同济大学复试材料科学导论总结2

第二篇 材料的物性 8.理解物性的基本概念

1.波粒二象性：波粒二象性（wave-particle duality ）指的是所有的基本粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述，也可以部分地用波的术语来描述。

2.常规情况下，有两类决定材料物性的主导因素：

一类是原子系统，通常作为经典粒子处理，反映了位置序或粒子序(性)的效应；另一类是电子系统，通常表现出明显的量子力学特征，反映了动量序或德布罗意波序(性)的效应。 3.经典电导理论和量子力学理论的区别

1. 经典电导理论认为在外电场的作用下所有的自由电子都对电流有贡献；而量子力学理论认为只有费米能级附近的电子才对电流有贡献。

2. 根据量子力学理论，在理想周期性排列的晶格对能带中，电子的能量状态形成能带，能带之间是禁带，能带中的电子可以在晶格中自由运动，因此理想周期性排列的晶格对能带中电子没有散射作用，这是与经典电导理论不相同的。 4.金属自由电子理论：

金属的高导电性是由于那些处于紧靠费米能的半占有状态上的电子漂移形成(外加电压对大多数电子不产生净效应，因为它们可能跃迁到的较高能态均已被填满)。金属的功函数是从高的占有能级上取出一个电子所需的能量，在绝对零度时，即为费米能。在室温，只有很少的一些电子被激发到高于费米能，因此功函数在一个宽的温度范围内几乎是恒定的。

自由电子理论能满意地解释绝大多数金属的导电性，但不能正确解释绝缘体。 5.能带的概念：

能带理论就是认为晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，并且共有化电子是在晶体周期性的势场中运动；结果得到：共有化电子的本征态波函数是Bloch 函数形式，能量是由准连续能级构成的许多能带。

固体的导电性能由其能带结构决定。对一价金属，价带是未满带，故能导电。对二价金属，价带是满带，但禁带宽度为零，价带与较高的空带相交叠，满带中的电子能占据空带，因而也能导电，绝缘体和半导体的能带结构相似，价带为满带，价带与空带间存在禁带。半导体的禁带宽度从0.1～4电子伏，绝缘体的禁带宽度从4～7电子伏。在任何温度下，由于热运动，满带中的电子总会有一些具有足够的能量激发到空带中，使之成为导带。由于绝缘体的禁带宽度较大，常温下从满带激发到空带的电子数微不足道，宏观上表现为导电性能差。半导体的禁带宽度较小，满带中的电子只需较小能量就能激发到空带中，宏观上表现为有较大的电导率。

根据电子能带结构，说明导体、半导体和绝缘体之间电导率差异的原因。 85u

1.导体中含有未满带，在外场作用下，未满带上的电子分布发生偏移，从而改变了原来的中心堆成的形态，占据不同状态的电子所形成的运动电流不能完全抵消，未抵消的部分就形成了电流。

2.从能带结构模型来看，在绝缘体和半导体中，能量较低的、被价电子所充满的价带与能量较高的未填充电子的导带之间，在原子平衡间距处没有交叠，即价带与导带之间被能量为Eg 的禁带所隔开。绝缘体的禁带宽度较宽而半导体的比较窄。由于绝缘体的电子能带结构特征在常温下几乎很少有电子可能被激发越过禁带，因此电导率很低。

3.半导体的能带结构与绝缘体相同，所不同的是它的禁带比较窄，电子跳过禁带不像绝缘体那样困难。如果存在外界作用（比如热、光辐射等），介带中的电子就有可能跃迁到导带中去。纯半导体的导电过程是依靠电子从充满价带激发到空的导带中实现的，价带失去电子同时形成电子空穴，因此导带中的电子浓度与价带中的空穴浓度相等，在室温下，半导体材料的导电性是由于晶体点阵中原子的振动使电子受到了激发进入导带中而引起的，这种空带中的电子导电和价带的空穴导电同时存在而引起的。 6.宏观和介观不均匀

宏观不均匀性：这类材料如不同相的混合物，也包括一部分人工复合材料。

介观不均匀性：在大于晶格常数的尺度内，晶粒生长、失衡分解和共析现象常造成这类静态的不均匀性，多晶陶瓷、玻璃陶瓷等复合材料常具有结构不均匀性，这类不均匀性也常被称为微结构、超微结构和纳米结构。

7.复相不均匀研究结构包括哪几方面？

确定材料中所有存在的相，以及每相的含量和性质特征 。 确定各相的结构形貌特征，如尺寸、形状、晶粒取向和分布。 确定材料中晶界和其他结构缺陷如位错、微裂纹和包裹物的特征。

8.费米子和玻色子

费米子：粒子遵从泡利不相容原理，因而不能有2个粒子处于同一量子态Ei ，系统的波函数必然是反对称的，满足这些要求的粒

子称为费米子。（电子、质子、中子等）费米狄拉克分布： 玻色子：粒子不受泡利不相容原理的约束，因此系统对于能够处于相同量子态Ei 的粒子数目没有限制，描写粒子系统的波函数必然是对称的，满足这些要求的粒子称为玻色子。（光子）波色－爱因斯坦分布：

