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1、本章内容7.1 光学功能材料7.2 电功能材料7.3 功能转换材料7.1 光学功能材料光学功能材料 7.1.1 激光材料激光材料 1.激光的产生和特点：激光的产生和特点：基态不稳定高能态亚稳态（寿命长、粒子累积）无辐射跃迁工作物质（原子或分子）泵浦过程（使粒子数反转分布）某些粒子跌落于基态，并激发其他粒子跌落，一起放出的光在光谐振腔里放大则发出激光吸收外来能量激光产生的原理激光的特点：激光的特点： 相干性好相干性好 发射的光具有相同相位发射的光具有相同相位 单色性纯单色性纯 在谐振腔调谐为特定频率在谐振腔调谐为特定频率 方向性好方向性好 偏离调谐轴向的辐射经反射逸散偏离调谐轴向的辐射经反射逸散
2、 高亮度高亮度 光子被同时释放，具有巨大亮度光子被同时释放，具有巨大亮度 激光焦点亮度比普通光高激光焦点亮度比普通光高激光焦点亮度比普通光高激光焦点亮度比普通光高10108 8-10-101010倍倍倍倍2.2.常用激光材料常用激光材料 激光工作物质分为激光工作物质分为固体、液体和气体固体、液体和气体激光工作物质。激光工作物质。固体激光物质固体激光物质最为重要，分为最为重要，分为晶体晶体和和玻璃玻璃两种。两种。 （2 2）激光玻璃）激光玻璃 激光玻璃与激光晶体一起构成了固体激光材料的两大激光玻璃与激光晶体一起构成了固体激光材料的两大类，并得到迅速发展。类，并得到迅速发展。 激光玻璃由激光玻璃由
3、激活离子激活离子和和基质玻璃基质玻璃组成。组成。 激活离子：激活离子：在激光玻璃中激活离子是在激光玻璃中激活离子是以以NdNd3+3+为代表的为代表的 三价稀土离子三价稀土离子。 基质玻璃：基质玻璃：在基质玻璃中，最早的激光输出是在基质玻璃中，最早的激光输出是在掺钕在掺钕钡冕玻璃中实现的钡冕玻璃中实现的。 7.1.2 红外材料红外材料 红外材料红外材料红外材料红外材料是指是指与与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相红外线的辐射、吸收、透射和探测等相红外线的辐射、吸收、透射和探测等相红外线的辐射、吸收、透射和探测等相关的一些材料关的一些材料关的一些材料关的一些材料。本节主要介绍。本节主要介绍红外透
4、射红外透射和和辐射材料辐射材料。 1.1.红外辐射材料红外辐射材料红外辐射材料红外辐射材料： 红外辐射又称热辐射。红外辐射材料可分为红外辐射又称热辐射。红外辐射材料可分为热型、热型、“ “发发光型光型” ”和热和热- -“ “发光发光” ”混合型混合型三类。红外加热技术主要采用三类。红外加热技术主要采用热型红外辐射热型红外辐射。（1）红外辐射材料的辐射特性）红外辐射材料的辐射特性 红外辐射材料的红外辐射材料的红外辐射材料的红外辐射材料的辐射特性辐射特性辐射特性辐射特性决定于决定于决定于决定于材料的温度和发射率材料的温度和发射率材料的温度和发射率材料的温度和发射率。而发射率是红外辐射材料的重要特
5、征值。而发射率是红外辐射材料的重要特征值。而发射率是红外辐射材料的重要特征值。而发射率是红外辐射材料的重要特征值。透过反射红外辐射吸收 其中其中其中其中: : 吸收率吸收率吸收率吸收率 + + 反射率反射率反射率反射率 + + 透过率透过率透过率透过率 = = 1 1 根据根据根据根据KirchoffKirchoff定律定律定律定律: : 辐射体的辐射出射度辐射体的辐射出射度辐射体的辐射出射度辐射体的辐射出射度 / / 吸收率吸收率吸收率吸收率 = = 黑体辐射出射度黑体辐射出射度黑体辐射出射度黑体辐射出射度 则则则则 吸收率吸收率吸收率吸收率 = = 辐射体的辐射出射度辐射体的辐射出射度辐射
6、体的辐射出射度辐射体的辐射出射度 / /黑体辐射出射度黑体辐射出射度黑体辐射出射度黑体辐射出射度 = = 材料发出辐射是因组成材料的原子、分子或离子体系在材料发出辐射是因组成材料的原子、分子或离子体系在不同能量状态间跃迁产生的。短波段与其电子跃迁有关，长不同能量状态间跃迁产生的。短波段与其电子跃迁有关，长波段则与其晶格振动特性有关。波段则与其晶格振动特性有关。红外辐射体的辐射机制是由红外辐射体的辐射机制是由于于分子转动或振动分子转动或振动而伴随着电偶极矩的变化而产生的辐射。而伴随着电偶极矩的变化而产生的辐射。 因此，组成材料的元素、化学键形式、晶体结构以及晶因此，组成材料的元素、化学键形式、晶
