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第13篇 超导材料1

第1章 概述3

1常规超导体研究3

2氧化物高温超导材料和机理研究4

3高温超导体磁通动力学和混合态物理研究5

4新超导材料探索和新时期超导研究的特点6

5对超导应用的展望6

第2章 合金和金属化合物超导材料8

1低温超导体的种类8

1.1金属元素超导体8

1.2化合物超导体9

1.3合金超导体11

1.4 B-1（化合物）超导体12

1.5拉夫斯（Laves）相超导体12

1.6谢弗尔（Chevrel）相超导体12

1.7重电子系统超导体13

1.8其他超导体13

2实用NbTi超导合金13

2.1 NbTi合金相图13

2.2 NbTi合金物理性能13

2.3实用NbTi导体的制造13

2.4 NbTi超导线的显微结构控制15

2.5 NbTi超导体材料性能优化16

2.6交流用超细多芯NbTi超导线16

3实用A15材料17

3.1 A15材料17

3.2 A15导体制造工艺18

4实用Nb3Sn材料19

5 MgB2超导体20

5.1 MgB2的超导机理和性能21

5.2 MgB2的制备和成材21

5.3 MgB2薄膜制备22

5.4 MgB2应用前景22

第3章 高温超导材料23

1高温超导体的基本类型23

1.1高温超导体的结构简介23

1.2高温超导体的基本结构特征23

1.3高温超导体的无限层结构外延组装23

2 La系214超导体27

3 Y系氧化物高温超导系列30

3.1 Y系超导体的结晶化学简介30

3.2 Y系超导体的特征31

4 REBCO高温超导晶体生长31

4.1 REBCO超导单晶生长方法及特征31

4.2 REBCO晶体化学计量比123组分及高超导性能的控制33

4.3 REBCO晶体生长的大型化35

5铋系氧化物高温超导体的结构及物性38

5.1铋系高温超导体的制备方法38

5.2铋系高温超导体的结构和元素替代39

5.3铋系超导体的超导特性39

6 TI系超导体40

7汞系超导体的合成、结构和基本性质42

7.1汞系超导材料的合成和稳定性42

7.2汞系超导材料的结构45

7.3汞系超导材料的超导电性及压力效应46

7.4其他相关的超导材料49

第4章 有机和其他类型超导体50

1电荷转移盐型有机超导体50

1.1有机超导体的发现50

1.2有机导体和超导体的分子结构50

1.3 TMTSF盐：（TMTSF）2X准一维有机超导体51

1.4准二维有机超导体（ET）2X53

1.5 DMIT盐-阴离子导电56

2富勒烯超导体57

2.1 C60分子晶体的结构57

2.2 C60分子晶体的电子结构57

2.3 A3C60的超导电性57

3磁性超导材料59

3.1 MMo6X8化合物（M=Pb，Sn，RE等，X=S，Se，Te）59

3.2 （RE）Rh4B4三元化合物超导体60

3.3 RENi2 B2 C四元超导化合物61

4重费米子超导体65

4.1重费密子超导体的特征65

4.2 Ce基化合物重费米子超导体65

4.3 U基化合物重费米子超导体68

第5章 高温超导体薄膜71

1高温超导体薄膜的制备71

1.1薄膜制备方法71

1.2基片和过渡层76

2高温超导体薄膜79

2.1 YBa2 Cu3 O7-δ（Y-123）及相关材料的薄膜79

2.2 Bi2 Sr2 Can-1 Cun O2n+6（BSCCO）体系薄膜86

2.3 La2 CuO4（LCO）体系薄膜90

2.4 TIBaCaCuO（TBCCO）薄膜93

2.5 Hg基铜氧化物超导薄膜95

2.6无限Cu02层体系薄膜96

2.7 Ba1-x Kx BiO3（BKBO）体系薄膜100

2.8 C60相关薄膜102

2.9电子型高温超导体薄膜102

2.10超薄膜和多层膜105

2.11大面积薄膜109

3高温超导体和相关氧化物材料异质结112

