物理學前沿講座

【專家解說】：　　一、曲秀榮 　　1、材料分類：（1）結構材料：力學性能、熱學性能。（2）功能材料：熱電、壓電、鐵電、發(fā)光 　　2、微觀組成:狀塊材料、納米材料 　　3、納米特點：比面積大①高的活性 ②韌性 ③磁學性能 ④量子隧道效應 　　20世紀的兩大話題能源環(huán)境 LETTERS 　　4、熱電材料的優(yōu)點：是綠色能源①體積小（例如：熱電發(fā)電、熱電制冷、發(fā)電系統(tǒng)） ②重量輕 ③結構簡單 ④堅固耐用 ⑤無需運動部件 ⑥無磨損 ⑦無噪音 ⑧無污染 ⑨無需監(jiān)控操作 　　5、熱電材料的應用：（1）溫差電池（熱電芯片、手機用的電池）（2）小汽車的發(fā)電系統(tǒng)（3）空間站的熱電能轉換裝置，深海作業(yè)的熱電能轉換裝置 　　6、熱電制冷的應用：①變協(xié)式冰箱 ②空調 ③手術刀 　　7、熱電材料及熱點效應的基礎知識 　　①什么事熱電材料？（熱電材料發(fā)電效率低） 　　定義：一種利用固體內部載流子運動，實現(xiàn)熱能的電能直接相互轉換的功能材料 　　8、新材料的探索：（有哪些材料） 　　答： Bi Te / Sb Te 體系 PbTe體系 SiGe體系 CoSb 為代表的方鈷 型熱電材料 Zn Sb 金屬硅化物（如 —FeSi 、MnSi 、CrSi 等） NaCo O 為代表氧化物 　　9、什么是熱電材料？ 　　答：熱電材料也是溫差材料，是一種利用固體內部載流子運動，實現(xiàn)熱能和電能相互轉化的功能材料 　　10、什么是熱電效應？（簡） 　　答：熱電效應是電流引起的可逆熱效應和溫差引起的電效應的總稱。 　　包括Seebeck效應 Peltier效應 和 Thomson效應 　　賽貝克 帕爾貼 湯姆遜 　　11、賽貝克效應：當兩種不同導體構成閉合電路時，如果兩個接點的溫度不同，則兩接點間有電動勢產生，且在回路中有電流通過，即溫差電現(xiàn)象或Seebeck效應（可能為簡、填、選） 　　論+應 主要應用：①用采熱電發(fā)電 例如：利用放射性同位素做熱源給航天器空間站發(fā)電②還可利用海洋溫差、太陽能等發(fā)電 ③汽車尾氣等廢熱發(fā)電 ④可以用于偏遠山村供電以及深海作業(yè)供電(論=概+應） 　　12、Peltier效應：當電流通過兩個不同導體形成的接點時，接點處會發(fā)生放熱或吸熱現(xiàn)象，稱為Peltier效應 當半導體通以電流時，兩端會有溫差現(xiàn)象出現(xiàn)，此現(xiàn)象為帕爾貼效應（應用：熱電效應 用于冰箱、空調、計算機系統(tǒng)、手術刀等） 　　13、熱電材料用于發(fā)電和這冷目前存在的問題是什么？解決辦法有哪些？答：與常規(guī)能源相比熱電轉換效率低 解決辦法：提高材料的熱電性能①探索新材料 ②將材料低維化 　　14、帕Peltier的特點：體積小、重量輕、結構簡單、堅固耐用、無需運動部件、無磨損、無噪音、無污染 　　15、熱電轉換裝置，熱電材料用于發(fā)電和制冷，存在的問題是什么及解決辦法？答：熱電轉換效率低 　　一維ZnO納米材料簡介（高紅） 　　1、半導體簡介 2研究一維ZnO納米材料的意義 3、一維ZnO納米結構的生長 　　1、半導體 　　什么是半導體？在絕緣體和導體之間，沒有明顯界限 　　半導體的特征？對外界條件（力、熱、光、電、磁、雜質等）變化非常敏感 　　半導體的應用：計算機芯片、發(fā)光材料、傳感器 　　常見半導體：Si（硅）Ge（鍺）ZnO（氧化鋅） 　　2、研究一維ZnO納米材料的意義 　　2.1納米材料的定義 　　納米材料：是指由納米顆粒構成的固體材料，其中納米顆粒的尺寸1—100納米。