2.6新材料 课件-2024-2025学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册

第二章 气体、液体和固体 第六节 新材料 作者编号：43002 每次新材料的开发和使用，都标志着人类社会生产水平的一大跨越，本节课我们就来了解一些新材料。 气态、液态和固态是最常见的三种物质形态，这些不同形态物理材料的应用，对人类社会的发展起到了重大的推动作用。 新课导入 作者编号：43002 1.了解半导体、纳米材料、超材料的定义、特征，能说出典型半导体材料。 2.了解半导体的应用。 3.了解半导体与导体、绝缘体，纳米材料与宏观材料，不同超材料之间的差异。 学习目标 作者编号：43002 一、半导体材料 1. r < 10 –6 W  m 的物体叫做导体。 2. r > 10 5 W  m 的物体叫做绝缘体。 3.导电性能介于导体和绝缘体之间的物体叫做半导体。 半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间，电阻率随温度的升高而减小，导电性能由外界条件所控制，如改变温度、光照、掺入微量杂质等。 典型半导体材料：硅、锗、砷化镓等 新课讲解 作者编号：43002 硅、锗是目前应用最广泛的半导体材料，95%以上的集成电路芯片都是在单晶硅片上制作的。随着集成工艺的提高，其内部元器件的工艺尺寸已缩小到几个纳米的大小，晶片上可集成超过10亿个电子元器件。电路及电子元器件的高度集成，使得各种功能组件小型化、微型化成为可能。现在一部手掌大的手机,集成了光线、距离、重力、加速度、磁场、指纹等十几种传感器，以及多个功能模块以支持通话、上网、导航、拍照等各种功能。 新课讲解 作者编号：43002 半导体除了制作电子产品以外，还能产生光/热生伏特效应 光伏材料——太阳能发电 热电材料——航天探测器 新课讲解 作者编号：43002 手机 平板电脑 笔记本电脑 台式主机 智能手表 空调 扫地机器人 洗衣机 二极管 芯片 生活中使用半导体制作的电子产品 新课讲解 作者编号：43002 二、纳米材料 纳米材料是当今新材料研究最富有活力和影响力的领域。纳米技术的应用、使得人类能在原子水平操作物质，从而更加自由地搬动原子和重组分子，组成具有特殊性能的新材料。 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1~100mm)或由它们作为重要单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。与宏观物质相比，纳米材料通常硬度、韧性、延展性等力学性能更好，熔点、磁性、导热和导电性降低，对光和物质具有更好的吸收和吸附性，化学活性大大增加。 新课讲解 作者编号：43002 1.防水防油 荷叶的自洁效应 用纳米技术制作的衣服 具有防污等多种功效 新课讲解 作者编号：43002 手机疏油层利用纳米材料实现功能，其原理在于纳米材料表面原子活性高、表面能大，疏油层采用含氟纳米材料等低表面能材料，使屏幕表面能低，水或油滴上后因表面张力和低表面能作用收缩成球，减少接触面积，防止指纹、油污附着；同时纳米材料颗粒小，在屏幕形成类似荷叶的微观粗糙结构，液体接触时不能填满凹陷，形成气液界面，降低接触面积，增加滚动性，让污渍易被擦掉；此外，纳米材料的量子尺寸效应使电子结构变化影响性能，虽非疏油主要因素，但能让疏油层不影响屏幕显示，保证透明度和清晰度。 新课讲解 作者编号：43002 2.强度高和韧性大 碳纳米管 强度高：约为钢的100倍 自重轻：密度是钢的1/6 具有良好的柔韧性，可弯曲 新课讲解 作者编号：43002 纳米陶瓷粉制成 普通陶瓷盘 纳米陶瓷比普通陶瓷强度高、韧性大，原因如下：纳米陶瓷晶粒尺寸小，晶界数量多，晶界处原子高能且排列不规则，能阻碍位错运动，且可缓解应力集中，裂纹不易萌生扩展，提升强度；纳米陶瓷晶粒表面原子活性高、表面能大，使晶粒结合力增强，受力变形时表面原子可缓解应力、抑制裂纹扩展，且利于致密化烧结，减少孔隙缺陷，提高强度与韧性；量子尺寸效应改变纳米陶瓷电子结构，影响化学键性质和电子云分布，提升强度和韧性。 