3.1高温超导体／铁电体异质结112

3.2高温超导体／CMR材料异质结116

4总结118

第6章 超导电子学应用120

1超导电子学简介120

2约瑟夫森效应和超导隧道结120

2.1约瑟夫森效应120

2.2约瑟夫森结的电阻分路结模型121

2.3热涨落的影响121

2.4射频场对结的作用121

2.5磁场的影响121

3超导量子干涉器件（SQUID）122

3.1超导量子干涉器件122

3.2 dc SQUID122

3.3 rf SQUID123

3.4约瑟夫森结及SQUID的应用124

4单磁通量子器件（SFQ）125

5高温超导体本征结126

5.1层状高温超导体的本征约瑟夫森效应126

5.2 MESA结构和本征约瑟夫森结器件127

5.3本征约瑟夫森结器件的应用128

6高温超导微波无源器件128

6.1高温超导体的微波特性128

6.2高温超导微波传输线及其应用129

6.3高温超导微波谐振器130

6.4高温超导滤波器131

6.5高温超导微波无源器件132

7超导电子学器件的其他应用132

8超导电子学应用小结133

第7章 高温超导带材、块材研制134

1第一类高温超导体带材研制134

1.1 Bi-2223超导体的基本特征134

1.2 2223相形成机理134

1.3织构形成机理135

1.4前驱粉的制备135

1.5 Bi-2223超导线（带）材制备技术136

1.6影响Jc的PTT工艺参数137

1.7 Ag／Bi-2223带的Jc（B，T）行为和增强磁通钉扎的途径137

1.8带材性能研究进展138

2第二代高温超导带材139

2.1第二代高温超导带材的结构139

2.2第二代高温超导带材的制备141

2.3第二代超导带材的研究进展144

2.4结束语144

3超导块材145

3.1熔化法YBCO超导体145

3.2超导块材的性能与检测148

3.3制备超导块材的新技术150

3.4超导块材的应用领域151

第8章 超导电力应用152

1超导电力应用简介152

2超导磁体153

2.1超导磁体的电磁和机械效应153

2.2超导磁体的磁热稳定性155

2.3超导磁体的交流损耗156

2.4超导磁体的失超保护157

2.5小型低温制冷和低温系统157

3超导限流器157

3.1电阻型157

3.2电抗型158

3.3超导限流器的应用159

4超导储能系统160

4.1超导储能系统的概念160

4.2超导储能的优点与作用160

4.3超导储能综述161

4.4最新进展163

4.5关键技术及其展望163

5超导电缆164

5.1概述164

5.2超导电缆的分类与结构164

5.3高温超导电缆的导体层和电缆的损耗165

5.4高温超导电缆冷却系统166

5.5高温超导电缆的应用166

6超导变压器167

7超导电机170

7.1超导发电机170

7.2超导电动机172

7.3关键技术问题172

7.4展望173

8超导块材及其应用173

8.1高温超导块材及其制备研究173

8.2高温超导块材的应用174

9超导电力技术应用前景175

参考文献176

第14篇 传感器材料181

第1章 概述183

1传感器与传感器材料183

2发展趋势185

2.1广泛开发和采用新材料、新技术185

2.2大力发展以光信息为传输媒介的新型传感器和传感器材料186

2.3以改善社会生态环境和提高人类健康水平为目标，扩大传感器的应用领域186

第2章 光电导材料188

1光敏传感器的基本物理效应188

1.1光电效应188

1.2光电导效应189

2半导体光电导材料192

2.1可见光区光电导材料193

2.2红外区光电导材料198

2.3紫外区光电导材料201

3非晶硅光电导材料203

3.1非晶硅及氢化非晶硅的电子态203

3.2氢化非晶硅的光电导性质204

3.3氢化非晶硅的制备204

4光电导高分子材料205

4.1光电导高分子材料的导电机理205

4.2光电导高分子材料的分类206

