2008秋季功能信息材料学复习题

1．按照用途材料可以分为哪两类？给出这两类材料的定义和特点。

举例说明这两类材料在国民经济中的地位。

结构材料:通常是指利用其力学性能制造机器和工程结构中构件的材料。

传统材料,
产量大,附加值低,技术较成熟,劳动密集,转移出发达国家.钢铁能力 曾经的国力的标志. 钢铁工业为制造各种机械设备提供最基本的材料，属于基础材料工业的范畴。

钢铁还可以直接为人民的日常生活服务，如为运输业、建筑业及民用品提供基本材料。

故在一定意义上说，一个国家钢铁工业的发展状况也反映其国民经济发达的程度.
功能材料:通常是指利用材料的物理、化学和生物学等性能制造具有电、磁、光、声、热、生物等功能器件的材料。

新材料,品种多,附加值高,技术发展快,技术密集,集中在发达国家.功能材料—现代社会中起主导作用的材料.标志—功能材料是信息技术、生物技术、可再生能源技术、空间技术等现代社会支柱产业的基础. 2．材料科学与工程学科从那几个方面来进行材料研究的？材料科学工作者基本的工作思路是什么？举例说明未来材料科学的发展趋势。

加工，结构，性能。

首先，我们要确定产品的应用以及它的工作环境，再考虑所选材料需要有怎样的性能，从而来确定哪些材料符合要求以及通过怎样的加工方法使所选材料最终能变成所需的产品。

加工完成之后，还要对产品进行测评，如果没有达到所需的要求，就要改进加工方法，最终使产品满足实际的应用。

未来材料的发展趋势：微型化（纳米结构材料具有独特的特性），智能材料，（使飞机隐形的材料，抗震的材料），环境友好型材料（可生物降解，光降解的塑料），以及受大自然启迪设计出的各种材料。

3．什么是电传导？金属和离子晶体的电导机制是怎样的，二者的本质区别？
电传导中涉及带电粒子的定向运动，固体中的电子或溶液中的正、负离子在电场（由电势差产生）的作用下发生定向移动，而传递能量。

在金属中携带电荷的载流子是电子，在电场力的作用下，电子的定向迁移形成电流。

称为电子传导。

在离子晶体中，携带电荷的载流子是离子，因此称为离子传导。

离子电导和电子电导有本质的区别。

离子电导的运动伴随明显的质量变化有些离子在电极附近有电子得失，因而产生新的物质，也就是说发生了化学反应。

电子电导的特征是具有霍尔效应。

其产生是由于电子在磁场作用下产生横向位移的结果。

离子质量比电子大的多，在磁场作用下不呈现横向位移，因而离子电导不呈现霍尔效应。

4．什么是霍尔效应，那些材料可以用于霍尔传感器，其基本原理是什么？
在半导体上通以电流并把它放在磁场中，如果磁场与电流的方向相垂直，则在磁场的作用下，载流子（电子或空穴）的运动方向
发生偏转。

这样，在垂直于电流和磁场的方向上就会形成电荷积累，出现电势差。

这一现象称为霍尔效应。

半导体材料可以用于霍尔传感器，其电阻率和载流子的迁移率都比较大。

霍尔传感器是根据霍尔原理制成的。

5．超导的定义是什么？物质处于超导态的主要条件是什么？指出超导体的三个重要指标及意义。

超导体的主要应用有那些，主要是应用了超导体的那方面性能？什么叫高温超导体，那些材料属于高温超导体？
在一定温度下金属突然失去电阻的现象称为超导现象或超导电性。

物质处于超导态的条件：①材料的电阻为零（仪器检测值）；
②具有完全抗磁性。

超导体的三个重要指标：J c （临界电流密
度）、H c (临界磁场强度)和T c (临界转变温度)。

三者越高，则材料的应用价值越高。

大电流应用即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆。

高温超导体通常是指在液氮温度（77 K）以上超导的材料。

高温超导体五大家族：稀土214家族，稀土123家族，铋超导家族，铊超导家族，汞超导家族。

6．简述半导体pn结整流、pn结晶体管以及金属－氧化物－硅场效应晶体管的功能及工作原理。

ＰＮ结的单向导电性,外加正向电压:在外电场作用下，多子将向ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱，扩散运动起主要作用。

