物理学前沿讲座

【专家解说】：　　一、曲秀荣 　　1、材料分类：（1）结构材料：力学性能、热学性能。（2）功能材料：热电、压电、铁电、发光 　　2、微观组成:状块材料、纳米材料 　　3、纳米特点：比面积大①高的活性 ②韧性 ③磁学性能 ④量子隧道效应 　　20世纪的两大话题能源环境 LETTERS 　　4、热电材料的优点：是绿色能源①体积小（例如：热电发电、热电制冷、发电系统） ②重量轻 ③结构简单 ④坚固耐用 ⑤无需运动部件 ⑥无磨损 ⑦无噪音 ⑧无污染 ⑨无需监控操作 　　5、热电材料的应用：（1）温差电池（热电芯片、手机用的电池）（2）小汽车的发电系统（3）空间站的热电能转换装置，深海作业的热电能转换装置 　　6、热电制冷的应用：①变协式冰箱 ②空调 ③手术刀 　　7、热电材料及热点效应的基础知识 　　①什么事热电材料？（热电材料发电效率低） 　　定义：一种利用固体内部载流子运动，实现热能的电能直接相互转换的功能材料 　　8、新材料的探索：（有哪些材料） 　　答： Bi Te / Sb Te 体系 PbTe体系 SiGe体系 CoSb 为代表的方钴 型热电材料 Zn Sb 金属硅化物（如 —FeSi 、MnSi 、CrSi 等） NaCo O 为代表氧化物 　　9、什么是热电材料？ 　　答：热电材料也是温差材料，是一种利用固体内部载流子运动，实现热能和电能相互转化的功能材料 　　10、什么是热电效应？（简） 　　答：热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称。 　　包括Seebeck效应 Peltier效应 和 Thomson效应 　　赛贝克 帕尔贴 汤姆逊 　　11、赛贝克效应：当两种不同导体构成闭合电路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产生，且在回路中有电流通过，即温差电现象或Seebeck效应（可能为简、填、选） 　　论+应 主要应用：①用采热电发电 例如：利用放射性同位素做热源给航天器空间站发电②还可利用海洋温差、太阳能等发电 ③汽车尾气等废热发电 ④可以用于偏远山村供电以及深海作业供电(论=概+应） 　　12、Peltier效应：当电流通过两个不同导体形成的接点时，接点处会发生放热或吸热现象，称为Peltier效应 当半导体通以电流时，两端会有温差现象出现，此现象为帕尔贴效应（应用：热电效应 用于冰箱、空调、计算机系统、手术刀等） 　　13、热电材料用于发电和这冷目前存在的问题是什么？解决办法有哪些？答：与常规能源相比热电转换效率低 解决办法：提高材料的热电性能①探索新材料 ②将材料低维化 　　14、帕Peltier的特点：体积小、重量轻、结构简单、坚固耐用、无需运动部件、无磨损、无噪音、无污染 　　15、热电转换装置，热电材料用于发电和制冷，存在的问题是什么及解决办法？答：热电转换效率低 　　一维ZnO纳米材料简介（高红） 　　1、半导体简介 2研究一维ZnO纳米材料的意义 3、一维ZnO纳米结构的生长 　　1、半导体 　　什么是半导体？在绝缘体和导体之间，没有明显界限 　　半导体的特征？对外界条件（力、热、光、电、磁、杂质等）变化非常敏感 　　半导体的应用：计算机芯片、发光材料、传感器 　　常见半导体：Si（硅）Ge（锗）ZnO（氧化锌） 　　2、研究一维ZnO纳米材料的意义 　　2.1纳米材料的定义 　　纳米材料：是指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸1—100纳米。包括纳米颗粒、纳米线、纳米超薄膜、夹层结构、多层膜和超晶格等材料 　　2.2纳米材料的效应：小尺寸效应、量子效应、表面效应 　　小尺寸效应：由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应 　　量子效应：一是纳米粒子尺寸小到某一值时，在费米能级附近的电子能级是由准连续变为离散的现象 二是纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能级间隔变宽，出现蓝移的现象 　　表面效应：粒子的大小与表面原子数的关系 　　直径/nm 1 5 10 100 　　原子总数/N 30 4000 3000 300000 　　表面原子百分比/表面积 100 40 20 2 　　纳米材料的表面积大大增加，表面结构也发生很大的变化。因此，与表面状态有关的吸附、催化以及扩散等物理化学性质。 　　