图 CIGS薄膜太阳能电池的基本结构
材料方面，宽能隙p型α-Si窗口材料已获得广 泛应用，为进一步提高太阳能电池的效率， 正在开发新的p型层材料。超晶格材料以及 微晶材料。氟系α-SiGe的开发。 电池结构方面为多层结构。 日本：新阳光计划；美国：Solar2000计划； 欧盟：Sahel计划
2、光热变换薄膜材料
3.1 用于表面改性的处理技术
离子注入、等离子体表面处理、激光表面
处理
3.2 利于薄膜沉积的技术
PVD法、CVD法
二、耐磨及表面防护涂层
1、硬质涂层
主要用途：各种切削刀具、模具、工具 和摩擦零件，比如TiN和TiC涂层。 主要组成：基底（合金）+涂层（陶瓷） 主要制备方法：CVD和PVD（蒸发、溅射、 离子镀）
3、热电变换薄膜材料
热电现象半导体材料比金属明显。热电发电 材料中，依其工作湿区分为：低温用 （500K，Bi2Te3,ZnSb）、中温用（500900K,PbTe）、高温用（900K,CrSi2,FeSi2 ， CoSi） 主要物质有硫属化合物系材料、过渡金属硅 化物（Fe-Six系材料，硅锗系材料、硼系材 料及非晶态材料等） Z=α2/κρ
主
要
种
类
1、光电变换薄膜材料 2、光热变换薄膜材料 3、热电变换薄膜材料 4、热电子发身薄膜材料 5、固体电解质薄膜材料 6、超导薄膜器件
1、光电变换薄膜材料
太阳能电池基本原理，在太阳光照射下，产生从p到n的电流。 种类: 1.α- Si系薄膜太阳能电池 2.poly-Si薄膜太阳能电池 3.化合物薄膜太阳能电池 ①CdTe薄膜太阳能电池 ②CIS(CuInSe2)太阳能电池 ③CIGS(CuInxGa1-xSe2)太阳能电池 Si系太阳能效率已达到12%以上，镀膜的方法，采用各种等 离子的方法，以及利用光、ECR等的CVD法等。
2、表面改性的手段 （1）表面处理技术（形成表面改性层） 通过物理的或化学的手段，在物质表面层中 引入反应成分，形成混合相或合成相，从 而产生新的功能和材料特性。 （2）膜沉积技术（形成复合多层膜） 在基体材料表面析出或沉积有别于基体材料 的膜层，从而显示新的功能和材料特性。
3、用于表面改性的主要方法
6、超导薄膜器件
举例：钙钛矿系氧化物超导体薄膜及大型单 晶
Bi2Sr2Cuo6-,Tl2Ba2CuO6-δ
Yt系（LnBa2Cu3O7-Y2Ba4Cu8O16-）
四、传感器
所谓传感器，是指可接受外界信息 （刺激），如光、热、磁、压力、加速 度、湿度、环境气氛等，并能在体系内 变换为可处理信号的器件。
陶瓷薄膜功能材料
薄膜材料的定义
当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维 尺度时 薄 膜
固体薄膜 液体薄膜
厚膜(>1u)
薄膜 (<1u)
纳米薄膜
本课程关注的仅是沉积在固体表面十分广 泛，制备薄膜材料的技术发展也十分迅 速。 • 制膜的方法----分为物理和化学两大类 • 具体方式上，又分干法，湿法和喷涂， 而每种方式又可分为多种方法。
在发动机中的运用 气门 凸轮轴
发动机驱动零部件的 工作环境极其恶劣
600℃～800℃
高温 高压 频繁冲击
350℃
高温高压
对零部件的表面特性提出了极高的要求
气缸
3、防腐涂层 优点：耐腐蚀性好、耐磨性好、耐热性好 种类：氧化锆、氧化铝、氧化铬 制备方法：热喷涂
三、能量变换薄膜与器件
一次能量经过各种现象、效应、作用、反应 等，变为二次能量的形式。 机械、热、电、磁、光、放射线、化学 太阳能利用最普遍的形式是太阳能热水器和 太阳能电池。
4、热电子发身薄膜材料
处于高温的金属或某些金属化合物，可发射 热电子。常作为热发射灯丝而应用的电子 源。 2
Js AT exp(E / kT )
Richardson-Dushmann公式 举例：X-B（X=Cr,Ta,Y,Ca,Sr,Ce）
5、固体电解质薄膜材料
固体电解质是固体离子的传导体，对特定的离子选 择性地显示出大的传导性。这类材料常温下的电 导率大致为10-5~10-1S· cm-1 β-Al2O3是人们所熟知的钠离子传导体。氧离子传导 体，二氧化锆 燃料电池是将化学能直接变换为电能的电化学装臵， 它从外部向正极提供O2或空气等，而向负极提供 乙醇、碳水化合物等，通过电化学反应不断从负 极向正极输送电子流。
主要种类：工业类用传感器和生物医学用传感器 环境友好型 工业用传感器分： ①生产技术用（工业生产所必需的环境、气 氛条件的监视、控制等）； ②生活保证用（工业生产中生活环境、气氛 条件的监视、控制等） 生物医学用传感器： ①医疗活动及医疗生活的支援； ②为保证及维持上述所需的环境、气氛等应 进行的监视、控制等