包括納米顆粒、納米線、納米超薄膜、夾層結構、多層膜和超晶格等材料 　　2.2納米材料的效應：小尺寸效應、量子效應、表面效應 　　小尺寸效應：由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應 　　量子效應：一是納米粒子尺寸小到某一值時，在費米能級附近的電子能級是由準連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象 二是納米半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能級間隔變寬，出現(xiàn)藍移的現(xiàn)象 　　表面效應：粒子的大小與表面原子數(shù)的關系 　　直徑/nm 1 5 10 100 　　原子總數(shù)/N 30 4000 3000 300000 　　表面原子百分比/表面積 100 40 20 2 　　納米材料的表面積大大增加，表面結構也發(fā)生很大的變化。因此，與表面狀態(tài)有關的吸附、催化以及擴散等物理化學性質。 　　2、ZnO一維納米材料的性質：⑴、直接帶隙寬禁帶半導體（3.4eV）⑵、具有高自由激子束縛能（室溫60meV）⑶、紫外發(fā)光材料⑷、光電、壓電、氣敏、生物安全等特性⑸、一維納米材料的特性 　　3、研究意義 　　3.1制備方法：化學氣相沉積、脈沖激光沉積（經常用） 水熱法 　　一維ZnO納米材料的表征 　　3.1、形貌表征（SEM） 　　3.2、晶體結構表征（XRD） 　　3.3、微觀晶格結構表征（HRTEM） 　　3.4、成分表征（EDX） 　　3.5、光學性質表征（PL，Raman） 　　稀土及其發(fā)光（孟慶裕） 　　一、什么是稀土 　　1.1稀土的定義 　　答：稀土是稀土類元素群的總稱。包含鈧Sc、釔Y及元素周期表的ⅢB族鑭系中的鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu、釓Gd、鋱Gd、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm、鐿Yb、镥Lu共17個元素。稀土元素的單質都屬于有色金屬。 　?、拧鹘y(tǒng)領域：農業(yè)、冶金、石化、玻璃、陶瓷、機械加工、照明光源 　?、啤⒏咝驴萍碱I域：新型照明與顯示技術、儲氫技術、激光材料、光通信、精密陶瓷、高溫超導、精細化學催化劑 　　1.2、稀土的分類：稀土元素分為“輕稀土元素”和“重稀土材料”。“輕稀土材料”指原子序數(shù)較小的鈧Sc、釔Y和鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm 　　2.1、什么是發(fā)光 　　答：發(fā)光石物體內部以某種方式吸收能量后轉化為光輻射的過程（概括的說，發(fā)光就是物質在熱輻射之外以光的形式發(fā)射出多余的能量，而這種多余能量的發(fā)射過程具有一定的持續(xù)時間） 　　發(fā)光是熱輻射之外的一種輻射，這種輻射的持續(xù)時間超過光的振動周期。（廣播的振動周期的量級在10 秒以下，而發(fā)光的輻射期間在10 秒以上。因此，用輻射期間作為判據(jù)，很容易把發(fā)光與反射、散射這類輻射區(qū)分開來。 　　2.2、稀土元素的價態(tài) 　　答：稀土離子在固中一般呈現(xiàn)三價，鑭系元素中的某些元素還有二價和四價 　　2.3、什么樣離子容易變成+2價或+3價，為什么？ 　　答：4f電子軌道全空、半充滿和全充滿電子的稀土離子為穩(wěn)定態(tài)，如La 、Gd 、Lu 和Y ，它們結構穩(wěn)定，具有光學惰性，很適合作為發(fā)光的材料的基質。而一些三價稀土離子的4f軌道中比穩(wěn)定態(tài)一或二個電子為趨于穩(wěn)定態(tài)，它們易失去一個電子而被氧化為+4價，而另一些三價稀土離子比穩(wěn)定態(tài)少一或兩個電子為趨于穩(wěn)定態(tài)，它們易被還原為+2價 　　2.4、稀土離子發(fā)光的特點 　　答：對于三價稀土離子，由于4f 電子在空間上受到5s 5p 電子的屏蔽，因此，幾乎不受配體的影響，故4f—4f躍遷的光譜有如下特點①光譜呈狹窄線狀 ②譜線強度較低 ③躍遷概率很小，激發(fā)態(tài)壽命較長 　　2.5、5d到4f躍遷的特點？ 　　