2、ZnO一维纳米材料的性质：⑴、直接带隙宽禁带半导体（3.4eV）⑵、具有高自由激子束缚能（室温60meV）⑶、紫外发光材料⑷、光电、压电、气敏、生物安全等特性⑸、一维纳米材料的特性 　　3、研究意义 　　3.1制备方法：化学气相沉积、脉冲激光沉积（经常用） 水热法 　　一维ZnO纳米材料的表征 　　3.1、形貌表征（SEM） 　　3.2、晶体结构表征（XRD） 　　3.3、微观晶格结构表征（HRTEM） 　　3.4、成分表征（EDX） 　　3.5、光学性质表征（PL，Raman） 　　稀土及其发光（孟庆裕） 　　一、什么是稀土 　　1.1稀土的定义 　　答：稀土是稀土类元素群的总称。包含钪Sc、钇Y及元素周期表的ⅢB族镧系中的镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Gd、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu共17个元素。稀土元素的单质都属于有色金属。 　　⑴、传统领域：农业、冶金、石化、玻璃、陶瓷、机械加工、照明光源 　　⑵、高新科技领域：新型照明与显示技术、储氢技术、激光材料、光通信、精密陶瓷、高温超导、精细化学催化剂 　　1.2、稀土的分类：稀土元素分为“轻稀土元素”和“重稀土材料”。“轻稀土材料”指原子序数较小的钪Sc、钇Y和镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm 　　2.1、什么是发光 　　答：发光石物体内部以某种方式吸收能量后转化为光辐射的过程（概括的说，发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量，而这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间） 　　发光是热辐射之外的一种辐射，这种辐射的持续时间超过光的振动周期。（广播的振动周期的量级在10 秒以下，而发光的辐射期间在10 秒以上。因此，用辐射期间作为判据，很容易把发光与反射、散射这类辐射区分开来。 　　2.2、稀土元素的价态 　　答：稀土离子在固中一般呈现三价，镧系元素中的某些元素还有二价和四价 　　2.3、什么样离子容易变成+2价或+3价，为什么？ 　　答：4f电子轨道全空、半充满和全充满电子的稀土离子为稳定态，如La 、Gd 、Lu 和Y ，它们结构稳定，具有光学惰性，很适合作为发光的材料的基质。而一些三价稀土离子的4f轨道中比稳定态一或二个电子为趋于稳定态，它们易失去一个电子而被氧化为+4价，而另一些三价稀土离子比稳定态少一或两个电子为趋于稳定态，它们易被还原为+2价 　　2.4、稀土离子发光的特点 　　答：对于三价稀土离子，由于4f 电子在空间上受到5s 5p 电子的屏蔽，因此，几乎不受配体的影响，故4f—4f跃迁的光谱有如下特点①光谱呈狭窄线状 ②谱线强度较低 ③跃迁概率很小，激发态寿命较长 　　2.5、5d到4f跃迁的特点？ 　　答：5d—4f跃迁 =1，根据选择定则，这种跃迁是允许的，并且5d处于外层，5d—4f跃迁受晶体场影响较大，所以5d—4f跃迁发光的特点与4f—4f跃迁几乎完全相反，其光谱呈现带宽，强度较高，荧光寿命的特点 　　光的强度随波长的变化就叫光谱 　　2.6常见的稀土发光材料？ 　　光源：日光灯 BaMg Al O Eu 　　Mg Al O Ce Te 特 　　Y O Eu 有 　　高压汞灯 Y（Pv）O Eu YUO En Tb 　　黑光灯 YPO Ce Tb MgSrBF Eu 　　固体光源 YAG Ge 　　一、纳米技术 　　纳米是一个尺度的量度1nm=10 m 　　纳米科技是和研究由尺寸在1点10 nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术 　　二、纳米材料具有的基本特性 　　⑴、表面效应 　　纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数的比值随粒径的变小而急剧增大，引起的性质上的变化，由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来。所以纳米材料具有很高的化学活性。 　　⑵、小尺寸效应 　　当纳米微粒尺寸与光波的波长，传导电子的德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征，尺寸相当时，晶体周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热、力学等特征是新的物理性质的变化称为小尺寸效应。 　　⑶、量子尺寸效应 　　当粒子尺寸下降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级会由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能级变宽现象，这称为量子尺寸效应。 　　