在材料科学领域需要开发三种材料： ①舒适材料； ②前沿环境材料 ③环境协调材料 举例：热释电型红外线传感器，利用随温度变化材 料表面产生电荷的现象（热释电效应），由红外 线能量转变为热能，并以电荷（输出电压）的方 式检出。可广泛用于非接触式温度计进行流动人 群体温测量，检测人及动物的位臵、动作及活动 等 常用材料： LiTaO3、Pb1-xZrxTi1-x/4O3(PZT)· PbTiO3· Pb1-xLaxTi1x/4O3(PLT)
④在某些合适的切削参数下效果更显著。Vermont Top&Die公司提供的刀具寿命与切速的关系表明， 钻头使用的切速越高，它与标准刀具相比就显得 越优越。举例：用的普通钻头，对硬度为HRC=32 的4340钢进行切削时，中等切削速度17.1m/min时， TiN镀膜打孔数量增加228%；提高到28.3m/min,未 镀的钻头不能用了,加工能力下降了86%,TiN镀膜 与中等速度时一样。提高到46m/min，未镀已完全 不能使用，而镀膜则经受住了进一步的考验。
光存储材料 ①存储密度高；②载噪比高；③非接触式读/写信息， 不会让光学头或盘面损伤、并能自由地更换光盘， 使光盘驱动器便于和计算机联机使用；④存储寿 命长；⑤单位信息位价格低。 照相胶片：将卤化银颗粒分散于明胶中的一种材料 光致抗蚀剂：浮雕型位相记录介质，如通常光源用 的重铬酸盐＋水溶性高分子（PVA等）和二苯甲 酮增感多功能基团单聚物＋可溶性高分子以及用 于电子束或XPMMA（正形）和聚甲基硅氧烷 （负型）等。
实际应用有太阳能房和太阳能热水器。 光选择特性膜，考虑因素：①利用材料的固 有特性；②设计多层干涉膜；③利用几何 学的微细结构表面等。 In2o3(Sn)/Py-硼硅酸玻璃基板，可见光透射率 75-85%，红外光反射率80-85% Sno2 (Sb) ，可见光透射率80%，红外光反射 率70-75%
薄膜材料的分类（按材质分）
1.金属薄膜材料（结构性，功能性） 2.无机、陶瓷薄膜材料（结构性，功能性） 3.有机、聚合物薄膜材料
4.半导体薄膜材料
薄膜材料的分类（按功能分）
• 力功能薄膜材料 (超硬薄膜材料 超润滑薄膜材料) • 磁功能薄膜材料 (高透磁率薄膜材料 巨磁阻薄膜材料) • 光功能薄膜材料 (红外反射薄膜材料 隐身薄膜材料) • 电功能薄膜材料 (超导薄膜材料)
（3）其他刀具 包括端铣刀、丝锥、拉刀等。DOALL公司的 端铣刀，在一定的主刀磨损标准下，在切 削速度为22.2m/min时，镀的切削长度是未 镀的2.6倍,而当提高到31.3m/min时,这一比 例增加9:1.
2、热防护涂层
喷气发动机的叶片（Ni，Co，Fe）
CrAlY+氧化锆
涡轮发动机，200μmZrO2,100℃ 等离子喷涂，使用温度1300 ℃
所用材料分三类： ①以GaAs为基础形成的光电子材料，包括 AlGaAs、InP、GaInasP等它们是一般制作 光电子器件常采用的材料 ②以LiNbO3--钙钛矿结构为代表的具有特殊电 光性质的单晶材料；波导形成方法：外扩 散、内扩散、质子交换和离子注入等 ③包括了各种多晶和非晶态的物质，如氧化 物、玻璃以及聚合物等
• FeRAM——铁电体随机存取存储，是未来 的一种永久性存储器；FeRAM利用铁电体 材料的电滞回线效应，使得数据不消失性， 擦写次数又可达到1010～1012次，存取速 度也非常快，达到微秒以下 • FeRAM 的主要材料：氧化物铁电体材料和 作为电极的氧化物导体材料
磁存储材料 磁记录的原理是利用磁矩的两个不同方向来 进行记录的。要求材料具有硬磁性 常见材料：a-Fe及Fe-Co、Co-Cr等合金和氧化 物陶瓷薄膜，如g-Fe2O3，Fe3O4和钡铁氧体 等 磁头材料：要求磁导率高，饱和磁通密度大。 也就是说要采用软磁材料
五、集成光学器件
1、集成光波导和光学器件 集成光学器件中用来传输光信号的基本元件 是光波导，其基本形式由衬底、光的传输 层以及反射层三层结构所组成。
2、集成光学器件材料 集成光路用材料的基本要求：①具有某些功能，或 者不仅能产生光、接收光、传输光和控制光，而 且还能制作各种回路。前者可以作成单功能或某 些功能的集成光路，后者可以在同一基板上做成 多功能的光电集成回路；②材料要具有一定的折 射率，光波导的折射率比基板的折射率高大约103～10-1；③材料做成薄膜光波导后，在使用波长 范围内的传输损耗必须低于1dB/cm；④便于制作 波导及器件，所制成元器件在外界各种工作环境 下性能稳定。
主要器件：光波导相位调制器、强度调制器、 开关网络、模式转换器、滤波器、波分复 用器、声光频谱分析器、模－数转换器、 数－模转换器、倍频器、以及多种传感器 等 缺点：抗光损伤能力差
举例：玻璃 1．三阶非线性光学玻璃： 均质玻璃：重金属氧化物玻璃或硫系玻璃 不伴随有光的吸收，吸收系数接近于0 响应速度非常快，可以达到飞秒级 适合于光开关、光调制等光控制器件 纳米金属颗粒弥散玻璃 由局部电场的封闭效应引起，有吸收 皮秒级的响应速度 纳米半导体颗粒弥散玻璃 由量子封闭效应引起，伴随光吸收 响应速度一般在皮秒级以上