化合物在红外技术中作为光学材料
70、使用的晶体主要有碱卤化合物晶体、碱土晶体、碱土晶体、碱土晶体、碱土- -卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体及半导体晶体。及半导体晶体。及半导体晶体。及半导体晶体。uu红外材料应用于滤光片、基板等方面。在火箭、导弹、人红外材料应用于滤光片、基板等方面。在火箭、导弹、人红外材料应用于滤光片、基板等方面。在火箭、导弹、人红外材料应用于滤光片、基板等方面。在火箭、导弹、人造卫星、通讯、遥测等使用的红外装置中被广泛地用作窗造卫星、通讯、遥测等使用的红外装置中被广泛地用作窗造卫星、通讯、遥
71、测等使用的红外装置中被广泛地用作窗造卫星、通讯、遥测等使用的红外装置中被广泛地用作窗口和整流罩等。口和整流罩等。口和整流罩等。口和整流罩等。6.5 功能转换材料uu定义：狭义的讲，材料下同形式之问的功能转换的有关任何过定义：狭义的讲，材料下同形式之问的功能转换的有关任何过程都可定义为程都可定义为“功能转换材料功能转换材料”。从广义上看，材料除了不同。从广义上看，材料除了不同形式之间的功能转换外，能量密度的变化形式之间的功能转换外，能量密度的变化( (电压的变化，光波长电压的变化，光波长的改变等的改变等) )、空间的变化、空间的变化( (能量传递、电力输送、通讯等能量传递、电力输送、通讯等) )
72、以及沿以及沿着时间尺度上的变化着时间尺度上的变化( (能量贮存、苦电他等能量贮存、苦电他等) )都可以纳入功能转都可以纳入功能转换的范畴。换的范畴。uu功能转换材料的种类很多，包括压电材料、电光材料、磁光材功能转换材料的种类很多，包括压电材料、电光材料、磁光材料、声光材料、光敏材料、光电转换材料、热电材料、热敏材料、声光材料、光敏材料、光电转换材料、热电材料、热敏材料、热释电材料等等。料、热释电材料等等。uu在这里简单介绍压电材料、电光材料、磁光材料、声光材料。在这里简单介绍压电材料、电光材料、磁光材料、声光材料。6.5.1 6.5.1 压电材料压电材料压电材料是进行机械能与电能相互转变的工作
73、物质，压电材料是进行机械能与电能相互转变的工作物质，也就是说，当这类拷料受到机械应力时，它会引也就是说，当这类拷料受到机械应力时，它会引起电极化起电极化( (其极化值与应力成正比而特疆取决于其极化值与应力成正比而特疆取决于施加应力的方向施加应力的方向) )。这称为。这称为正压电效应正压电效应。相反，如。相反，如使材料在电场作用下则一定产生一个数量上直使材料在电场作用下则一定产生一个数量上直接与电场强度成正比的应变，这称为接与电场强度成正比的应变，这称为逆压电效应逆压电效应。压电材料中研究得比较多也比较早的是压电材料中研究得比较多也比较早的是石英晶体石英晶体。虽然石。虽然石英在机电转换方面并不足
74、最有效的压电材料，但它机电性英在机电转换方面并不足最有效的压电材料，但它机电性能稳定，几乎没有内耗，这使它的用途颇为广泛。能稳定，几乎没有内耗，这使它的用途颇为广泛。 另一些研究得较多的压电材料有磷酸二氢铵另一些研究得较多的压电材料有磷酸二氢铵(ADP)(ADP)，酒石，酒石酸乙二胺酸乙二胺(EDT)(EDT)和酒石酸二钾和酒石酸二钾(DKT)(DKT)等。它们均在技术上获等。它们均在技术上获得了一定的应用，然而，应用更多的还是陶瓷多晶材料，得了一定的应用，然而，应用更多的还是陶瓷多晶材料，其中比较典型的是钦酸钡和铁锈酸铅。其中比较典型的是钦酸钡和铁锈酸铅。一般的压电材料都是无机的单品和多品。
75、然而，近年来发一般的压电材料都是无机的单品和多品。然而，近年来发现不少有机聚合物也具有压电性能，而且，有的聚合物压现不少有机聚合物也具有压电性能，而且，有的聚合物压电性能相当好。电性能相当好。聚合物压电材料与普通压电材料相比，具有声阻抗和介电聚合物压电材料与普通压电材料相比，具有声阻抗和介电常数低，柔软性和击穿电压高，耐机械热坤击并能制作大常数低，柔软性和击穿电压高，耐机械热坤击并能制作大面积薄片等优点。因此，近年聚合物压电材料的研究十分面积薄片等优点。因此，近年聚合物压电材料的研究十分活跃。活跃。6.5.2 电光材料 在电场作用下光折射率随电场发生变化的材料称为电光材料，这种现象叫电光效电光