4.3光电导高分子材料的应用206

第3章 力敏传感器材料207

1压敏材料207

1.1应变效应207

1.2电阻应变片的种类207

1.3金属应变电阻材料208

1.4半导体压阻材料硅209

1.5压敏半导体陶瓷ZnO209

2压电与铁电陶瓷210

2.1压电陶瓷的结构与原理211

2.2压电陶瓷的性能参数212

2.3铁电性与铁电陶瓷213

2.4典型的压电陶瓷与铁电陶瓷材料214

3压电高分子材料217

3.1聚偏二氟乙稀（PVDF）217

3.2奇数尼龙系压电聚合物217

3.3压电高分子材料的应用218

4形状记忆合金与记忆合金高分子材料219

4.1形状记忆合金及基本原理219

4.2形状记忆高分子及基本原理219

4.3典型的形状记忆材料及应用221

第4章 热敏材料与温度传感器材料224

1热敏陶瓷的基本概念224

2热敏陶瓷材料的主要参数224

3负温度系数热敏陶瓷NTC224

3.1 NTC热敏陶瓷的电阻-温度特性225

3.2电流-电压特性225

3.3 NTC热敏陶瓷材料225

4正温度系数热敏陶瓷-PTC228

4.1 PTC热敏电阻的基本特性228

4.2 PTC热敏陶瓷的制备230

4.3 PTC热敏陶瓷的应用230

5临界温度热敏电阻（CTR）231

5.1 CTR的组成、温度特性和稳定性231

5.2 CTR的导电机理231

5.3 CTR的制造技术232

5.4 CTR的电气特性及应用232

6热释电材料233

6.1热释电效应233

6.2热释电材料233

6.3热释电材料的应用235

7温差电材料236

7.1温差电效应236

7.2温差电材料237

第5章 磁敏感材料239

1磁学基本量与磁性分类239

1.1磁学基本量239

1.2物质的磁性分类239

2半导体磁性敏感材料239

2.1磁阻效应敏感元件239

2.2霍尔效应型敏感元件240

3铁磁性和亚铁磁性材料的特性241

3.1磁化曲线241

3.2磁滞回线241

3.3磁晶各向异性和各向异性能241

3.4铁磁体的形状各向异性及退磁能241

3.5磁致伸缩242

4磁性材料242

4.1软磁性材料242

4.2硬磁性材料243

5磁性材料的应用244

5.1磁记录介质和磁头材料244

5.2磁泡材料和磁光材料244

第6章 气敏和湿敏材料245

1气敏材料245

1.1半导体气敏材料245

1.2电阻式氧传感器247

1.3电解质气敏材料248

2.湿敏材料249

2.1过渡金属复合氧化物湿敏元件249

2.2其他无机化合物湿敏元件材料251

2.3高分子湿敏元件材料252

第7章 传感器材料的制备254

1单晶半导体材料的制备254

1.1布里奇曼法254

1.2直拉法254

1.3区熔法255

1.4升华再结晶法256

2半导体单晶薄膜的外延256

2.1同质外延与异质外延256

2.2气相外延257

2.3液相外延258

2.4分子束外延258

2.5原子层外延259

3其他薄膜材料制备技术259

3.1物理气相淀积法259

3.2化学气相淀积法261

3.3薄膜材料的其他制备方法262

4陶瓷材料的制备263

4.1敏感陶瓷对原料粉体的要求264

4.2粉体材料制备264

4.3陶瓷材料的成形266

4.4陶瓷材料的烧结267

5精细结构半导体材料的制备268

5.1多孔材料及其制备268

5.2精细结构半导体材料在传感器中的应用简介270

第8章 敏感材料的表征273

1敏感材料组分分析273

1.1 X射线光电子谱分析（XPS）273

1.2俄歇电子能谱分析（AES）273

1.3二次离子质谱分析（SIMS）275

1.4原子吸收光谱分析276

1.5红外吸收光谱分析276

1.6 X射线能谱分析（EDS）277

1.7电子能量损失谱（EELS）278

1.8中子活化分析（NAA）278

1.9卢瑟福背散射（RBS）279