答：5d—4f躍遷 =1，根據(jù)選擇定則，這種躍遷是允許的，并且5d處于外層，5d—4f躍遷受晶體場影響較大，所以5d—4f躍遷發(fā)光的特點與4f—4f躍遷幾乎完全相反，其光譜呈現(xiàn)帶寬，強度較高，熒光壽命的特點 　　光的強度隨波長的變化就叫光譜 　　2.6常見的稀土發(fā)光材料？ 　　光源：日光燈 BaMg Al O Eu 　　Mg Al O Ce Te 特 　　Y O Eu 有 　　高壓汞燈 Y（Pv）O Eu YUO En Tb 　　黑光燈 YPO Ce Tb MgSrBF Eu 　　固體光源 YAG Ge 　　一、納米技術 　　納米是一個尺度的量度1nm=10 m 　　納米科技是和研究由尺寸在1點10 nm之間的物質組成體系的運動規(guī)律和相互作用以及可能的實際應用中的技術問題的科學技術 　　二、納米材料具有的基本特性 　　⑴、表面效應 　　納米材料的表面效應是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)的比值隨粒徑的變小而急劇增大，引起的性質上的變化，由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結合而穩(wěn)定下來。所以納米材料具有很高的化學活性。 　　⑵、小尺寸效應 　　當納米微粒尺寸與光波的波長，傳導電子的德布羅意波以及超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征，尺寸相當時，晶體周期性的邊界條件將被破壞，聲、光、電、磁、熱、力學等特征是新的物理性質的變化稱為小尺寸效應。 　?、?、量子尺寸效應 　　當粒子尺寸下降到一定值時，金屬費米能級附近的電子能級會由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能級變寬現(xiàn)象，這稱為量子尺寸效應。 　?、?、宏觀量子隧道效應 　　隧道效應是指微觀粒子具有貫穿勢壘的能力，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，如磁化強度，量子相于器中的隧道通量等具有隧道效應，稱之為宏觀量子軌道效應 　?、?、尺寸限制效應（體積效應） 　　當物體體積減小時與體積密切相關的性質將發(fā)生變化，如半導體電子自由程變小，磁體的磁區(qū)變小，能量傳輸?shù)姆秶冃〉?，這就是體積效應 　　三、由于以上幾種效應存在，納米材料呈現(xiàn)如下巨大應用潛力的宏觀物理和化學性能：⑴、高強度的高韌性⑵、高熱膨脹系數(shù)、高比熱容和低熔點⑶、特殊的電磁學性質⑷、較高的化學活性⑸、極強的吸波性 　　投影顯示技術（孫文軍） 　　1、分類 　　2、結構 高度 投影機 電壓值 芯片 光 光學 屏幕 　　3、評價體系 　　4、投影顯示種類 　?、拧RT ⑵、LCD ⑶、DLP ⑷、LCOS 　　5、投影顯示的光源 　?、拧Ⅺu素燈 ⑵UHP ⑶LED 　　6、光學調制（空間調制器） 　　LCD（透射) PDP LCOS（透射式） DLP 　　加電壓與輸出亮度為線性 　　被動發(fā)光：（1）照明光均勻性（2）輸出截面與芯片相匹配（3）亮度 　　顏色的合成 　　1、空間合成 R+G+B=W 　　2、時間合成 C+M+Y=B 　　芯片DL中：（1）不需偏振（2）矩形（3）均勻化（4）結構簡單化（5）能量利用率高 　　半導體量子級聯(lián)激光器 ①波導層 ①工作物質 　　一、結構 ②作電極 ②激勵條件 　　