2016年材料物理-lecture 4 (Chapter 6-电性能-4-磁性能-1).pdf

2016/12/29 1 2016 Materials Physics (材料物理 ) Physical Properties and Functional Materials （ 材料物理性能和功能材料 ） Zhongwu Liu （刘仲武） Email: zwliu@ Tel: 22236906； ： 963510550 Lecture-04 5. 热释电性（ Pyroelectricity） • Pyroelectricity (热释电效应 ) is the ability of certain materials to generate a temporary electrical potential when they are heated or cooled一些晶体受热时两端会产生数量相等极性相反的电荷，这种由热变化产生的电极化现象称为热释电效应具有该效应的晶体称为 热释电体 • 温度作用而使其 电极化强度 变化 • 能产生热释电效应的晶体称为 热释电体 ，又称为热电元件热电元件常用的材料有单晶 (LiTaO3等 )、压电陶瓷 (PZT等 )及高分子薄膜 (PVF2等 )。

• 如果在 热电元件两端并联上电阻 ，当元件受热时，则电阻上就有电流流过，在电阻两端也能得到 电压信号 2 热释电效应 • The change in temperature slightly modifies the positions of the atoms within the crystal structure, such that the polarization of the material changes. This polarization change gives rise to a temporary electric potential, although this disappears after the dielectric relaxation time. • 通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能显示出来当温度变化时，晶体结构中正、负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值发生变化 ，在晶体表面就会产生电荷耗尽 • Pyroelectricity （热释电） should not be confused with thermoelectricity（热点） , where a fixed, non-uniform temperature profile gives rise to a permanent electrical potential difference. 5. 热释电性（ Pyroelectricity） 3 热释电效应产生的条件 • 具有热释电效应的晶体一定具有 自发极化 ，在结构上应具有极性轴（极轴）。

• 极轴 ：晶体唯一的轴，该轴两端具有不同的性质，且采用对称操作不能与其他晶向重合的方向 • 具有对称中心的晶体不可能有热释电性 32个晶体点群中有 20种为非中心对称，它们都是压电晶体其中有 10种晶类具有 热释电效应 ，这类晶体存在着固有的 自发电极化 和 唯一的极轴 • 压电晶体不一定有热释电性 ：温度导致同样的正负电荷重心位移，温度不会导致正负电荷重心改变 压电：机械力 不均匀位移  电偶极矩 热释电：温度变化  均匀膨胀 • 电极性晶体中才会出现热释电性： BaTiO3, Li2TaO3 4 热释电效应表征 • 如果整个晶体的温度变化是均匀的（晶体内部不存在温度梯度），那么单位温度变化引起的自发极化强度的变化量称为热释电系数 p: p=dPs/dT （ Ps为自发极化强度， T为温度） • 连接负载 Rs， 热释电电位差 ： V=ARsp·dT/dt 产生的 热释电电流 : I= V/Rs=Ap (dT/dt) 式中 A为晶体的垂直于极化轴的电极面积， dT/dt为晶体的温度随时间的变比率 • 当电极与外电路连接后即可检测到 热释电电流 。

5 Pyroelectricity： Applications • 热释电材料对温度非常敏感，可用来测量 10-5~10-6 C这样微小的温度变化 • 热释电红外探测器 ： 非接触式温度测量、红外光谱测量、红外摄像、空间技术 • 热释电摄像管 ： 安全防护与监视、医学热成像、监视热污染、 SARS • 热释电材料 : TGS及其衍生物、氧化物单晶、高分子压电材料 • 我国利用 ATGSAS晶体制成的 红外摄像管 温度响应率达到 4～ 5μA/℃，温度分辨率小于 0.2℃，信号灵敏度高，图像清晰度和抗强光干扰能力强，滞后较小 • 由于 生物体中 也存在热释电现象，故可预期热释电效应将在生物，乃至生命过程中有重要的应用 6 2016/12/29 2 介电性 -压电性 -热释电性 -铁电性 一般电介质 压电体 热释电体 铁电体 电场极化 电场极化 电场极化 电场极化 无对称中心 无对称中心 无对称中心 自发极化 自发极化 极轴 极轴 电滞回线 • 各种介电体之间的相互关系 铁电体 热释电体 一般电介质体 压电体 7 • Thermoelectric effect 电流和热流都与电子运动有关，电位差、温度差、电流、热流之间存在交叉联系。