结果，Ｐ区的多子空穴将源源不断的流向Ｎ区，而Ｎ区的多子自由电子亦不断流向Ｐ区，这两股载流子的流动就形成了ＰＮ结的正向电流。

外加反向电压:在外电场作用下，多子将背离ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变宽，内电场被增强，漂移运动起主要作用。

因少子浓度很低，反向电流远小于正向电流。

晶体管由三个端点组成：源极、栅极和漏极。

在n型晶体管中，当栅极带正电时，p型硅中的电子被吸引到栅极下面的地方，从而在源极和漏极之间形成一个电子通道。

当漏极带正电时，电子就会从源极流向漏极。

这时，晶体管处于通的状态。

如果栅极的电压消失，那么电子就不会被吸引到源极与漏极之间的区域。

电路一断，晶体管就处于断的状态.
7．什么是材料的介电常数和介电损耗？介质材料的极化机制有那些？介电常数随频率增加会发生怎样的变化，为什么？具有铁电性能的介质材料为什么具有较高的介电常数？
答：介电常数是衡量电介质材料储存电荷能力的参数，通常又叫介电系数和电容率，是材料的特征参数。

介电损耗是指电介质在交变电场中,由于消耗部分电能而使电介质本身发热的现象。

极化机制有电子位移、离子位移、固有偶极矩取向极化三种。

当外加电场频率很低时，介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，此时不存在极化损耗，介电常数达到最大，当频率逐渐升高时，取向极化在某一频率开始跟不上外电场的变化，对介电常数的贡献逐渐减小，因而，介电常数逐渐
减小，当外加电场频率很高时，介电常数仅由位移极化决定而变得更小。

材料的介电常数与材料的极化有着紧密的关系，具有铁电性能的介质材料因为其特有的晶体结构而具有自发极化，有于其本身较高的电极化强度而使它的介电常数也较高。

8．铁电性和压电性的定义？铁电材料和压电材料的主要特点是什么，举例说明铁电和压电材料的主要应用及性能依据？
答：在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性；压电性是指某些介质的单晶体，当受到定向压力或张力的作用时，能使晶体垂直于应力的两侧表面上分别带有等量的相反电荷的性质。

若应力方向反转时，则两侧表面上的电荷易号。

铁电材料其特点是不仅具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变。

压电材料的主要特点具有压电效应及逆压电效应。

典型铁电材料有：钛酸钡（BaTiO3）、磷酸二氢钾(KH2PO4)等，应用于电子陶瓷元器件，超声波仪器等等，对铁电材料的应用主要是利用它们的热释电性、电光性能以及高介电常数。

压电材料因为其压电效应而广泛应用于传感器元件中，同时压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。

PZT压电陶瓷(锆钛酸铅)。

9．什么是热膨胀和热传导，主要机制分别是什么？
答：热膨胀通常是指外压强不变的情况下，大多数物质在温度升高时，其体积增大，温度降低时体积缩小。

热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式叫做热传导。

热膨胀机制：当温度上升时原子间的距离也会增加，晶体中两相邻原子间的势能是原子核间距离的函数,势能曲线是一条非对称曲线。

热传导机制：热在固体材料中的传递是靠格波的振动（声子）和自由电子的热运动。

10．简述磁矩的起源，铁磁性、亚铁磁性、抗磁性和顺磁性定义；
软磁材料和硬磁材料的特点及应用。

答：磁矩的起源：材料宏观上的磁特性是一系列单个电子产生磁矩的集合。

在原子中，电子因绕原子核运动而具有轨道磁矩；电子还因自旋具有自旋磁矩。

铁磁性是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。

亚铁磁性是指在无外加磁场的情况下，磁畴内由于相邻原子间电子的交换作用或其他相互作用，使它们的磁矩在克服热运动的影响后，处于部分抵消的有序排列状态，以致还有一个合磁矩的现象。

