《电磁功能玻璃》ppt课件

1、1电磁功能玻璃1 导电玻璃2 电磁屏蔽用玻璃3 基板玻璃4 磁性玻璃2电磁功能玻璃在高技术领域中占有重要的位置，是通讯、能源以及生命科电磁功能玻璃在高技术领域中占有重要的位置，是通讯、能源以及生命科学领域中不可短少的电子资料和光电子资料下表。学领域中不可短少的电子资料和光电子资料下表。3导电玻璃导电玻璃导电玻璃开展简史导电玻璃开展简史n 1884年瓦布尔格年瓦布尔格Warburg用实验证明了玻璃的离子导电性，用实验证明了玻璃的离子导电性，于是人们以为一切玻璃都是离子导电的。于是人们以为一切玻璃都是离子导电的。n 1950年年Kolomiets发现硫属化物玻璃具有半导电性质，人们认识到发现硫属化

2、物玻璃具有半导电性质，人们认识到有些玻璃是电子导电的。有些玻璃是电子导电的。n 1966年年Namikawa和和Assara提出无碱提出无碱BaOP2O5玻璃是质子导电的玻璃是质子导电的导电玻璃分类导电玻璃分类 根据导电的机理不同，导电玻璃可分为：离子导电玻璃、质子导电玻根据导电的机理不同，导电玻璃可分为：离子导电玻璃、质子导电玻璃和电子导电玻璃。璃和电子导电玻璃。41.离子导电玻璃离子导电玻璃导电机理导电机理离子导电是以离子为载流子，在外加电场的驱动下，载流子离子离子导电是以离子为载流子，在外加电场的驱动下，载流子离子长程迁移贯穿了玻璃体，因此显示其导电作用。长程迁移贯穿了玻璃体，因此显示其

3、导电作用。载流子离子通常是以玻璃所含能动度最高的阳离子为主载流子离子通常是以玻璃所含能动度最高的阳离子为主Na+、K+等，在能动度相差很大的情况下，全部电流几乎由一种阳等，在能动度相差很大的情况下，全部电流几乎由一种阳离子负载。离子负载。外加电场对载流子离子施加作用，使原先无定向的离子热运动纳外加电场对载流子离子施加作用，使原先无定向的离子热运动纳向电场方向的概率添加。向电场方向的概率添加。5电导率与温度的关系电导率与温度的关系电导率：电导率是表示固体资料经过电流的才干，电导率与资料的截电导率：电导率是表示固体资料经过电流的才干，电导率与资料的截面积成正比，与其长度成反比。面积成正比，与其长度

4、成反比。 K为电导率；为电导率；为比电导率为比电导率-1m-1，L为资料长度；为资料长度；S为资料截为资料截面积。面积。电导率电导率K K为电阻率为电阻率R R的倒数，比电导率的倒数，比电导率是比电阻率是比电阻率的倒数。的倒数。6电导率与温度的关系电导率与温度的关系在玻璃转变温度以下，体积电阻率的对数与绝对温度的倒数成正比。在玻璃转变温度以下，体积电阻率的对数与绝对温度的倒数成正比。 为电导率，为电导率， 为每种玻璃的固有常数，为每种玻璃的固有常数， 0 约为约为10100-1m-1； 为为电导激活能，玻璃类型不同，值不同，对于离子电导而言，大致为电导激活能，玻璃类型不同，值不同，对于离子电导

5、而言，大致为62.76125.52KJ/mol；R 为气体常数。为气体常数。7影响离子电导的要素影响离子电导的要素l组成的影响组成的影响碱离子含量对电导率影响显著随碱含量的添加，Hdc 不断下降，缘由是随着碱离子的引入，引起非桥氧添加，玻璃构造松弛，碱离子挪动所需抑制妨碍减小；随碱离子半径增大，Hdc增大，由于随着Li到Cs，半径增大，挪动所需抑制的妨碍增大，激活能添加。8影响离子电导的要素影响离子电导的要素l第三组分的影响第三组分的影响引入离子半径较大的二价离子引入离子半径较大的二价离子Ba、Pb、Sr、Ca等增大体积等增大体积电阻率，由于二价离子的电荷较大，与构造结合强，且占据网络电阻率，