6. 热电性（ Thermoelectric） 1. Seebeck effect（赛贝克效应） 1823, T. Seebeck, Germany 不同导体（半导体）连接，两端温度不同 电流和电动势（ 热电势 ） EAB=SABT SAB：相对 Seebeck系数（相对热电势系数） , V/K SAB=SA-SB SA、 SB：绝对 Seebeck系数 8 Thermoelectric effect • Origin of Seebeck effect 界面接触电势 (两种金属电子浓度 N1、 N2与电子逸出电位 V1、 V2不同，再分配 ) 211212 ln)( NNekTVVV 2121212122111221211212ln)(ln)(ln)()()(NNekTTNNekTVVNNekTVVTVTV一种金属中温度梯度也会导致自由电子流动，低温端富集电子，高温端缺少电子，形成温差电场，建立稳定的温差电位差 V1(T1,T2) ),(),()()( 21121221211212 TTVTTVTVTV 热电性 （ Thermoelectric） 9 2. Peltier effect （帕尔贴效应） 1834, J.C.A. Peltier, France 不同导体，加电流 一接头放热，一接头吸热 QP=ABIt AB: Peltier系数 , V; I: 电流 ; t: 时间 AB=A-B 帕尔贴效应是赛贝克效应的逆过程 解释：接头存在接触 电位差 ，流动的电子被接触电势 减速或加速 ，与金属原子碰撞， 吸收或传递 能量 ，导致金属 A、 B端温度 降低或升高 。

Thermoelectric effect 10 3. Thomoson effect（汤姆逊效应） 1851, W.Thomoson, England 具有温度梯度的均匀导体通以电流时，会产生吸热或放热现象 QT=ItT T：两端温差； : 汤姆逊系数 电流与热流方向一致 放热 ； 电流与热流方向相反 吸热 ； 原因： 高温端电子运动速度大于低温端，电子由高温向低温端运动更快，出现正负静电荷，建立温差电场 ；电子被温差电场 加速或减速 ，能量传递给晶格或从原子获得能量 • 三种热效应系数之间的关系： Thermoelectric effect TdTdSTSBAABABAB  11 11 • 温差热电势： • 绝对热电势系数 (绝对赛贝克系数 ) 表示材料形成温差热电势的能力 • Figure of merit（热电优值） ：电导率； ： 热导率 • Z值越大热电性能越好， 热电材料越灵敏！ 热电性能的表征 dTdVSFEEEEeTkS  )]([ln322  22 SSZ )()(6202222过渡族金属或（贵金属）FFEEe TkSeETkS12 2016/12/29 3 Applications for thermoelectric effect • Thermoelectric materials (热电材料 ) Bi2Te3, PbTe, SiGe • Temp. Measurements (温度测量 )： 热电势与温度有关 热电偶 (Thermo-couple): =T+T2+T3 高温： PtRh-Pt (1700C) 高灵敏度： NiCr-NiSi 低温 (15 K-RT)： Cu-CuNi 超低温 (82），轨道和自旋相互作用强。

单个电子轨道磁矩和电子自旋磁矩耦合成电子总磁矩后，再由各个电子的总磁矩耦合成原子总磁矩； 2） LS耦合： 原子序数小（ <32），轨道和自旋相互作用弱各个电子轨道磁矩先耦合成轨道磁矩，各个电子自旋磁矩耦合成自旋磁矩后，再由两者耦合成原子总磁矩； 3） JJ+LS耦合： 原子序数中间，两者耦合存在 • 3d过渡族金属和 4f稀土金属及合金中主要是 LS耦合 Origin of Magnetism 29 • LS耦合：原子磁矩 =电子轨道磁矩 +自旋磁矩 • 对于 3d过渡族和 4f稀土金属及合金，原子磁矩： 式中 : 称为 郎德因子 ; J： 原子总角量子数 ； L：原子总轨道角量子数； S：原子总自旋量子数 原子的磁矩（ atomic magnetic moment） BJJ JJg  )1( )1(2 )1()1()1(1   JJ LLSSJJg JslJ  2121 c o s)1(2c o s)1( c o sc o s  BBSLJ SSLL  Origin of Magnetism 30 L S J 2016/12/29 6 • 原子磁矩： L=0， J=S， gJ=2, 自旋贡献 ; S=0， J=L， gJ=1， 轨道贡献 • 量子力学证明，原子磁矩在外磁场方向的投影也是量子化的 J,H=gJmJB mJ: 原子角动量方向量子数或 原子磁量子数 =0,1, 2,… J • 当 mJ取最大值 J时，得到原子磁矩在磁场方向的最大分量： (J,H)max=gJJB • 它和物质的磁性密切相关。

例如 ,在单位体积中有 n个磁性原子的体系，它在 0K时自发磁化强度 MS(0K)= ngJJB • If J, L and S are known, J and J,H can be calculated. 原子的磁矩（ atomic magnetic moment） BJJ JJg  )1(  )1(2 )1()1()1(1   JJ LLSSJJgJOrigin of Magnetism 31 洪德法则（ Hund规则） 1、未满壳层的电子自旋 si排列：电子由于库仑排斥而倾向于取不同轨道，而原子内的自旋 -自旋间的相互作用使自旋平行排列，从而 总自旋 S取最大值 (泡利不相容原理 ) 2、每个电子的轨道矢量 li的排列：电子倾向于同样的方向绕核旋转 ,以避免靠近而增加库仑排斥能，使 总的轨道角动量 L取最大值 . 3、由于 L和 S。