功能材料与器件应用课件

功能材料与器件应用欢迎来到功能材料与器件应用的世界！本课程将带您深入了解各种功能材料的定义、分类及其在现代科技中的重要性从能量转换与储存到信息传感与处理，再到环境与健康，我们将探索功能材料在各个领域的广泛应用准备好开启一段精彩的探索之旅了吗？课程简介功能材料的定义与分类功能材料的定义功能材料的分类功能材料是指那些通过其自身所具有的物理、化学等特性，功能材料可根据其主要功能进行分类，例如半导体材料、磁能够实现特定功能的材料这些功能包括但不限于光、电、性材料、光电材料、压电材料、热电材料、超导材料和介电磁、热等效应材料等功能材料在现代科技中的重要性信息技术能源领域12在信息技术领域，功能材料在能源领域，功能材料被广是构建高性能电子器件、存泛应用于太阳能电池、燃料储设备和传感器件的关键电池和热电器件等，以实现高效的能源转换和储存生物医学3在生物医学领域，功能材料可用于生物传感器、药物输送系统和人工器官等，为疾病诊断和治疗提供新的可能性器件应用概述能量转换与储存太阳能电池利用半导体材料的光伏效应将太阳能转换为电能燃料电池通过电化学反应将燃料的化学能转换为电能储能器件包括电池、超级电容器等，用于储存电能并在需要时释放器件应用概述信息传感与处理传感器存储器利用功能材料对外界物理量利用功能材料的磁性、铁电性（如温度、压力、光照等）的等特性实现信息的存储变化进行感知，并将其转换为电信号处理器利用半导体材料构建晶体管等电子元件，实现信息的处理和计算器件应用概述环境与健康环境监测生物医学生态保护利用功能材料制成的利用功能材料制成的开发新型环保材料，传感器对空气、水等生物传感器、药物输减少对环境的污染环境中的污染物进行送系统等应用于疾病监测诊断和治疗第一章半导体材料与器件半导体材料是现代电子器件的基础本章将介绍半导体材料的能带结构、本征半导体与杂质半导体、结的形成与特性，以及二极管、晶体PN三极管和场效应管的工作原理与应用同时，还将介绍半导体器件的制造工艺半导体材料的能带结构能带理论1固体中的电子只能占据某些特定的能量范围，这些能量范围称为能带能带之间存在能量间隔，称为能隙价带与导带2价带是电子占据的最高能带，导带是电子可以自由移动的能带电子从价带跃迁到导带需要克服能隙半导体的能带结构3半导体的能隙较小，室温下有部分电子可以跃迁到导带，使其具有一定的导电性本征半导体与杂质半导体型半导体N通过掺杂五价元素（如磷）形成的半2导体，其中自由电子是主要的载流本征半导体子1纯净的半导体材料，其导电性主要由热激发产生的电子和空穴决定型半导体P通过掺杂三价元素（如硼）形成的半3导体，其中空穴是主要的载流子结的形成与特性PN耗尽层1结界面处由于载流子扩散而形成的缺少自由载流子的区域PN内建电场2耗尽层中存在的由空间电荷产生的电场单向导电性3结正向偏置时导通，反向偏置时截止PN二极管的工作原理与应用正向偏置1结导通，电流迅速增大PN反向偏置2结截止，只有很小的反向漏电流PN应用3整流、检波、稳压等晶体三极管的工作原理与应用型三极管型三极管应用NPN PNP由两块型半导体和一块型半导体组由两块型半导体和一块型半导体组放大、开关、振荡等N PP N成，具有电流放大作用成，同样具有电流放大作用场效应管的工作原理与应用结型场效应管金属氧化物半导体场效应应用JFET--123管MOSFET利用外加电压对沟道宽度进行控放大、开关、数字电路等制，从而控制漏极电流利用栅极电压控制沟道的导电性，从而控制漏极电流半导体器件的制造工艺硅片制备光刻刻蚀离子注入薄膜沉积金属化封装测试可靠性测试第二章磁性材料与器件磁性材料是具有磁性的材料，广泛应用于磁记录、磁传感器、电机等领域本章将介绍磁性材料的基本概念、软磁材料与硬磁材料、磁记录材料与技术、磁传感器的工作原理与应用，以及磁性存储器的发展和磁性材料在电机中的应用磁性材料的基本概念磁矩磁化强度磁化率描述磁性物质磁性的单位体积内的磁矩之描述材料在外磁场中物理量和被磁化的程度软磁材料与硬磁材料软磁材料硬磁材料易于磁化和退磁，具有高磁导率和低矫顽力，常用于变压器难以磁化和退磁，具有高矫顽力和高剩磁，常用于永磁体、铁芯、磁头等磁记录介质等磁记录材料与技术纵向磁记录垂直磁记录热辅助磁记录磁化方向平行于记录介质表面磁化方向垂直于记录介质表面，具有利