6、由于二价离子的电荷较大，与构造结合强，且占据网络构造空隙，起到妨碍碱离子迁移的作用，从而电导率变小。构造空隙，起到妨碍碱离子迁移的作用，从而电导率变小。引入半径较小的二价离子引入半径较小的二价离子Be、Mg、Zn等，不影响电导率等，不影响电导率 。引入三价离子引入三价离子Al、B等，起到增大电导率的作用。等，起到增大电导率的作用。混合碱效应，当玻璃中一部分碱被其他碱所替代时，即使坚持碱混合碱效应，当玻璃中一部分碱被其他碱所替代时，即使坚持碱浓度不变，体积电阻也增大浓度不变，体积电阻也增大36个数量级，并在置换分数为个数量级，并在置换分数为0.5时出现极大值。时出现极大值。混合碱效应12影响离子

7、电导的要素影响离子电导的要素l热历史的影响热历史的影响普通情况下，淬火玻璃的电导率比退火玻璃大普通情况下，淬火玻璃的电导率比退火玻璃大37倍。倍。l分相的影响分相的影响 因极冷而抑制分相的玻璃，其电导率比分相玻璃大因极冷而抑制分相的玻璃，其电导率比分相玻璃大2个数量级，个数量级，是由于极冷玻璃为延续相，而分相玻璃中会出现碱离子的富集，因此是由于极冷玻璃为延续相，而分相玻璃中会出现碱离子的富集，因此延续相中碱离子的浓度降低，呵斥整体玻璃电导率的下降。延续相中碱离子的浓度降低，呵斥整体玻璃电导率的下降。132. 质子导电玻璃质子导电玻璃80年代年代 Y.Abe开场研讨开场研讨MOP2O5质质子子电

8、荷载体电荷载体质子易于挪动质子易于挪动OH基基团团氢键键强氢键键强质子浓度质子浓度为硅酸盐玻璃为硅酸盐玻璃10814导电机理导电机理网网络络形形成成体体相连相连OHOH基基团团角角氧氧氢键氢键X-O-HO-XX-O-HO-X是桥氧，那么氢键弱是桥氧，那么氢键弱X-O-X X-O-X 是非桥氧，那么氢键强是非桥氧，那么氢键强X-O- X-O- 质子挪动、质子挪动、O-HO-H键的形状和导电激活能的关系键的形状和导电激活能的关系15快质子导电玻璃的制备快质子导电玻璃的制备l制备应满足的条件制备应满足的条件a. 质子的挪动速度尽能够提高。质子的挪动速度尽能够提高。b. 质子的浓度尽能够高。质子的浓度

9、尽能够高。c. 玻璃的化学稳定性尽能够高。玻璃的化学稳定性尽能够高。l提高玻璃中质子导电的方法提高玻璃中质子导电的方法a. 溶胶凝胶技术溶胶凝胶技术 是制备资料的低温化学合成法。是制备资料的低温化学合成法。b. 复合法强化质子导电复合法强化质子导电 采用在基体中参与分散剂的方法来强采用在基体中参与分散剂的方法来强化固体的质子电导率。化固体的质子电导率。c. H+注入技术强化质子导电注入技术强化质子导电 采用在玻璃中注入采用在玻璃中注入H+，经过改，经过改动基体中质子的浓度或相关的构造从而实现快质子导电。动基体中质子的浓度或相关的构造从而实现快质子导电。具有制品纯度高、均匀度具有制品纯度高、均匀

