功能材料-功能玻璃

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硕士研究生课程功能材料吉林大学材料科学与工程学院 功能玻璃讲授：孙彦彬 由于原子能、电子工业、计算机、医疗、激光等近代科学技术的发展及国防工业的需要，玻璃材料和其他无机非金属材料一样，发展非常迅速。在玻璃分类中把许多新型玻璃材料归入特种玻璃。功能玻璃是指与传统玻璃结构不同的、有某一方面独特性能的、有专门用途的、或者制造工艺有明显差别的一些新品种“玻璃”。功能玻璃近年来发展迅速，它除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具有许多独特的性质，如磁光玻璃的磁-光转换功能、声光玻璃的声光特性、导电玻璃的导电性、记忆玻璃的记忆特性等。 新型功能玻璃材料的开发主要依赖于如CVD、PVD、等离子溅射、溶胶-凝胶、材料复合等各种高新技术、新工艺在玻璃制造中的巧妙运用，这些巧妙运用赋予功能玻璃材料许多新的特性，使其塑造成具有各种专用功能的特性材料．从而为现代光量子技术提供了更新的材料和器件。随着材料制备手段的不断提高和发展，新技术、新工艺的出现，玻璃材料的开发日新月异，具有各种探索性能的玻璃不断的涌现出来。 新型功能玻璃就是采用高纯原料、新型技术、新的制备方法或在特殊的条件下形成的具有某种特殊功能的玻璃或无机非晶态材料，它与通常玻璃相比具有许多明显的特征，主要表现在：(1)玻璃化方面，通常玻璃是在大气中进行熔融而制得的，而新型功能玻璃是采用超急冷法、溶胶-凝胶法、PVD法、CVD法以及特种气氛等方法而制得的；(2)成型方面，通常玻璃主要产品是板材、管材、成瓶、成纤等，而新型功能玻璃则是微粉末、薄膜、纤维状等； (3)在加工方面，通常玻璃采用烧制、研磨、急冷强化等方法，而新型功能玻璃则采用结晶化、离子交换法、分子溅射、分相、微细加工技术等；(4)在用途方面，通常玻璃主要用于建筑、容器、光学制品等，而新型功能玻璃主要用于光电子、光信息情报处理、传感显示、精密机械以及生物工程等领域。功能玻璃按照其功能来划分，可分为以下几种。 微晶玻璃光导纤维玻璃激光玻璃光色玻璃半导体玻璃非线性光学玻璃功能玻璃磁功能玻璃生物玻璃机械功能玻璃功能玻璃薄膜 半导体玻璃提到半导体材料人们很自然地就会想起硅和锗单晶体，并且用它制作了一系列电子器件，从最简单的二极管发展到目前的绿豆大小面积的硅片上集成几万乃至几十万个元件的大规模集成电路，这些用单晶半导体材料做成的电子元件已经在各个方面得到了广泛的应用。至于玻璃通常被认为是绝缘体，但是当人们对玻璃材料的性能深入研究以后，也确实发现有些玻璃在一定的条件下并不是真正的“绝缘体，它们是具有一定的导电本领的，其电阻大小介于绝缘体与导电体之间，我们称这种玻璃为半导玻璃或玻璃半导体。 一、半导体玻璃分类玻璃的种类是很多的，五颜六色，其化学成分也是各种各样，其中能形成玻璃半导体的大体上有三类，一类是元素(如硒、硅)半导玻璃，另一类是金属的氮化物、氧化物半导体玻璃，还有一类是硫系(如含硫、砷、碲的化合物)半导体玻璃。一般半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间，在10-6～107Ω·m，并分为本征半导体和杂质半导体两种。杂质半导体包括空穴型(p型)半导体和电子型(n型)半导体，玻璃半导体主要属于杂质半导体类型。 (1)元素半导体玻璃如硒、硅、锗等。(2)氧化物半导体玻璃这类玻璃含有大量钒、铁、钨、钴、镍等过渡元素，研究得较多的是钒磷酸盐玻璃和铜硼酸盐玻璃，如V2O5-P2O5-BaO，CuO-B2O3-CaO及MnO-Al2O3-SiO2等系统。其导电性是由于过渡金属离子具有两种不同价态而引起的电子跃迁过程所造成的。 这种玻璃通常是n型半导体，电阻率在10～106Ω·m之间，载流子密度为1010cm-3，迁移率一般在108～10-2cm2·V-1·s-1。表征氧化物玻璃的热电转换常数—赛贝克系数在100～1000V·K-1(300℃以下)范围变化。（一块导体或者半导体的两端如果温度不同就会产生温差电动势,称为赛贝克效应，又称热电效应） (3)非氧化物半导体玻璃(硫系玻璃)这类玻璃是As、Sb、Ti、P、Ge、Si等元素的硫化物、硒化物、碲化物或这几种化合物的混合物以适当比例混合熔融而成。其电导率随成分而变，界限从10-12～10-1S•m-1(西门子每米)。这类玻璃是电子导电。硫系玻璃半导体的品种很多，迄今研究得比较充分的有As2S3、As2Se3、As2Te3及As2Se3-As2Te3、As2Se3-As2Te3-Te2Se等。 与晶态半导体相似，玻璃半导体也存在导带和价带，两者间也有禁带。能带的存在不依赖于晶格的周期性，但是由于玻璃半导体中原子排列的无序性，能带拖有“尾巴”，见右图，在晶态半导体中能带的状态是电子共有化运动的状态，而在玻璃半导体能带中的状态分为两类，一类叫扩展态；另一类叫定域态。二、玻璃半导体的导电机理 在导带中，能量E>Ec的状态是扩展态，而EA