当施加外磁场后，其磁化强度随外磁场的变化与铁磁性物质相似。

抗磁性是指在受到外加磁场作用时，物质获得反抗外加磁场的磁化强度的现象。

顺磁性是指在磁场作用下，物质中相邻原子或离子的热无序磁矩在一定程度上与磁场强度方向一致的定向排列的现象。

软磁材料具有低的矫顽力和高磁导率，易于磁化，也易于退磁，广泛应用于电工设备和电子设备中，应用最多的软磁材料是铁硅合金以及各
种软磁铁氧体等。

硬磁材料磁滞回线较宽，具有较大的矫顽力，磁化后不易退磁而能长期保留磁性，其典型代表是钡铁氧BaFe12O19。

硬磁材料不仅可用作电讯器件如录音器、电话机及各种仪表的磁铁，而已在医学、生物和印刷显示等方面也得到了应用。

居里点也称居里温度或磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。

11．什么是材料的光学性能？从能带角度分析金属、半导体和绝缘体光学性能的异同？在可见光范围，说明金属、半导体和绝缘体的透明性及能带宽度。

答：材料的光学性能指材料在电磁波辐射尤其在可见光作用下所表现出来的各种性能。

金属中，相邻分子轨道间能级差很小，没有禁带，它可以吸收所有低频谱的电磁辐射，呈现不透明性。

半导体中存在禁带，但禁带宽度不大，只要入射声子的能量大于禁带宽度，就可被吸收，呈现不透明性。

绝缘体的禁带宽度很大，不能吸收可见光，呈现透明性。

12．氧化铝材料透明程度与那些因素有关，为什么？
答：氧化铝材料的透明程度与其内在的结构有关。

如晶界，相结构和有孔性。

单晶氧化铝是透明的；多晶低空隙氧化铝是半透明的；多晶高空隙氧化铝是不透明的。

13．激光的定义及应用。

简述半导体激光和红宝石激光的形成原理。

答：激光是由受激发射的光放大产生的辐射。

应用有激光焊接，
激光切割，激光治疗可以用于手术开刀，光通信等。

半导体激光的形成原理是,通过一定的激励方式,在半导体物
质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受
主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于
粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用。

激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激
励式。

红宝石激光的形成原理是以红宝石为工作物质，在Xe（氙）灯
照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了Xe
灯发射的光子而被激发到E3能级。

粒子在E3能级的平均寿
命很短（约10-9秒）。

大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上
能级E2。

粒子在E2能级的寿命很长，可达3×10-3秒。

所以
在E2能级上积累起大量粒子，形成E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足hν＝E2—E1的光子有放大作用，
即对该频率的光有增益。

14．太阳能电池和发光二级管的工作原理。

太阳能电池的最高转换效率达到多少，主要影响因素是什么？
答：光生伏特效应：当具有p－n结的半导体受到光照时（hγ≥
Eg ），其中电子和空穴的数目增多，在结的局部电场作用下，p区的电子移到n区，n区的空穴移到p区，这样在结的两端就有电荷积
累，形成电势差。

接通电路后就形成电流。

这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

发光二极管是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

太阳能电池的最高转换效率达到30%左右，主要影响因素是串联电阻，通过金属线的密布可以使串联电阻减小；复合寿命，载流子的复合寿命越长越好；禁带亮度，在某一个确定的Eg随处出现太阳电池效率的峰值。

15．画出钙钛矿结构钛酸钡室温下和居里温度以上的晶体结构图，随温度升高，钛酸钡的晶体结构和性能会发生怎样的变化？说明室温下钛酸钡铁电性的起源？什么是逆压电效应和电致伸缩效应，这两种效应中电场和位移的关系有什么不同？
答：
在居里温度以上，是立方晶系钙钛矿型结构，不存在自发极化。