76、效应应。其中，折射率的变化同电场强度呈直线关系者称为波克尔(Pockel)效应；折射率的变化同电场强度平方呈直线关系者称为克尔(Kerr)效应。电光材料大部分是晶体，在结构上大致可分为五电光材料大部分是晶体，在结构上大致可分为五类：类：如如KDPKDP型型(KH(KH2 2POPO4 4、NHNH4 4H H2 2POPO4 4、NHNH4 4H H2 2AsOAsO4 4) )、立、立方钙钛矿型方钙钛矿型(BaTiO(BaTiO4 4、 Pb Pb3 3MgNbMgNb2 20 06 6、SrTiOSrTiO3 3) )、铁、铁电性钙钛矿型电性钙钛矿型(KTa(KTax xNblNbl1-x
77、1-xO O3 3、LiTeOLiTeO3 3、LiNbOLiNbO3 3) )、闪锌矿型闪锌矿型(ZnS(ZnS、CaAsCaAs、CuCl)CuCl)、 钨青铜型钨青铜型(Sr(Sr0.750.75BrBr0.250.25NbNb2 2O O6 6、K K3 3Li Li2 2NbNb5 5O O1515、BaBa2 2NaNbNaNb5 5O O1515) )。电光材料主要用来制造光调制元件还用于可变电光材料主要用来制造光调制元件还用于可变谐振滤波、光偏转和电场的测定等方面。谐振滤波、光偏转和电场的测定等方面。对电光材料的要求是：对电光材料的要求是：在使用波长范围内对光的吸收和散射要小；
78、在使用波长范围内对光的吸收和散射要小；折射串随温度的变化不能太大；折射串随温度的变化不能太大；介电损失小；介电损失小；电光系数、折射率和电阻率要大。电光系数、折射率和电阻率要大。uuKDPKDP型电光晶体在可见光范围内是透明的，但居里点低，易吸潮，半型电光晶体在可见光范围内是透明的，但居里点低，易吸潮，半波电压太高。波电压太高。uu立方钙钛矿型晶体的半波电压不高且无吸期。但居里点低，成分复立方钙钛矿型晶体的半波电压不高且无吸期。但居里点低，成分复杂生长出均匀的晶体技术难度大。杂生长出均匀的晶体技术难度大。uu铁电性钙钛矿型的铁电性钙钛矿型的LiNbOLiNbO2 2和和LiTaOLiTaO3
79、3晶体，其居里点较高，但半波电压晶体，其居里点较高，但半波电压太高。太高。uu闪锌矿型晶体的半波电压也太高。而钨青铜型结构的晶体其半波电闪锌矿型晶体的半波电压也太高。而钨青铜型结构的晶体其半波电压低。压低。6.5.3 磁光材料 当偏振光通过某些透明物质(如石英晶体)时偏振光的振动面将以光的传播方向为轴线旋转一定的角度这种现象叫旋光现象。其中最重要的一种是磁致旋光，常称之为法拉第旋光效应，它是滋光效应的一种。凡具有磁光效应的材料称之为磁光材料。 一般材料的Ve很小。 具有高的费尔德常数的材料是很有用的光学材料，可以利用它的磁致旋光效应，用于激光系统中。 采用具有高的费尔德常数的材料来制造光隔离元
80、件，可以给出较大的法拉第旋转角，从而实现对光的隔离。这样的材料是某些晶体和玻璃。 很多磁性材料具有突出的磁光效应它们中的亚铁磁性石榴石是重要的一类。其他还有尖晶石铁氧体、正铁氧体、钡铁氧体、二价銪的化合物、铬的三卤化物和某些金属。6.5.4 6.5.4 声光材料声光材料uu声和光完全是两种不同的振动形式，声是机械振动，而光是电磁被。声和光完全是两种不同的振动形式，声是机械振动，而光是电磁被。uu虽然早在本世纪虽然早在本世纪2020年代就发现了光被声波所散射的现象。但几十年间，年代就发现了光被声波所散射的现象。但几十年间，人们对声光相互作用的研究没有取得很大的成就，直到近年来高频声人们对声光相互
81、作用的研究没有取得很大的成就，直到近年来高频声学和激光的发展才使声光作用机理和声光技术取得了有重大意义的进学和激光的发展才使声光作用机理和声光技术取得了有重大意义的进步。同时，声光效应也开始在实际中得到应用。例如利用光束来考步。同时，声光效应也开始在实际中得到应用。例如利用光束来考察许多物质的声学性质，许多固体材料从低温的超导态到高温的熔融察许多物质的声学性质，许多固体材料从低温的超导态到高温的熔融态其行为往往都与它的声学性质有关。更重要的是利用超声波来控制态其行为往往都与它的声学性质有关。更重要的是利用超声波来控制光束的频率、强度和方向，使其在信息和显示处理上得到广泛的应用。光束的频率、强度和方向，使其在信息和显示处理上得到广泛的应用。uu声光材料有液体和固体。但由于液体对声波和热作用易于产生骚动，声光材料有液体和固体。但由于液体对声波和热作用易于产生骚动，不能保持稳定的光学特性，超声衰减也大，因此现代声光材料转向固不能保持稳定的光学特性，超声衰减也大，因此现代声光材料转向固体。在固体材科中，有机介质的声波吸收严重，当输入声波功率增大体。在固体材科中，有机介质的声波吸收严重，当输入声波功率增大时，光学性质容易变坏。因此，人们宁愿采用无机固体材料，其中比时，光学性质容易变坏。因此，人们宁愿采用无机固体材料，其中比较成功的是玻璃和晶体较成功的是玻璃和晶体。