7、体结构以及晶体中存在缺陷等因素都将对材料的发射率发生影响。体中存在缺陷等因素都将对材料的发射率发生影响。 （a a）材料本身结构对其发射率的影响）材料本身结构对其发射率的影响 一般来说金属导电体的发射率值较小，电介质材料的一般来说金属导电体的发射率值较小，电介质材料的发射率较高。发射率较高。（b）材料的发射率随辐射波长的变化 多数红外辐射材料，在短波段与其电子跃迁有关，长多数红外辐射材料，在短波段与其电子跃迁有关，长多数红外辐射材料，在短波段与其电子跃迁有关，长多数红外辐射材料，在短波段与其电子跃迁有关，长波段则与其晶格振动特性有关。波段则与其晶格振动特性有关。波段则与其晶格振动特性有关。波段
8、则与其晶格振动特性有关。（c）原材料预处理工艺对发射率的影响 同一种原材料因预处理工艺条件不同而有不同的发射串值。例如氧化钛在空气700oC和煤气氛1400oC，其常温发射率分别为0.81和0.86。（d）发射率与温度的关系 对电介质来说，有些随温度升高而升高，有些则降低。（e）发射率受材料表面状态影响 一般来说，表面越粗糙，其发射率值越大。（f）材料的体因素对发射率的影响 材料的体因素包括材料的厚度、填料的粒径和含量等等。对透红外材料，其发射率值受到与材料体因素有关的红外吸收影响。（d）材料的发射率随工作时间而变化 在工作条件下，由于与环境介质发生相互作用或其他物理化学变化，从而引起成分及结
9、构的变化，使材料的发射率改变。 （2）红外辐射材料的应用）红外辐射材料的应用2.2.透红外材料透红外材料透红外材料透红外材料： （1）透红外材料的性质）透红外材料的性质 透红外材料是指对红外线透过率高的材料。透红外材料是指对红外线透过率高的材料。对其材料的要求是红外光谱透过率要高，透过的短波限要低，透过的频带要宽。 （2）透红外材料的种类）透红外材料的种类 目前实用的光学材料有二三十种，可以分为晶体、玻璃、透明陶瓷、塑料等。 锗、硅半导体的单晶和碱金属、碱土金属卤化物离子晶体是常用的单晶透红外材料。 红外光学玻璃主要有：硅酸盐、铝酸盐、镓酸盐、硫属化合物玻璃等。 氧化铝透明陶瓷不只是透过红外线
10、，也可以透过可见光。稀有金属氧化物（如氧化钇）陶瓷是一类具有耐高温性能的透红外光学材料。 塑料也是红外光学材料，但近红外性能不如其他材料，多用于远红外。 （3）透红外光学材料应用）透红外光学材料应用 透红外光学材料是用来制造红外光学透镜、棱镜、调整盘、整流罩等不可或缺的材料。7.1.3 发光材料发光材料 发光是一种物体把吸收的能量，不经过热的阶段，直接转换为特征辐发光是一种物体把吸收的能量，不经过热的阶段，直接转换为特征辐发光是一种物体把吸收的能量，不经过热的阶段，直接转换为特征辐发光是一种物体把吸收的能量，不经过热的阶段，直接转换为特征辐射的现象射的现象射的现象射的现象。发光材料种类很多，。
11、发光材料种类很多，。发光材料种类很多，。发光材料种类很多，按激发方式可分为按激发方式可分为按激发方式可分为按激发方式可分为：光致发光材料、电致光致发光材料、电致光致发光材料、电致光致发光材料、电致发光材料、阴极射线致发光材料、热致发光材料、等离子发光材料发光材料、阴极射线致发光材料、热致发光材料、等离子发光材料发光材料、阴极射线致发光材料、热致发光材料、等离子发光材料发光材料、阴极射线致发光材料、热致发光材料、等离子发光材料。 1.1.发光机理发光机理发光机理发光机理 （1 1）分立中心发光：分立中心发光：分立中心发光：分立中心发光：发光材料的发光中心受激后，激发和发射过程发光材料的发光中心受
12、激后，激发和发射过程发光材料的发光中心受激后，激发和发射过程发光材料的发光中心受激后，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。它是单分子过程，有发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光。它是单分子过程，有发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光。它是单分子过程，有发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光。它是单分子过程，有自自自自发发光发发光发发光发发光和和和和受迫发光受迫发光受迫发光受迫发光两种。两种。两种。两种。自发发光自发发光：受激发粒子受内部电场作用从激发态回到基态时的发光。其：受激发粒子受内部电场作用从激发态回到基态时的发光。其特征为，与发光相应的电子跃迁概率