用激光加热减小记录介质的矫顽更高的存储密度力，从而实现更高的存储密度磁传感器的工作原理与应用霍尔传感器磁阻传感器利用霍尔效应测量磁场强度，利用磁阻效应测量磁场强度，应用于汽车、工业控制等领具有高灵敏度和高精度，应用域于硬盘驱动器、生物医学等领域磁通门传感器利用磁芯的饱和特性测量弱磁场，应用于地磁测量、航空航天等领域磁性存储器的发展磁带1早期的磁存储介质，容量小，速度慢硬盘驱动器HDD2主流的磁存储介质，容量大，速度较快磁随机存储器MRAM3新型的磁存储器，具有非易失性、高速、低功耗等优点磁性材料在电机中的应用转子铁芯2采用软磁材料，用于感应电磁力定子铁芯1采用软磁材料，用于产生旋转磁场永磁体采用硬磁材料，用于产生恒定磁场3第三章光电材料与器件光电材料是能够实现光与电相互转换的材料，广泛应用于太阳能电池、光电探测器、等领域本章将介绍光电材料的光吸收与发光、光电LED器件的分类与特点，以及太阳能电池、光电探测器、发光二极管和LED激光器的基本原理与应用光电材料的光吸收与发光光吸收1光电材料吸收光子能量，使电子从价带跃迁到导带光激发2激发态电子回到基态，释放能量发光3释放的能量以光子的形式辐射出来，产生发光现象光电器件的分类与特点光发射器件1将电能转换为光能，如、激光器LED光探测器件2将光能转换为电能，如光电二极管、光电三极管光伏器件3将光能直接转换为电能，如太阳能电池太阳能电池的工作原理与应用光伏效应太阳能电池应用光照射在半导体材料上产生电压的现利用光伏效应将太阳能转换为电能的发电、供电、照明等象器件光电探测器的工作原理与应用光电二极管光电三极管12利用光照改变结的反向利用光照改变基极电流，从PN电流而控制集电极电流应用3光通信、光测量、图像传感等发光二极管的工作原理与LED应用电致发光应用LED当电子与空穴复合利用电致发光效应将照明、显示、指示时，释放能量以光的电能转换为光能的器等形式辐射出来件激光器的基本原理与类型受激辐射在外界光子的作用下，激发态原子释放出与入射光子相同的光子激光利用受激辐射产生的高度相干、高方向性的光类型气体激光器、固体激光器、半导体激光器等第四章压电材料与器件压电材料是能够实现机械能与电能相互转换的材料，广泛应用于传感器、驱动器、能量收集等领域本章将介绍压电效应与逆压电效应、压电材料的种类与特性，以及压电传感器、压电驱动器和压电能量收集技术的工作原理与应用，并介绍压电材料在医疗领域的应用压电效应与逆压电效应压电效应当压电材料受到机械应力时，会产生电荷逆压电效应当压电材料受到电场作用时，会产生机械变形压电材料的种类与特性石英1具有稳定的压电性能，常用于精密计时器、滤波器等陶瓷2具有较高的压电系数，常用于传感器、驱动器等聚合物3具有柔性、易加工等优点，常用于可穿戴设备、生物传感器等压电传感器的工作原理与应用加速度传感器测量加速度大小，应用于导航、振动2监测等领域压力传感器1测量压力大小，应用于汽车、医疗器械等领域声波传感器测量声波强度，应用于麦克风、超声3波检测等领域压电驱动器的工作原理与应用微位移平台实现高精度定位，应用于光学仪器、半导体设备等领域1喷墨打印头2控制墨滴喷射，应用于打印机、喷涂设备等领域超声波马达3产生超声波振动，驱动机械运动，应用于医疗器械、精密仪器等领域压电能量收集技术振动能量收集1将环境中的机械振动转换为电能人体运动能量收集2将人体运动产生的机械能转换为电能应用3为可穿戴设备、无线传感器等供电压电材料在医疗领域的应用超声波诊断药物输送手术刀利用超声波在人体组织中的反射和散利用超声波促进药物渗透到病灶部利用超声波振动进行切割和止血射特性进行成像位第五章热电材料与器件热电材料是能够实现热能与电能相互转换的材料，广泛应用于热电发电机和热电制冷器等领域本章将介绍热电效应的基本原理、热电材料的性能评价指标、热电发电机的应用、热电制冷器的应用，以及热电材料的研究进展热电效应的基本原理塞贝克效应珀尔帖效应汤姆逊效应123当两种不同的金属或半导体形成当电流通过两种不同的金属或半当电流通过同一金属或半导体，闭合回路，且两端存在温度差导体的界面时，界面会吸收或释且其内部存在温度梯度时，金属时，回路中会产生电动势放热量或半导体内部会吸收或释放热量热电材料的性能评价指标电导率热导率塞贝克系数描述材料导电能力的描述材料导热能力的描述材料产生热电电物理量物理量动势能力的物理量热电发电机的应用废热回收将工业废热、汽车尾气等转换为电能空间探测器利用放射性同位素产生的热能发电可穿戴设备利用人体体温发电热电制冷器的应用电子器件散热小型冰箱为计算机、等提供用于车载冰箱、便携式冰箱CPU