2敏感材料结构分析279

2.1 X射线衍射（XRD）280

2.2电子衍射281

2.3热分析技术281

3状态分析（形貌观察）282

3.1光学显微镜282

3.2透射电子显微镜（TEM）282

3.3扫描电子显微镜（SEM）283

3.4场离子显微镜（FIM）284

参考文献285

第15篇 红外材料287

第1章 窄禁带半导体材料289

1晶体生长29

1.1体材料生长方法289

1.2液相外延薄膜的生长293

1.3分子束外延薄膜生长296

1.4晶体完整性301

2能带结构307

2.1窄禁带半导体能带结构概述307

2.2能带参数309

3光学性质314

3.1光学常数和介电函数314

3.2 Kramerg-Kronig关系和光学常数315

3.3吸收光谱316

3.4晶格振动光谱321

4输运性质327

4.1本征载流子浓度327

4.2迁移率329

4.3霍尔效应330

4.4磁阻效应331

4.5磁输运测量331

4.6杂质缺陷332

5红外光电探测器333

5.1光电导器件工作原理334

5.2光伏器件336

第2章 半导体低维结构红外材料338

1半导体低维结构单元338

1.1低维结构单元基本概念338

1.2能量的色散关系338

1.3态密度函数339

1.4光学跃迁与选择定则340

2红外低维结构工作原理341

2.1低维结构带间级联激射原理341

2.2低维结构子带间级联激射原理341

2.3低维结构子带间级联探测原理342

3器件结构与特性343

3.1含锑半导体中红外激光器343

3.2低维结构带间跃迁级联激光器344

3.3低维结构子带间跃迁级联激光器345

3.4量子阱红外探测器349

3.5微带超晶格量子阱红外探测器351

3.6多波长量子阱红外探测器353

3.7量子点红外探测器353

第3章 热敏红外材料357

1微测辐射热计和热敏电阻材料357

2热释电材料和非致冷红外探测358

2.1热释电探测器工作原理358

2.2热释电材料360

2.3铁电薄膜材料及其在红外探测器中的应用362

第4章 红外光学材料367

1红外薄膜光学367

1.1增透膜367

1.2分束镜368

1.3高反射膜369

1.4截止滤光片370

1.5带通滤光片370

2红外隐身材料371

2.1红外隐身原理371

2.2红外隐身材料372

2.3红外伪装体系375

3部分红外材料的光学特性375

参考文献380

第16篇 先进储能材料381

第1章 概述383

第2章 金属氢化物和金属氢化物-镍二次电池385

1金属氢化物-镍二次电池简介385

1.1金属氢化物-镍二次电池结构和充放电机理385

1.2金属氢化物-镍二次电池应用385

2储氢合金的基本特征387

3储氢合金电极材料387

3.1稀土系AB5型储氢合金电极材料388

3.2 Laves相AB2型储氢合金电极材料389

3.3钛系AB型储氢合金电极材料389

3.4钒基BCC固溶体储氢合金电极材料389

3.5 AB3型储氢合金电极材料390

3.6镁基储氢合金电极材料390

3.7其他储氢电极材料390

3.8储氢合金的制备391

4镍正极材料391

4.1氢氧化镍电极的充放电机制392

4.2氢氧化镍在充放电过程中的晶型转换392

4.3氢氧化镍活性物质的制备393

4.4镍正极添加剂395

4.5镍电极高温性能的改善395

第3章 储锂材料和锂离子电池397

1锂离子电池简介397

1.1锂离子电池发展概况397

1.2锂离子电池的工作原理：嵌入化合物与嵌入反应397

1.3锂离子电池的特点397

1.4锂离子电池主要应用和发展趋势398

2锂离子电池几种主要的正极材料398

2.1 LiCoO2398

2.2 LiNiO2399

2.3 LiMnO2399

2.4 LiNi1-xCox O2399

2.5 LiNi1／2 Mn1／2 O2399