10、度高、烧成温度低、反响易高、烧成温度低、反响易于控制、资料成分可恣意于控制、资料成分可恣意调整、成型性好等优点。调整、成型性好等优点。在硅磷酸盐玻璃的质子传导体在硅磷酸盐玻璃的质子传导体中添加中添加PWA钨磷酸或钨磷酸或PMA钼磷酸来提高质子导电率，钼磷酸来提高质子导电率，目前的研讨还较少。目前的研讨还较少。163. 电子导电玻璃电子导电玻璃按照导电机理不同，主要包括硫属化物玻璃和含过渡元素按照导电机理不同，主要包括硫属化物玻璃和含过渡元素氧化物玻璃，他们是由电子或空穴为载流子的电子导电玻氧化物玻璃，他们是由电子或空穴为载流子的电子导电玻璃。其电导率的温度系数与晶体半导体一致均为正值，因璃。其

11、电导率的温度系数与晶体半导体一致均为正值，因此也称玻璃半导体。此也称玻璃半导体。 电子导电玻璃分类电子导电玻璃分类17硫属化物玻璃的导电机理硫属化物玻璃的导电机理硫属化物玻璃本质上为能带型电子电导，这种玻璃半导体构造硫属化物玻璃本质上为能带型电子电导，这种玻璃半导体构造上长程无序，在导带和价带的能带边缘产生能带间隙。上长程无序，在导带和价带的能带边缘产生能带间隙。从从EA到到EB出现裙摆，这里构成了出现裙摆，这里构成了部分能级；部分能级；载流子的迁移率在载流子的迁移率在EC以上及以上及EV以以下能级中具有最大值，在下能级中具有最大值，在EC及及EV之间却很小之间却很小能级之差能级之差EC-EV

12、E称为迁移称为迁移率隙。率隙。18硫属化物玻璃电导率硫属化物玻璃电导率l电导率与杂质关系电导率与杂质关系硫属化物玻璃半导体大部分为硫属化物玻璃半导体大部分为P P型，由于其自在度较高，容型，由于其自在度较高，容易满足原子价的配置，构成活性中心较难，因此，即使添易满足原子价的配置，构成活性中心较难，因此，即使添加不纯原子，玻璃的电导性质几乎不会遭到大的影响。加不纯原子，玻璃的电导性质几乎不会遭到大的影响。l电导率与温度关系电导率与温度关系在玻璃转变温度以下时，在玻璃转变温度以下时，lglg1/T1/T根本上呈现直线关系，根本上呈现直线关系，即：即：电导率；电导率；C，R常数；常数；E激活能；激活

13、能；T温度温度19过渡元素氧化物玻璃的导电性过渡元素氧化物玻璃的导电性过渡金属元素：过渡金属元素：V2O5V2O5、MOO3MOO3、WO3 WO3 等。等。氧化物玻璃具有半导体性，其导电性与晶体过渡元素氧化氧化物玻璃具有半导体性，其导电性与晶体过渡元素氧化物一样，具有腾跃性构造。物一样，具有腾跃性构造。两种价态，高价态离子对电子起搜集器的作用，俘获电子两种价态，高价态离子对电子起搜集器的作用，俘获电子离子变为低原子价态与周围晶格相互作用产生扭曲。离子变为低原子价态与周围晶格相互作用产生扭曲。一个概念一个概念小极化子：伴随晶格变形的电子形状可看成是一种粒子，小极化子：伴随晶格变形的电子形状可看

14、成是一种粒子，在氧化物玻璃中晶格变形所涉及范围比原子间间隔小，因在氧化物玻璃中晶格变形所涉及范围比原子间间隔小，因此，称为小极化子。此，称为小极化子。20过渡元素氧化物玻璃电导率过渡元素氧化物玻璃电导率极化子挪动的结果是，电子的能量由于晶格振动同邻位高极化子挪动的结果是，电子的能量由于晶格振动同邻位高原子价态离子的能量到达一样程度时，将产生隧道效应；原子价态离子的能量到达一样程度时，将产生隧道效应；电子会迁移至相邻位置，这样迁移所需的活化能电子会迁移至相邻位置，这样迁移所需的活化能W为极化子为极化子结合能结合能WP的的1/2，在玻璃中还要加上由于位置不均匀所产生，在玻璃中还要加上由于位置不均匀