新课讲解 作者编号：43002 3.吸附性强 ——碳纳米管可以大量吸附氢气。 碳纳米管自身重量轻，中空结构可作为储氢的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气还高。 研究表明：常温常压下约2/3的氢气能从碳纳米管中释放。 据预测，对于正在研制的氢气汽车，只需携带1.5升左右的碳纳米管，就可以行驶500公里。（普通燃油汽车需消耗油量约80升） 不确定因素：氢气不纯易爆炸，密封性与氢气纯度有待考究。 新课讲解 作者编号：43002 三、超材料 超材料一般定义为具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构的复合材料，是将人造单元结构以特定方式排列形成的，具有特殊电、磁特征的人造结构材料。典型的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料等。 新课讲解 作者编号：43002 1.左手材料：左手材料是指一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在其传播时，由于波矢、电场和磁场符合左手定则。左手材料可用于制造高指向性天线，用于聚焦微波波束，实现“完美透镜”，或用于电磁波隐身及制造各种新型微波器件。光子晶体能使某一频率范围的电磁波不能在其内部传播，可用于控制光子的流动，制造光子晶体光纤、光子晶体微带天线等。 新课讲解 作者编号：43002 左手材料可用于制造高指向性天线，用于聚焦微波波束，实现“完美透镜”，或用于电磁波隐身及制造各种新型微波器件。 左手材料的负折射现象 新课讲解 作者编号：43002 2.光子晶体 光子晶体能使某一频率范围的电磁波不能在其内部传播，可用于控制光子的流动，制造光子晶体光纤、光子晶体微带天线等。 新课讲解 作者编号：43002 3.超磁性材料 超磁性材料是指在一定条件下（如特定温度、磁场等）表现出比一般磁性材料更强的磁性，具有高磁化率、低居里温度等特性，能快速响应外部磁场变化，且在磁性存储、生物医学（如磁性靶向药物输送）、磁制冷等领域有重要应用潜力的特殊材料。 新课讲解 作者编号：43002 新材料根据其功能和结构可以分为有机材料、合成无机材料、复合材料以及人工超结构材料等。 然而，它们在分类上可能有交叉。 比如，太阳能电池材料具有人工异质结构，也是半导体材料，吸光层常常又是纳米级别。 四、新材料的分类 新课讲解 作者编号：43002 1.下列关于半导体材料的说法正确的是（ ） A. 电阻率小于 10–6 W・m 的物体是半导体 B. 半导体的导电性能不随外界条件变化 C. 硅、锗是应用最广泛的半导体材料，多数集成电路芯片在单晶硅片上制作 D. 半导体只能制作电子产品 C 当堂检测 作者编号：43002 2.纳米材料在三维空间中至少有一维处于什么尺度范围（ ） A. 1 - 100μm B. 1 - 100mm C. 1 - 100nm D. 1 - 100cm C 当堂检测 作者编号：43002 3.纳米材料具有多种特殊性能，其中量子尺寸效应带来的影响是（ ） A. 使材料硬度和韧性显著提高 B. 改变材料的电子结构，影响其光学、电学和化学性能 C. 增强材料的吸附性 D. 让材料具备防水防油的特性 B 当堂检测 作者编号：43002 4.关于超材料中的左手材料，下列说法错误的是（ ） A. 介电常数和磁导率同时为负值 B. 电磁波在其中传播时波矢、电场和磁场符合左手定则 C. 只能用于制造高指向性天线 D. 可用于电磁波隐身 C 当堂检测 作者编号：43002 新材料 半导体 纳米材料 超材料 导电性可以通过掺杂来控制 光/热生伏特效应 防水防油 强度高和韧性大 吸附性强 能改变材料的表面活性和生物活性 具有特殊电、磁特征 课堂小结 作者编号：43002 $$