13、决定于发射体内部电场，而不受外特征为，与发光相应的电子跃迁概率决定于发射体内部电场，而不受外界影响。界影响。受迫发光受迫发光：受激发的电子只有在外界影响下才发光。其特征是发射过程：受激发的电子只有在外界影响下才发光。其特征是发射过程分为两个阶段，发射体存在亚稳的受激态分为两个阶段，发射体存在亚稳的受激态M,M,其跃迁至基态是禁阻的，而其跃迁至基态是禁阻的，而受迫发光的第一阶段为由热起伏使电子跃迁到受迫发光的第一阶段为由热起伏使电子跃迁到A A态，然后再从态，然后再从A A态跃迁态跃迁回基态而发光。回基态而发光。（2 2）复合发光）复合发光）复合发光）复合发光 发光材料受激发时，分离出一对带异号
14、的电荷的粒子，一般为正发光材料受激发时，分离出一对带异号的电荷的粒子，一般为正发光材料受激发时，分离出一对带异号的电荷的粒子，一般为正发光材料受激发时，分离出一对带异号的电荷的粒子，一般为正离子和电子，这两种离子在复合时便发光，既复合发光。离子和电子，这两种离子在复合时便发光，既复合发光。离子和电子，这两种离子在复合时便发光，既复合发光。离子和电子，这两种离子在复合时便发光，既复合发光。 复合发光过程中复合发光过程中复合发光过程中复合发光过程中存在离子化的带电粒子的迁移或扩散存在离子化的带电粒子的迁移或扩散存在离子化的带电粒子的迁移或扩散存在离子化的带电粒子的迁移或扩散，构成特征，构成特征，构
15、成特征，构成特征的光电导，也称为的光电导，也称为的光电导，也称为的光电导，也称为“ “光电导发光光电导发光光电导发光光电导发光” ”。 复合发光过程，可以在一个发光中心上进行而实现复合发光过程，可以在一个发光中心上进行而实现复合发光过程，可以在一个发光中心上进行而实现复合发光过程，可以在一个发光中心上进行而实现单分子过程单分子过程单分子过程单分子过程，电子在导带中存在时间很短，是电子在导带中存在时间很短，是电子在导带中存在时间很短，是电子在导带中存在时间很短，是短复合发光过程短复合发光过程短复合发光过程短复合发光过程；大部分情况是电子；大部分情况是电子；大部分情况是电子；大部分情况是电子脱离原
16、来的发光中心在其他中心上实现脱离原来的发光中心在其他中心上实现脱离原来的发光中心在其他中心上实现脱离原来的发光中心在其他中心上实现双分子过程双分子过程双分子过程双分子过程，电子在导带中时，电子在导带中时，电子在导带中时，电子在导带中时间长，是间长，是间长，是间长，是长复合过程长复合过程长复合过程长复合过程。2.2.发光特征发光特征3.3.发光材料发光材料发光材料发光材料 （1 1）光致发光材料）光致发光材料）光致发光材料）光致发光材料 用紫外线、可见光及红外线激发发光材料而产生发光的现象称为用紫外线、可见光及红外线激发发光材料而产生发光的现象称为用紫外线、可见光及红外线激发发光材料而产生发光的
17、现象称为用紫外线、可见光及红外线激发发光材料而产生发光的现象称为光致发光，相应材料为光致发光材料。光致发光，相应材料为光致发光材料。光致发光，相应材料为光致发光材料。光致发光，相应材料为光致发光材料。一般分一般分一般分一般分荧光材料荧光材料荧光材料荧光材料和和和和磷光材料磷光材料磷光材料磷光材料两两两两种。种。种。种。 荧光材料：只有具备共轭键系统的分子才能使激发态保持相对稳荧光材料：只有具备共轭键系统的分子才能使激发态保持相对稳荧光材料：只有具备共轭键系统的分子才能使激发态保持相对稳荧光材料：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，因而荧光材料主要是以苯环为基的芳香族化合
18、物和杂定而发射荧光，因而荧光材料主要是以苯环为基的芳香族化合物和杂定而发射荧光，因而荧光材料主要是以苯环为基的芳香族化合物和杂定而发射荧光，因而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。环化合物。环化合物。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能够发光，称为磷光材料。后一定时间内能够发光，称为磷光材料。后一定时间内能够发光，称为磷光材料。后一定时间内能够发光，称为磷光材料。 光
19、致发光主要用于显示、显像、照明和日常生活中。光致发光主要用于显示、显像、照明和日常生活中。光致发光主要用于显示、显像、照明和日常生活中。光致发光主要用于显示、显像、照明和日常生活中。（2）电致发光材料（3 3）射线致发光材料）射线致发光材料（4 4）等离子体发光材料）等离子体发光材料7.2 电功能材料电功能材料 半导体材料半导体材料 1. 1.半导体的导电机理半导体的导电机理 半导体价带中的电子受激发后从满价带跃迁到空导带半导体价带中的电子受激发后从满价带跃迁到空导带中，中，跃迁电子可以在导带自由移动，传导负电荷跃迁电子可以在导带自由移动，传导负电荷；同时在；同时在满价带中留下空穴，在价带中传