⑷、宏观量子隧道效应 　　隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力，人们发现一些宏观量，如磁化强度，量子相于器中的隧道通量等具有隧道效应，称之为宏观量子轨道效应 　　⑸、尺寸限制效应（体积效应） 　　当物体体积减小时与体积密切相关的性质将发生变化，如半导体电子自由程变小，磁体的磁区变小，能量传输的范围变小等，这就是体积效应 　　三、由于以上几种效应存在，纳米材料呈现如下巨大应用潜力的宏观物理和化学性能：⑴、高强度的高韧性⑵、高热膨胀系数、高比热容和低熔点⑶、特殊的电磁学性质⑷、较高的化学活性⑸、极强的吸波性 　　投影显示技术（孙文军） 　　1、分类 　　2、结构 高度 投影机 电压值 芯片 光 光学 屏幕 　　3、评价体系 　　4、投影显示种类 　　⑴、CRT ⑵、LCD ⑶、DLP ⑷、LCOS 　　5、投影显示的光源 　　⑴、卤素灯 ⑵UHP ⑶LED 　　6、光学调制（空间调制器） 　　LCD（透射) PDP LCOS（透射式） DLP 　　加电压与输出亮度为线性 　　被动发光：（1）照明光均匀性（2）输出截面与芯片相匹配（3）亮度 　　颜色的合成 　　1、空间合成 R+G+B=W 　　2、时间合成 C+M+Y=B 　　芯片DL中：（1）不需偏振（2）矩形（3）均匀化（4）结构简单化（5）能量利用率高 　　半导体量子级联激光器 ①波导层 ①工作物质 　　一、结构 ②作电极 ②激励条件 　　二、粒子数反转 ③粒子数反转 　　三、半导体中电子能级结构 ④谐振腔 　　四、如何实现粒子数反转 激励条件：外加电场Fo、内部极化场Fp 　　胡建民 　　地球辐射带 　　电子0~7MeV 　　航天器常见轨道的环境特点 　　低地球轨道：200—1000km 微流星和空间碎片 　　中地球轨道：约2000km 高能粒子 　　空间环境模拟器 　　热真空环境模拟器 　　空间动力学模拟器 　　空间组合环境模拟器 　　如何实现等效？ 　　空间环境粒子 地面实验粒子 　　通量连续 通量单一 　　能谱连续 单能粒子 　　多种粒子 一种粒子 　　太阳能电池 　　1、JPL等效注量法 　　优点：传统：1980年提出 1982Si 1996GaAs 　　应用广泛，形成成熟的评价系统 　　考虑了低能粒子的损伤效应 　　缺点：过程繁琐，实验数据过多（4e+8P） 　　与电池设计参数关系密切 　　2、位移损伤剂量法 　　优点：所需的地面实验数据较少，地面粒子的能量选取方便 　　评价方法简单易行 　　缺点：1995年提出，方法较新，缺少前期研究基础 　　更适用于厚度较薄的电池（几个 m) 　　没有考虑低能粒子的辐照损伤效应 　　3、目前空间电池的分类与应用 　　⑴、单晶硅太阳电池 　　①1958年3月，美国先锋号首次用太阳电池板供电 　　②价格低廉，工艺简单 　　⑵、GaAs/Ge单结太阳电池 　　①1983年，美国首次在LIPS卫星使用，共计1800片 　　②1986年，前苏联和平号空间站全部使用 　　③2002年3月25日，神舟3号进行搭载试验 　　⑶、GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池 　　①1997年，美国HP系列卫星开始使用双结电池 　　②2002年，美GaLaxy卫星首次使用三结电池 　　4、……关键： 　　⑴、确定辐照缺陷的类型浓度等参数 　　⑵、建立太阳电池的辐照损伤模型 　　5、揭示损伤机理的关键 　　⑴、探测辐照损伤缺陷的类型浓度分布 　　针对缺陷类型提高电池材料的抗辐射能力 　　根据缺陷浓度和粒子能量提高防护方法 　　⑵、建立辐射损伤的物理模型 　　为了提高电池的抗辐射能力提供理论依据 　　可以科学评价电池在轨行为，对于提高航天器在轨运行的稳定性和可靠性具有重要意义 　　燃料电池（李仲秋） 　　一、概述 　　工作原理：从正极处的氢气中抽取电子。（氢气被电化学氧化掉或称燃烧掉了）这些负电子流到导电的正极，同时，余下的正原子通过电解液被送到负极，在负极，离子与氧气发生反应并从负极吸收电子。这一反应的产品是电流、热量和水 　　二、燃料电池技术分类 　　燃料电池的种类按不同的方法可大致分类如下： 　　1、按燃料电池的运行机理分 分为酸性燃料电池和碱性燃料电池 　　2、按电解质的种类不同 有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质 碱性燃料电池，磷酸燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池，质子交换膜燃料电池 　　3、按燃料类型分 有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天然气等气体燃料 　　4、按燃料电池工作温度分 有低温型，温度低于200℃，中温型温度为200~750℃，高温型，温度高于750℃