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晶體電學性質

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隨著對化合物電學性質研究的不斷深入,發現了許多新現象, 新性質和新材料, 如氧化物高溫超導體,稀土半導體,稀土巨磁阻材料 等。這些都是電子(空穴)導電的實際應用。而由於新能源探索需適應保護環境的需要,傳統的氧離子和 質子導體成了人們的首選研究對象,以開發它們在燃 料電池氧分離膜,催化等方面的實際應用。

1 晶體電學性質 -晶體電學性質

 

2 晶體電學性質 -正文

  晶體介質在外電場作用下所產生的電學物理量(電位移D、極化強度P和電流密度J)隨外電場強度E變化的性質。外電場為直流電場時稱為靜態性質;交流時稱為動態性質。E不太高時,上述參量和E的關係是線性的。因晶體的各向異性,其電學性質須用張量描述,關係式為:DiεijEj,PiXijEj,JiσijEj,EiβijDj,EiρijJj。式中的係數都是對稱二階張量,最多有6個獨立分量。係數εij稱為介電常數,表示晶體的介電性能;Xij稱為介質極化率,表示晶體被外電場極化的能力;σij稱為電導率,表示晶體的導電能力;βij稱為介電不滲透性係數,與εij成倒數關係;ρij稱為電阻率,表示晶體的絕緣能力。這五個係數表徵了晶體的線性電學性質。
  由力學場(應力或應變)和溫度場使晶體介質的電學參量產生變化的現象,也常常歸入晶體的電學性質,主要有壓電性、熱電性和溫差電效應等。
  壓電性  晶體在受到機械力作用時而在某些表面上出現電荷的現象,稱正壓電效應;在外電場的作用下而產生應變的現象,稱反壓電效應。其關係式為PidijkσjksjkdijkEi。 式中 dijk為表徵壓電性的壓電模量;σjk為應力;Sjk為應變。在 32種晶體學點群中只有20種無對稱中心的點群才具有壓電效應,這些晶類稱為壓電晶類。 壓電效應是法國物理學家P.居里和P.-J居里在1880年首先發現的。目前發現有壓電效應的晶體已達上千種,其中石英晶體研究得最透徹,應用也最廣泛。其他重要的壓電晶體還有鈮酸鋰、鉭酸鋰、硫酸鋰、磷酸鋁、磷酸二氫銨等。除單晶外,某些經過極化處理的多晶(稱為壓電陶瓷),如鈦鋯酸鋁也具有良好的壓電效應。壓電陶瓷由於製造工藝簡單、成本低廉,成為目前應用十分廣泛的壓電材料。
  熱電性  即熱釋電,指某些極性晶類的晶體由於溫度的變化而在晶體表面上出現電荷的現象。這一現象的本質在於晶體內存在自發極化Ps。當溫度不變時,來自外部空間和晶體內部的自由電荷補償掉由Ps所形成的極性,晶體表面不呈現電性;當溫度變化時,外部電荷來不及補償而在晶體表面出現電荷積累 (ΔPi)。熱釋電效應的關係式為 ΔPipiΔT,式中pi為熱釋電係數, 或用dPi/dT來表示。由於溫度是標量,所以晶體中的熱釋電效應用矢量(一階張量)描述,在20種壓電晶類中只有10種極性晶類可能具有熱釋電效應。利用這一效應已製成紅外探測器和紅外攝像管。常用的熱釋電晶體有硫酸三甘氨酸和鉭酸鋰等。
  溫差電效應  指熱能變電能或電能變熱能的轉換現象。它包括塞貝克效應、珀耳帖效應和湯姆孫效應。
  塞貝克效應指若將兩種不同的金屬或金屬導線連接成封閉迴路,當兩個結點的溫度不同時,該迴路就有電動勢產生的現象。該效應是T.J.塞貝克於1821年發現的。測量溫度用的溫差電偶(熱電偶)和測量熱量用的溫差電堆,就是利用這一效應製成的。
  塞貝克效應的逆效應稱為珀耳帖效應。它是J.C.A.珀耳帖於1834年發現的。該效應指當上述迴路有電流流過時,就有熱量轉移發生,一個結點施放熱量,而另一個結點則吸收熱量的現象。現在已利用這一效應來製造溫差電製冷器。
  湯姆孫效應指當電流通過均勻導體內溫度不同的兩點時,有熱量流入導體或從導體流出的現象。熱流的方向,取決於電流是從較冷端流到較熱端還是相反方向。
  溫差電效應是導熱和導電同時發生並且互相影響的結果。這一性質也需要用張量來描述。

 

3 晶體電學性質 -配圖

 

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