20、导正电荷满价带中留下空穴，在价带中传导正电荷。 半导体导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都半导体导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都半导体导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都半导体导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中的载流子是半导体中的载流子是半导体中的载流子是半导体中的载流子。激发可以是。激发可以是热激发热激发，也可以是，也可以是非热非热激发激发，通过激发半导体中产生载流子，从而导电。，通过激发半导体中产生载流子，从而导电。 2.半导体的分类 按化学成分可分为按化学成分可分为元素半导体元素半导体元素半导体元素半导体和和化合物半导体化合物半导体化合物半导体化合物半导体
21、。元素元素元素元素半导体又可以分为本征半导体和杂质半导体半导体又可以分为本征半导体和杂质半导体半导体又可以分为本征半导体和杂质半导体半导体又可以分为本征半导体和杂质半导体。化合物半导化合物半导化合物半导化合物半导体可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种体可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种体可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种体可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种。 按照掺杂原子的价电子数可以分为施主型和受主型，按照掺杂原子的价电子数可以分为施主型和受主型，前者掺杂原子的价电子多于纯元素价电子，而后者相反。前者掺杂原子的价电子多于纯元素价电子，而后者相反。 按按晶态分为结晶、微晶
22、、非晶体半导体晶态分为结晶、微晶、非晶体半导体晶态分为结晶、微晶、非晶体半导体晶态分为结晶、微晶、非晶体半导体。3.半导体材料 超导材料超导材料 19111911年荷兰物理学家年荷兰物理学家OnnesOnnes在研究水银低温电阻时，在研究水银低温电阻时，首先发现超导现象首先发现超导现象。 物质在超低温下，失去电阻的性质为超导电性，相应物质在超低温下，失去电阻的性质为超导电性，相应物质在超低温下，失去电阻的性质为超导电性，相应物质在超低温下，失去电阻的性质为超导电性，相应的物质就称为超导体。的物质就称为超导体。的物质就称为超导体。的物质就称为超导体。 一些金属、合金和化合物也陆续发现了其超导现象
23、。一些金属、合金和化合物也陆续发现了其超导现象。 因此，因此，超导体存在常导状态和超导状态超导体存在常导状态和超导状态超导体存在常导状态和超导状态超导体存在常导状态和超导状态。1.超导体的基本物理性质超导体的基本物理性质 （1）零电阻现象）零电阻现象Tc 临界温度超导物质在温度降低超导物质在温度降低至某一数值至某一数值Tc以下，以下，则电阻突然为零。则电阻突然为零。（2）完全抗磁性）完全抗磁性 1933年年Meissner和和Ochsenfeld首次发现了超导体具有首次发现了超导体具有完全抗磁性的特性。完全抗磁性的特性。他们将锡单晶球超导体在磁场（他们将锡单晶球超导体在磁场（HHc）中冷却，在
24、临界温度以下，超导体内的磁通线一下子被排斥中冷却，在临界温度以下，超导体内的磁通线一下子被排斥出去；先冷却到临界温度以下，再通以磁场，现象一样。即出去；先冷却到临界温度以下，再通以磁场，现象一样。即在超导状态下，超导体内磁感应强度在超导状态下，超导体内磁感应强度B0，也就是所谓的，也就是所谓的Meissner 效应。效应。超导态具有两大特性：超导态具有两大特性：零电零电阻现象和阻现象和Meissner 效应。效应。2.超导体的临界参数超导体的临界参数3.超导体的超导机理超导体的超导机理 按照材料成分，按照材料成分，超导体可分为元素超导体、合金超导体、超导体可分为元素超导体、合金超导体、化合物超导体。化合物超导体。 按照按照Meissner 效应分为第一类超导体和第二类超导体。效应分为第一类超导体和第二类超导体。4.超导体的种类超导体的种类5.超导体材料的性能超导体材料的性能6.超导体材料的应用超导体材料的应用热电材料热电材料压电材料压电材料7.3功能转换材料功能转换材料光电转换材料光电转换材料磁光材料磁光材料声光材料声光材料