二、粒子數(shù)反轉 ③粒子數(shù)反轉 　　三、半導體中電子能級結構 ④諧振腔 　　四、如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉 激勵條件：外加電場Fo、內部極化場Fp 　　胡建民 　　地球輻射帶 　　電子0~7MeV 　　航天器常見軌道的環(huán)境特點 　　低地球軌道：200—1000km 微流星和空間碎片 　　中地球軌道：約2000km 高能粒子 　　空間環(huán)境模擬器 　　熱真空環(huán)境模擬器 　　空間動力學模擬器 　　空間組合環(huán)境模擬器 　　如何實現(xiàn)等效？ 　　空間環(huán)境粒子 地面實驗粒子 　　通量連續(xù) 通量單一 　　能譜連續(xù) 單能粒子 　　多種粒子 一種粒子 　　太陽能電池 　　1、JPL等效注量法 　　優(yōu)點：傳統(tǒng)：1980年提出 1982Si 1996GaAs 　　應用廣泛，形成成熟的評價系統(tǒng) 　　考慮了低能粒子的損傷效應 　　缺點：過程繁瑣，實驗數(shù)據(jù)過多（4e+8P） 　　與電池設計參數(shù)關系密切 　　2、位移損傷劑量法 　　優(yōu)點：所需的地面實驗數(shù)據(jù)較少，地面粒子的能量選取方便 　　評價方法簡單易行 　　缺點：1995年提出，方法較新，缺少前期研究基礎 　　更適用于厚度較薄的電池（幾個 m) 　　沒有考慮低能粒子的輻照損傷效應 　　3、目前空間電池的分類與應用 　?、?、單晶硅太陽電池 　　①1958年3月，美國先鋒號首次用太陽電池板供電 　?、趦r格低廉，工藝簡單 　?、?、GaAs/Ge單結太陽電池 　　①1983年，美國首次在LIPS衛(wèi)星使用，共計1800片 　?、?986年，前蘇聯(lián)和平號空間站全部使用 　?、?002年3月25日，神舟3號進行搭載試驗 　?、恰aInP/GaAs/Ge三結太陽電池 　?、?997年，美國HP系列衛(wèi)星開始使用雙結電池 　?、?002年，美GaLaxy衛(wèi)星首次使用三結電池 　　4、……關鍵： 　　⑴、確定輻照缺陷的類型濃度等參數(shù) 　?、啤⒔⑻栯姵氐妮椪論p傷模型 　　5、揭示損傷機理的關鍵 　　⑴、探測輻照損傷缺陷的類型濃度分布 　　針對缺陷類型提高電池材料的抗輻射能力 　　根據(jù)缺陷濃度和粒子能量提高防護方法 　　⑵、建立輻射損傷的物理模型 　　為了提高電池的抗輻射能力提供理論依據(jù) 　　可以科學評價電池在軌行為，對于提高航天器在軌運行的穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義 　　燃料電池（李仲秋） 　　一、概述 　　工作原理：從正極處的氫氣中抽取電子。（氫氣被電化學氧化掉或稱燃燒掉了）這些負電子流到導電的正極，同時，余下的正原子通過電解液被送到負極，在負極，離子與氧氣發(fā)生反應并從負極吸收電子。這一反應的產品是電流、熱量和水 　　二、燃料電池技術分類 　　燃料電池的種類按不同的方法可大致分類如下： 　　1、按燃料電池的運行機理分 分為酸性燃料電池和堿性燃料電池 　　2、按電解質的種類不同 有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質 堿性燃料電池，磷酸燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池，固體氧化物燃料電池，質子交換膜燃料電池 　　3、按燃料類型分 有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有機燃料，汽油、柴油和天然氣等氣體燃料 　　4、按燃料電池工作溫度分 有低溫型，溫度低于200℃，中溫型溫度為200~750℃，高溫型，溫度高于750℃