10.声子：能量为h ω/π的晶格震动的简正模能量量子，称为声子。

9.运输性质

1.热电效应及应用

是当受热物体中的电子，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。包括塞贝克效应和珀尔帖效应。

应用利用半导体的热电效应可以测定半导体材料的导电类型。热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（帕尔帖效应）的一种制冷方法。

2.载流子

导带中的电子和价带中的空穴具有相反的电荷，在电场的作用下沿着相反的方向运动，它们都能导电，称为载流子。

载流子迁移率

载流子在单位电场作用下的漂移速度称为载流子的迁移率μ，只取正值，他描述了载流子的导电能力μ=|v/E|.

温度愈高，晶格振动愈激烈，晶格散射愈强。因此，温度愈高．载流子迁移率愈低。

3.霍尔效应及应用

将一半导体放在磁场中，磁场沿Z方向，磁感应强度为BZ,如在半导体中沿x方向通以电流，电流密度为Jx，则沿y方向将产生一电厂，这称为霍尔效应。

制成磁场计，测量磁感应强度。霍尔器件：非接触开关和传感器。通过霍尔效应的测量，由霍尔系数的符号判断半导体的导电类型，由霍尔系数的绝对值确定载流子浓度n或p。

4.P-n节

当p型半导体和n型半导体接触在一起是便形成了p-n结。

P-n结是电子器件和电路的重要基本单元，例如，利用p-n结的整流效应可以制成整流管；利用p-n结的反向击穿特性可以制成稳压管；利用p-n结的光电效应可以制成光电管和太阳能电池；

5.光伏效应

当光子能量大于禁带宽度的光照射到p-n结时，同样也会产生光生电子空穴。由于p-n结空间电荷层有自建电场存在，在该电场的作用下，光生电子被扫向n型区一边，光生空穴被扫向p型区一边，如此便产生光生电动势，这被称为光伏效应。

6.n型半导体、p型半导体

N型半导体：掺有施主杂质的半导体为n型半导体。

P型半导体:掺有受主杂质的半导体为p型半导体。

7.半导体能带

对半导体来说，电子填满了一些能量较低的能带，称为满带，最上面的满带称为价带；价带上面有一系列空带。最下面的空带称为导带。价带和导带有带隙，带隙宽度用Eg表示它代表价带顶和导带低的能量间隙。

对于本证半导体在绝对零度没有激发的情况下，价带被电子填满，导带没有电子。在一般温度，由于热激发，有少量电子从价带跃迁到导带，使导带有少量电子，而在价带留下少量空穴。这种激发我们称之为本征激发。半导体的导电性就是依靠导带低的少量电子和价带顶的少量空穴。

8.导电聚合物：聚合物的电导率在半导体电导率的范围内称为聚合物半导体。

9.离子晶体的电导情况：

离子晶体的禁带宽度很宽，本征激发产生的电子空穴浓度极小，由此引起的导电作用完全可忽略。离子晶体中的载流子主要是正负离子。可是由于正负离于间有很强的静电束缚，因此在室温下，离子晶体的电导率要比典型金属的电导率低很多(约低22个量级)。像氯化纳这样的离子晶体．有两种荷电相反的离子．但往往只有一种离子在电导中起主导作用。

10.磁学性质

1.【磁性来源】物理学原理：任何带电体的运动都必然在周围的空间产生磁场。电动力学定律：一个环形电流还应该具有一定的磁矩，即它在磁场中行为像个磁性偶极子。

2.【磁性分类】物质的磁性大体可分为五类：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性。前三种为弱磁性、后两种为强磁性。

抗磁性：由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的、方向与外磁场相反的一种磁性。它是一种很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁场存在时才能维持。

原子的本征磁矩为零，没有固有原子磁矩，所有材料都有抗磁性。因为它很弱，只有当其他类型的磁性完全消失时才能被观察。顺磁性：受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为顺磁性。有固有磁矩，没有相互作用。

材料中的原子磁矩无序排列，材料表现不出宏观磁性。抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。

铁磁性：在较弱的磁场作用下就能产生很强的磁化强度，在外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，具有磁滞现象。铁磁体在温度高于居里温度后变成顺磁体。

具有铁磁性的金属有铁、钴、镍等，铁磁性的应用最广泛，特别是在信息的记录和存储方面。

材料是否具有铁磁性取决于两个因素：

原子是否具有未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩（本征磁矩）；

原子在晶格中的排列方式。

亚铁磁性：是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。

反铁磁性在原子自旋（磁矩）受交换作用而呈现有序排列的磁性材料中,如果相邻原子自旋间是受负的交换作用,自旋为反平行排