在室温下，为四方晶系。

随着温度的升高，自发极化减弱。

当温度高于居里温度时，自发极化为零，晶体不具有铁电性。

钛酸钡在室温下，其自发极化具有两个或多个可能的取向，在不超过晶体击穿电场强度的电场作用下，其取向可以随电场改变，这种特性称为铁电性。

电致伸缩效应：在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变。

其特征是应变的正负与外电场方向无关。

在压电体中，外电场还可以引起另一种类型的应变；其大小与场强成比例，当外场反向时应变正负亦反号，即逆压电效应。

（外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致伸缩效应之和。

对于非压电体，外电场只引起电致伸缩应变。

）
16．画出锆钛酸铅（PZT）固溶体的相图，标出准同型相界及居里转变温度曲线，说明相界两边及居里转变温度以上PZT的晶体结构，在相界附近PZT的性能会发生怎样的变化，为什么？硬性和软性PZT材料的特点是什么，怎样通过材料组分设计得到这些材
料？
答：
在铁电四方相和铁电三方相的相界附近区域，两相共存。

结构比较松
弛，两相具有相近的自由能，而且自由能差对温度的变化不敏感。

因
此，PZT 在相界附近具有优良的压电、介电和热释电性能。

软性PZT 材料(PZT-5H) 压电系数高，机电耦合系数高，机械品质因
数低，而硬性PZT 材料(PZT- 8)正好相反。

17． 驰豫铁电体的定义。

举例说明驰豫铁电体单晶与压电陶瓷相比
具有那些性能优势？
答：弛豫铁电体就是从加电场到极化方向反转或重新定向有一段时间
的材料。

如新型弛豫铁电单晶铌镁酸铅(简称PMNT)或铌锌酸铅(简称
PZNT)是一类新兴的功能材料，其在准同型相界附近具有优于传统压
电陶瓷的较高的介电常数和电致伸缩系数，可完全代替传统的压电陶
瓷。

18． 压电材料例如PZT 薄膜化后性能会发生怎样变化，薄膜压电材
料具有那些特点？薄膜的制备工艺有哪些，有什么特点？
答：厚度下降，介电常数也下降，剩余极化强度下降，压电系数下降。

薄膜压电材料的特点是可在不同基体上涂层，较低的运行电压，器件
的微型化以及改善材料的性能。

压电薄膜是用溅射或蒸镀等方法制备的具有高度取向性的薄膜压电
材料，其特点是具有良好的成型性和柔顺性，加工也比较简单，可制
成大面积薄膜。

1． 铁电存储器的工作原理及特点，简述未来铁电存储器的发展趋
势。

什么是电容器，对电容器材料的基本要求是什么？简述陶瓷
电容器的发展趋势。

什么是热释电性能，铁电材料是不是热释电
材料，那些材料可以具有热释电性能？
答：FRAM 利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储。

当给铁电晶体加
上一个电压时，偶极子就会在电场作用下排列。

改变电压的方向，可
使偶极子的方向反转。

偶极子的这种可换向性，意味着它们可以在记
T e m p e r a t u r e ( C ) 5 0 0 4 0 0
3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 2 0 3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0 1 0 0 1 0 P b T i O 3 P b Z r O 3 R h o m b o h e d r a l T e t r a g o n a l C u b i c a a a M o r p h o t r o p i c p h a s e b o u n d e r y M o l e % P b Z r O 3 c a a a a P s P s
忆芯片上表示一个“信息单元”。

而且，即使在电压断开时，这些偶极
子也会保持在原来的位置，使铁电存储器不用电就能保存数据。

FRAM 的特点是速度快，读写功耗极低，具有非易失性的存储特
性。

但FRAM 有最大访问（读）次数的限制。

未来铁电存储器发展趋势：BaxSr1-xTiO3--> 256 Mbit DRAMs
BiSr2Ta2O9--> FeRAMs PbTiO3--> MFSFETs
电容器：任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体间都构成一个电容器。

对电容器材料的要求：(a) 体积小，容量大：大介电常数的材料；(b)
高频特性：高介电常数的铁电材料有时伴随着电介质的分散，这在实
际应用中必须考虑进去；(c) 温度特性：我们要设计温度特性稳定来
材料。

