强磁场下新型功能材料的制备及发展.docx

强磁场下新型功能材料的制备及发展 1. 绪论 1.1 功能材料的定义 材料是人类及人类文明赖以生存和发展的物质基础，材料科学领域每一次进步，都将人类引领上一个新台阶。材料是人类用于制造物品、器件、构件、机械或其他产品的物质。通常按照材料的性能和用途将其分为结构材料（structural materials）和功能材料（functional materials）两类。结构材料是以强度、刚度、韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度等力学性能作为特征的结构件材料。而功能材料则可以定义为：具有优良电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其互相转化的功能，被用于非结构目的的高新技术材料[1]。 1.2 历史及特点 功能材料和结构材料一样，是在工业技术和人类文明不断发展的过程中逐步发展起来的。二十世纪70年代以来，由于电子技术、信息网络技术、航空航天技术以及新能源等产业的高速迅猛发展，强烈刺激材料由结构性向功能性方面发展。从二十世纪50年代开始，几乎每十年就会开发出一种新型的功能性材料，如50年代的半导体材料、60年代的激光材料、70年代的光电子材料、80年代的形状记忆合金，以及随后的反应堆材料、太阳能材料、生物医用材料等，这也就促使功能材料领域形成一个较为完善的体系。 功能材料在研究开发和生产时通常具有以下三个特点：1.具有知识密集性，往往是多种现代先进科学技术相交叉的产物；2.品种多、产量小、更新换代快、利益高；3.在技术上大多数属于未完成型产业，需要投入大量的资金和时间。 1.3 分类 功能材料种类繁多，应用面广，目前为止没有公认的分类方法。按照功能材料显示功能的过程，也就是按照材料的物理性质及功能可以将其分为一次功能材料和二次功能材料。一次功能是指当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同种形式时，材料起到能量传送部件作用，也可以称这类材料为载体材料，主要有：（1）力学功能如惯性、黏性、流动性、成型性、超塑性等；（2）声功能如吸音性、隔音性等；（3）热功能如隔热性、传热性和吸热性等；（4）电功能如导电性、超导性和绝缘性等；（5）磁功能如软磁性、硬磁性和磁致伸缩性等；（6）光功能如透光性、反射光性和吸收光性等；（7）化学功能如催化作用、吸附作用和生物化学反应等；（8）其他功能如电磁波特性、放射特性等。二次功能是指当向材料输入的能量和输出的能量属于不同形式时，材料起到能量转换部件的作用，主要有：（1）光能与其他形式能量的转换，如光化反应、光合成反应、感光反应和光致伸缩等；（2）点呢鞥与其他形式能量的转换，如电磁效应、电阻发热效应和光电效应等；（3）磁能与其他形式能量的转换，如热磁效应、光磁效应和磁致伸缩效应等；（4）机械与其他形式能量的转换，如压电效应、形状记忆效应和热弹性效应等[2]。按照材料的化学键、化学成分分类，功能材料可分为金属功能材料、无机非金属功能材料、有机功能材料和复合功能材料等。若按照功能材料应用技术领域分类，功能材料可分为信息材料、电子材料、电工材料、电讯材料、计算机材料、传感材料、能原材料、航空航天材料和生物医用材料等[3]。 1.4 强磁场的应用 磁场作为与温度、压力一样重要的物理参数，在材料制备过程中具有无接触、能量密度高、方向性强、可精确调控等优势。随着强磁场发生技术的发展，尤其是超导技术在强磁场发生技术上的应用，使得科学研究人员能够轻易获得 10 T以上的小型超导强磁体装置。该极端环境下的材料科学研究成为世界各国科研工作者们的一个新兴热点。 通常磁场与物质之间有多种作用方式，即：对存在电流的导体产生洛伦兹力的作用；对被磁化物质产生磁化能的作用；对物质产生磁化力的作用；对处在梯度磁场的物质产生磁化力的作用以及磁化的颗粒间产生磁极间的相互作用。磁场通过这些作用方式可以改变熔体中对流、带电粒子走向、磁化轴取向等，在新材料中有着很广泛的应用。 2. 强磁场下光学材料的制备 2.1 外加磁场对氮化硅陷光薄膜的影响 陷光结构通过反射、折射和散射，将入射光线分散到各个角度，从而增加光在太阳电池中的光程，使光吸收增加[4]。简单来说就是在物体表面做出一些凸起或凹坑结构，这样在光线照射到物体表面时可以增加光程、增加光子吸收量，从而提高光能向其他能量转换的效率。大量的研究表明，在太阳能电池中引入陷光结构有利于提高太阳能电池的短路电流和转换效率。 江强等[5]主要研究外加磁场对磁控溅射氮化硅陷光薄膜的影响。在基底石英玻璃表面附近施加0T、0.35T、0.64T、0.92T、1.23T、1.50T磁场，实现磁场对磁控溅射氮化硅薄膜过程的控制。通过分析结果表明，外加不同强度的磁场并没有改变氮化硅薄膜的非晶结构，但是，薄膜表面形貌发生了较大改变，尤其是较强磁场下更加明显。由于外加磁场促进原子和原子团有规则地进行排列和迁移，薄膜形