2.6 LiNix Co1-2x Mnx O2399

2.7 LiMn2 O4399

2.8橄榄石结构LiMPO4400

2.9高容量高电压正极材料400

3锂离子电池几种主要的负极材料401

3.1石墨层间化合物与石墨负极材料401

3.2 MCMB402

3.3热解碳403

3.4硬碳球403

3.5储锂合金与合金类氧化物403

3.6过渡金属氧化物404

3.7 Li4 Ti5 O2405

3.8过渡金属锂氮化物405

4电解质材料405

4.1非水有机液体电解质405

4.2聚合物电解质407

第4章 高密度化学储氢材料409

1氢的基本物理化学性质409

2氨的催化裂解410

3氮化锂的可逆加氢-脱氢反应411

4配位铝氢化物的化学储氢反应411

5硼-氢化合物的化学储氢反应413

6环烃的可逆加氢-脱氢反应413

参考文献415

第17篇 一维纳米材料和纳米结构417

第1章 碳纳米管的制备、表征和性能419

1多壁碳纳米管的可控制合成——小直径碳纳米管、连续碳纳米管线419

1.1小直径碳纳米管419

1.2多壁碳纳米管阵列的可控制合成424

2单壁、双壁纳米碳管的可控制合成429

2.1单壁纳米碳管的可控制合成429

2.2双壁碳纳米管的浮动催化法制备434

3碳纳米管的性质研究和应用440

3.1碳纳米管束的拉伸性质研究441

3.2单根多壁碳纳米管的径向压缩性质的研究442

3.3多层碳纳米管的热学性质研究442

3.4多层碳纳米管的电输运性质研究444

3.5多层碳纳米管在高压下的行为445

3.6碳纳米管的场发射性质及其显示应用448

3.7碳纳米管的应用451

第2章 纳米线和纳米带的制备、表征454

1纳米线的气相合成和表征454

1.1气相法生长纳米线的机理454

1.2元素纳米线454

1.3二元化合物纳米线455

1.4多元化合物纳米线459

2同轴纳米电缆的合成与表征461

2.1激光烧蚀法合成同轴纳米电缆461

2.2溶胶-凝胶与碳热还原及蒸发-凝聚法合成同轴纳米电缆462

2.3化学气相沉积法合成同轴纳米电缆462

3纳米带的合成与表征463

3.1元素纳米带463

3.2二元化合物纳米带465

3.3多元化合物纳米带467

第3章 纳米结构和纳米阵列的制备、表征469

1氧化铝模板的制备技术469

1.1氧化铝模板的制备469

1.2氧化铝模板的结构与表征470

1.3氧化铝模板有序通道阵列形成机理的探索471

2大面积有序孔洞材料的制备471

2.1滴涂法472

2.2旋涂法472

2.3垂直提拉法473

3有序纳米阵列的合成与表征473

3.1基于氧化铝模板合成的有序纳米阵列473

3.2基于二维胶体晶体模板合成的有序纳米阵列485

参考文献488

第18篇 发光材料489

第1章 概述491

1物质发光与发光材料491

2发光材料研究与应用发展过程492

第2章 发光材料的合成493

1固相反应合成法493

1.1原料纯制493

1.2原料混配493

1.3灼烧与固相反应493

1.4后处理工艺494

1.5产物性能的检测494

1.6固相反应合成过程中的几个问题494

2发光材料的其他重要合成方法495

2.1溶胶-凝胶法495

2.2水热法495

2.3燃烧法495

第3章 发光材料性能的表征496

1发射光谱496

2亮度496

3寿命496

4效率497

4.1光致发光材料497

4.2电子束激发的发光材料497

5色坐标与显色指数497

5.1色坐标与色温497

5.2显色指数498

6激发光谱499

7反射光谱及吸收光谱499

8基质化合物的组成与结构500

9发光材料其他一些重要性能表征501

第4章 主要发光材料及其应用502

1无机发光材料502

1.1基质502

1.2激活离子510

2半导体发光材料530

2.1 IA-Ⅶ A族化合物530

2.2 Ⅱ A-Ⅵ A族化合物531

2.3 Ⅱ B-Ⅵ A族化合物534