15、所产生的多余能量项的多余能量项WD，这时，这时W1/2WP+WD。那么：。那么：N N为过渡元素离子的浓度；为过渡元素离子的浓度； 为晶格振动的效率；为晶格振动的效率；C C为全部过渡元素离子中低为全部过渡元素离子中低原子价离子的比例；原子价离子的比例；R R为离子间间隔；为离子间间隔； 为波函数衰减的程度。为波函数衰减的程度。22过渡元素氧化物玻璃热历史过渡元素氧化物玻璃热历史过渡元素玻璃半导体与普通玻璃一样，也因退火而稳定，当过渡元素玻璃半导体与普通玻璃一样，也因退火而稳定，当退火使密度改动退火使密度改动1时，玻璃的体积电阻率却无任何变化。时，玻璃的体积电阻率却无任何变化。而对于离子导电玻

16、璃，密度仅改动而对于离子导电玻璃，密度仅改动0.1时就可使体积电阻率时就可使体积电阻率添加添加50。电子导电玻璃运用电子导电玻璃运用可构成电子导电半导体玻璃的有如下类型：可构成电子导电半导体玻璃的有如下类型： 含多价过渡元素的玻璃含多价过渡元素的玻璃 硫属化物玻璃硫属化物玻璃 各种薄膜玻璃。各种薄膜玻璃。玻璃半导体除了运用于开关和记忆效应外，还用于光导、玻璃半导体除了运用于开关和记忆效应外，还用于光导、光敏、热敏、二次电子发射及透红外等性能。光敏、热敏、二次电子发射及透红外等性能。4. 磁性玻璃磁性玻璃1).玻璃的磁性 物质磁化率物质磁化率物质置于磁场中被磁化，表现出一定的磁性。有些物质使原磁

17、场添物质置于磁场中被磁化，表现出一定的磁性。有些物质使原磁场添加，有些使磁场减弱。加，有些使磁场减弱。a.a. 抗磁性物质，使磁场减弱；抗磁性物质，使磁场减弱；b.b. 顺磁性物质，使磁性略有添加；顺磁性物质，使磁性略有添加；c.c. 铁磁性及亚铁磁性物质，使磁场剧烈添加。铁磁性及亚铁磁性物质，使磁场剧烈添加。按照物质对磁场的影响按照物质对磁场的影响几几个个概概念念磁畴：就是物质中所包含的许多自发磁化的小区域。磁畴：就是物质中所包含的许多自发磁化的小区域。磁化强度：将无磁力线走漏的线圈放入真空中测出磁场强度磁化强度：将无磁力线走漏的线圈放入真空中测出磁场强度H0，另在，另在此线圈中插入磁介质测

18、出其磁场此线圈中插入磁介质测出其磁场H，可求出完全由磁介质产生的磁场强，可求出完全由磁介质产生的磁场强度为度为Hm=H-H0，Hm也成为磁化强度。也成为磁化强度。磁化率：磁化率：XmXmHm/H0Hm/H0；磁导率：；磁导率：mm1 1XmXm磁通量密度：设真空中的磁导率为磁通量密度：设真空中的磁导率为00，那么磁通量密度，那么磁通量密度B B00H0H0HmHm 玻璃的抗磁性玻璃的抗磁性a. 仅由不具有不成对电子的离子或原子组成的物质呈现抗磁性。b. 假设玻璃中没有引入含不成对电子的过渡元素离子和稀土离子，玻璃呈现抗磁性，但磁化率的绝对值非常小。c. 抗磁性物质的磁化率与所含离子的或原子的数量成正比，符合加和关系，与温度无关。 玻璃的顺磁性玻璃的顺磁性a. 周期表中稀土离子和过渡元素离子都是顺磁性离子。周期表中稀土离子和过渡元素离子都是顺磁性离子。b. 由于玻璃中基质