.
陶瓷电容器发展趋势：微型化、复合化；多层薄层、大容量化；贱金
属化(低价格)；高频、高性能化；环保化(无铅化)
热释电性能：晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变的性能。

铁电材料是热释电材料。

PbTiO3、PZT 陶瓷、硫酸三甘肽TG3、LiTiO3单晶、PVF2、SBN 、
LiNbO3
2． 如图所示，四方相PZT 材料的介电常数和压电性能随择优取向
改变发生变化，试问随机取向的多晶PZT 陶瓷在极化前后的介电
常数和压电常数是怎样变化的。

极化前，介电常数在最小值和最大值之间，而压电系数为零。

当极化
方向沿着z 轴时，介电常数下降，达到最小值。

相反，压电系数随着
极化强度的增加而增加，最终达到最大值。

3． 什么是压电材料的机电耦合系数？PZT 的K 33值位70％，说明
能量之间会发生怎样的转变？
答：机电耦合系数，是表征压电体的机械能与电能相互转换能力的参
数，是衡量材料压电性强弱的重要参数之一。

输入电能100，转换机械能50，电能存储在电容器48，损失2热能。

4.基于压电材料的功能器件通常利用了压电材料的哪些性能？压电传感器和驱动器分别依据压电材料的什么性能？简述压电驱动器的
PERMITTIVITY PIEZOELECTRIC CONSTANT [001] [100] [001]
[100] m ax =500 d max =200 pC/N (a) (b)
功能特点。

压电材料的谐振频率、反谐振频率和带宽的定义。

带宽的大小反应了压电材料的什么性能？压电体的振动模式有那些，在尺寸和形状上的要求是什么？厚度膜式、横向膜式、弯曲膜式以及工作在谐振频率下的驱动器有什么特点？
答：通常利用了压电材料的介电系数、电致伸缩、热电性、铁电性。

压电驱动器依据逆压电效应。

压电传感器依据正压电效应。

压电驱动器的功能特点：高响应速度，更好的准确性，小排量。

压电振子在最小阻抗频率附近，存在一个使信号电压与电流同位相的频率，这个频率就是压电振子的谐振频率，同样在最大阻抗频率附近存在另一个使信号电压与电流同位相的频率，这个频率叫压电振子的反谐振频率。

带宽等于反谐振频率与谐振频率的差值。

带宽反应了压电材料的机电耦合性能。

厚度膜式：频率范围1M-250MHz，温度稳定性好，机械品质因数高。

5.什么是超声波，压电材料是怎样产生超声波的？压电超声马达利用了压电材料的什么效应，相对于传统电磁马达具有什么特点和优点？答：超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。

若压电陶瓷谐振频率与外加电压的频率相同时，则压电陶瓷就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送相应频率的超声波，其超声波以疏密形式传播。

压电超声马达利用了压电材料的逆压电效应。

超生马达和传统马达的比较：
更适合小型化、储存的能量比传统电磁马达多、体积和重量小1/10。

无电磁噪音生成、无需电磁屏蔽。

更高效率、对尺寸不敏感。

不可燃，过载或短路时压电器件在输出端更安全。

6.医学诊断压电超声换能器利用了压电材料的什么性能，简述换能器的基本结构和性能？简述超声成像技术的基本原理。

答：压电超声换能器利用了压电材料的逆压电效应和正压电效应。

转换器原理：当向被测物体方向发射脉冲式的超声波时，超声发射器将电能转化成机械能形式。

同时超声接受器检测到回声信号时，将机械能转化成电能信号。

超声成像技术的基本原理：超声射入体内，由表面到深部，将经过不同声阻抗和不同衰减特性的器官与组织，从而产生不同的反射与衰减。

这种不同的反射与衰减是构成超声图像的基础。

将接收到的回声，根据回声强弱，用明暗不同的光点依次显示在影屏上，则可显出人体的断面超声图像，称这为声像图。