2.4 Ⅲ A-Ⅴ A族化合物539

2.5 （Al，Ga，In）（P，As）540

2.6 GaN，SiC发光541

3有机发光材料542

3.1有机分子荧光542

3.2有机荧光化合物543

第5章 发光材料研究与应用的前景展望544

参考文献546

第19篇 微加工技术549

第1章 概述551

1曝光技术551

2图形转移技术551

3其他微纳加工技术552

第2章 微纳米加工中的光刻技术553

1光学曝光技术553

2光学曝光的原理及设备553

3光刻工艺的基本过程554

4光学曝光技术的未来展望555

第3章 电子束曝光技术557

1电子束曝光简介及发展历史557

2电子束曝光系统组成557

3电子束曝光系统的分类559

4电子束抗蚀剂561

5电子束与固体的相互作用及邻近效应563

6电子束曝光技术展望565

第4章 聚焦离子束加工技术567

1聚焦离子束567

2 FIB的工作过程568

3 FIB在微／纳加工方面的应用570

4总结573

第5章 X射线曝光技术574

1 X射线曝光原理574

2 LIGA技术578

3 X射线光刻关键技术的研究现状580

4 X射线曝光的横向尺寸和深度极限583

第6章 微纳米加工中的图形移转技术584

1刻蚀技术584

1.1湿法腐蚀584

1.2干法刻蚀584

2剥离技术（lift-off）585

2.1单层抗蚀剂工艺586

2.2多层抗蚀剂工艺586

2.3抗蚀剂表面改性工艺586

2.4负性抗蚀剂工艺587

第7章 微纳米加工中的图形复制技术588

1纳米压印技术588

1.1纳米压印工作原理588

1.2纳米压印模板的制作和光刻胶的选择591

1.3纳米压印技术的应用594

2其他微纳米图形复制技术597

2.1弹性微印章复制597

2.2微热塑模压复制598

2.3微注塑复制600

2.4微立体激光成型602

参考文献605

第20篇 光子晶体609

第1章 光子晶体及其特性611

1光子晶体的分类611

2光子晶体的原理和研究方法612

3光子晶体的性质和功能614

3.1利用光子晶体控制自发辐射，提高光电子器件的工作质量614

3.2光子晶体光纤615

3.3光子晶体的其他应用616

第2章 光子晶体的构成方法618

1概述618

2自组织生长618

2.1自组织生长方法的研究618

2.2 Opal和反Opal的制备620

2.3核-壳球结构Opal和反Opal的制备622

3微加工技术的利用622

3.1二维光子晶体研制622

3.2三维光子晶体的制备626

4多光束干涉629

4.1多光束干涉形成光强周期分布629

4.2微粒的周期性排列630

4.3三维聚合物光子晶体的全息光刻630

4.4双光子聚合直写法631

第3章 光子晶体的应用632

1光波导632

1.1光子晶体光波导原理632

1.2光子晶体光波导的构造632

1.3光子晶体光波导的测量635

1.4光子晶体波分复用器件636

2光子晶体光纤638

2.1光子晶体光纤的传输性质638

2.2光子晶体光纤的研究现状640

2.3新型光子晶体光纤的设计制作640

2.4基于PCF的光无源器件642

2.5光子晶体光纤激光器643

2.6光子晶体光纤的其他应用643

3微腔激光器644

3.1微腔激光器的特点644

3.2光子晶体微腔激光器应用644

3.3光子晶体微腔激光器设计645

3.4光子晶体激光器微加工646

3.5光子晶体激光器特性表征646

4光子晶体传感器650

4.1光子晶体传感器的研究状况650

4.2光子晶体激光器作为微量试剂的传感器651

5作为负折射材料的应用652

5.1负折射介质的历史和现状652

5.2负折射介质的基本物理特征652

5.3光子晶体作为人工负折射介质654

6光开关657

6.1光子晶体全光开关思想的提出657

6.2全光开关的理论探索657

6.3光开关的实验研究659

参考文献661