GPU散热等精密仪器控温为激光器、传感器等提供精确的温度控制热电材料的研究进展纳米结构材料1通过引入纳米结构降低热导率，提高热电性能新型化合物2开发具有更高塞贝克系数和电导率的新型化合物有机热电材料3具有柔性、易加工等优点，应用于可穿戴设备第六章超导材料与器件超导材料是在特定温度下电阻为零的材料，具有极高的导电性和磁屏蔽性能，广泛应用于电力、医疗、交通等领域本章将介绍超导现象的基本特征、高温超导材料的发现与研究、超导材料在电力领域的应用、超导量子干涉器件和超导磁体与SQUID核磁共振成像MRI超导现象的基本特征迈斯纳效应2超导体会将磁场完全排出体外零电阻1在超导转变温度以下，电阻突然降为零约瑟夫森效应超导电流可以隧穿通过两个超导体之3间的薄弱连接高温超导材料的发现与研究铜氧化物1以铜氧化物为代表的一类超导材料，具有较高的超导转变温度钡镧铜氧化物2最早发现的高温超导材料之一钇钡铜氧化物3具有更高的超导转变温度，应用前景广阔超导材料在电力领域的应用超导电缆1具有损耗低、容量大等优点，可用于长距离输电超导变压器2具有效率高、体积小等优点，可用于电力系统超导储能3具有响应速度快、效率高等优点，可用于电网调峰超导量子干涉器件SQUID超导环路约瑟夫森结应用由超导材料组成的闭合环路两个超导体之间的薄弱连接用于测量极弱磁场，如脑磁图、心磁图等超导磁体与核磁共振成像MRI超导磁体核磁共振12产生高强度磁场，用于核磁利用原子核的磁共振现象进共振成像行成像MRI3一种非侵入性的医学成像技术，具有高分辨率和高对比度第七章介电材料与器件介电材料是具有极化特性的材料，广泛应用于电容器、绝缘材料等领域本章将介绍介电材料的极化现象、介电常数与损耗、电容器的种类与应用和铁电材料与铁电器件介电材料的极化现象电子极化离子极化偶极极化原子核周围的电子云晶格中的正负离子在具有偶极矩的分子在在外电场作用下发生外电场作用下发生相外电场作用下发生取形变对位移向介电常数与损耗介电常数描述介电材料存储电荷能力的物理量介电损耗描述介电材料在交变电场中能量损耗的物理量电容器的种类与应用陶瓷电容器薄膜电容器具有体积小、容量大等优点，具有损耗低、频率特性好等优应用于各种电子电路点，应用于高频电路电解电容器具有容量大、体积小等优点，应用于电源滤波铁电材料与铁电器件铁电性1材料具有自发极化，且极化方向可以被外电场翻转铁电存储器2利用铁电材料的极化方向存储信息，具有非易失性、高速、低功耗等优点铁电传感器3利用铁电材料的压电效应和热释电效应制作传感器第八章智能材料与器件智能材料是指能够感知外界刺激并作出响应的材料，广泛应用于传感器、驱动器、自适应结构等领域本章将介绍智能材料的定义与分类、形状记忆合金的应用、自修复材料的应用和敏感高分子材料的应用智能材料的定义与分类刺激包括温度、湿度、光照、压力、电2场、磁场等定义1能够感知外界刺激并作出响应的材料分类包括形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料、自修复材料、敏感高分子3材料等形状记忆合金的应用医疗器械1用于血管支架、骨骼固定器等航空航天2用于可变形机翼、自展开天线等建筑工程3用于桥梁加固、减震器等自修复材料的应用涂层1用于汽车、飞机等表面，修复划痕混凝土2用于桥梁、隧道等结构，修复裂缝塑料3用于电子产品、日用品等，延长使用寿命敏感高分子材料的应用传感器药物输送智能服装用于测量温度、湿度、值等用于控制药物释放用于调节温度、湿度等pH第九章功能材料器件的微型化与集成微型化与集成是功能材料器件发展的重要趋势本章将介绍微纳加工技术概述和器件的原理与应用MEMS微纳加工技术概述光刻刻蚀12利用光将掩模上的图形转移利用化学或物理方法去除材到材料表面料表面不需要的部分薄膜沉积3在材料表面沉积一层或多层薄膜器件的原理与应用MEMS加速度计陀螺仪麦克风用于测量加速度，应用于测量角速度，应用于将声音转换为电用于汽车、手机等用于导航、游戏等信号，应用于手机、耳机等。